INDICE Premessa ………………………………………….pag.1 I partecipanti ………………………………….… pag.2 Prova della candela................................................. pag.5 Prova della carta …………….…….………….…. pag.6 Produciamo anidride carbonica .………………. pag.8 L’aria si può comprimere ......………………… pag.9 L’aria occupa uno spazio …………………….…. pag.11 La clessidra ad acqua ………………………….. pag.15 Aria calda e aria fredda …………………………..pag.17 L’aria ha un peso ……..…………………………. pag.19 Perché il fuoco brucia? .……………………..… pag.21 La combustione richiede ossigeno ……………….pag.22 L’aria esercita una pressione……………..……….pag.24 Il barometro ………….……………….…………..pag.29 Alla scoperta delle nuvole ……..…...…………….pag.31 La banderuola …………………..………………...pag.33 L’anemometro ……..……………………………..pag.34 La girandola…………..…………………….…….pag.36 Sperimentiamo il volo degli aerei ...……………...pag.39 L’attività oggetto del presente documento rientra nel Piano Integrato di Istituto, annualità 2011— 2013, ed è cofinanziata dal Fondo Sociale Europeo nell’ambito del Programma Operativo Nazionale 2007 –2013 a titolarità del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e Ricerca— Direzione Generale Affari Internazionali –Ufficio IV
Premessa
Sperimentiamo divertendoci
Quest’originale volume, prodotto finale del progetto didattico, “IO ESPLORO”, svolto nell'ambito del progetto “P.O.N Competenze per lo sviluppo" annualità 2011/12, si può definire il contenitore delle conoscenze, delle emozioni, delle sensazioni, di tutto ciò che lungo questo percorso è stato raccolto ed eseguito a testimoniare la splendida esperienza vissuta. Gli esperimenti eseguiti hanno permesso di integrare la dimensione del sapere e quella dell’essere nella dimensione del fare e pertanto si è deciso di trasmetterli, attraverso quest’opuscolo, per far meglio comprendere il meraviglioso mondo della natura. Un ringraziamento particolare va al Dirigente Scolastico Dott.ssa Giovanna Ferrari e al suo staff per aver promosso “una nuova cultura scientifica” finalizzata alla divulgazione di modalità operative legate all’esperienza e quindi alla pratica del laboratorio. L’esperto esterno Dott.ssa Rosalinda Senettone
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I partecipanti Ariano Simone Buttitta Lavinia Caravaglia Giuseppe Carollo Chiara Castagna Melania Castronovo Giorgia Conti Simona Crivello Francesco D'Alessandro Danilo Gaetano D'Amato Gaetano Di Miceli Kevin Dragotta Antonio Ducato Danilo Ferrante Emanuele Giuseppe Fricano Marta Galioto Mattia Garraffa Giulia Guarisco Sofia La Cara Domenico La Spisa Federica Lanza Samuele Lentini Chiara Li Puma Andrea Lo Medico Federica Lo Medico Giosue' Lo Piparo Tommaso Lopez Carlo Martorana Maria Miosi Erika Mortillaro Matteo Piazza Andrea Vincenzo Puleo Francesco Restivo Samuele Restivo Angelo Scaduto Arianna Pia Sciacchitano Alessandro Zeni Emilio 2
-Adesso eseguiamo un’altra piegatura ad angolo sulla prima.
Mamma mia quanti problemi ! Come facciamo a risolverli ? - Sulla terza piegatura eseguiamo un’altra piega, come prima.
- Pieghiamo di nuovo sulla linea mediana facendo unire le due metà, poi
ripieghiamo verso l’esterno i due margini superiori per formare le ali. Ecco l’aereo, pronto per volare!
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Sperimentiamo Sperimentiamoililvolo volodegli degliaerei aerei Materiale occorrente: un foglio di carta colorato (formato A4). Istruzioni
Se con i sensi non si nota la presenza dell’aria, come possiamo dimostrare che esiste?
-Pieghiamo il foglio a metĂ nel senso della lunghezza, poi lo riapriamo e ripieghiamo un lembo in alto formando un angolo retto.
-Pieghiamo anche il lembo opposto.
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Prova della candela
Ora puoi soffiare lateralmente sulla girandola ed essa si metterà a girare (... se hai fatto le cose per bene!)
Se stiamo fermi la fiamma della nostra candela sale diritta verso l’alto.
Se invece camminiamo la fiamma si piega verso di noi perché incontra un ostacolo … l’aria!
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Prova della carta Accartocciamo un foglio di carta per farne una pallina e lasciamola cadere insieme ad un altro foglio. 2° disegno: abbiamo forato con una bucatrice le varie punte contrassegnate dal numero; abbiamo raccolto verso il centro i vari buchi;
La pallina cade più velocemente perché il foglio di carta è frenato dall’aria come un paracadute.
3° disegno: alla fine abbiamo posto all’interno dei buchi un fermacampione; foriamo il centro della girandola con la punta delle forbici; inseriamo il fermacampione nel foro e lo inseriamo su una estremità della cannuccia lasciamo un po' di spazio fra la girandola e la cannuccia ... altrimenti non potrà girare!
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La girandola Materiale occorrente: un quadrato di cartoncino leggero (15 x 15 cm) una cannuccia un fermacampione forbici - - pennarelli - matita Come si fa? Come modello per la costruzione abbiamo seguito i tre disegni:
AZOTO OSSIGENO
1° disegno: pieghiamo il quadrato lungo le diagonali (si formano 4 triangoli) si può colorare con i pennarelli ciascuno dei 4 triangoli con i colori indicati (noi per comodità abbiamo scelto dei cartoncini già colorati) e infine tagliamo le diagonali fino a 4 cm circa dal centro (lungo la linea tratteggiata);
ALTRI GAS
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Istruzioni: 1. utilizziamo tre bicchieri bianchi e uno rosso; 2. alleggeriamo i bicchieri di plastica tagliando il bordo esterno; 3. fissiamo a croce le due strisce di cartoncino, utilizzando la pinzatrice facendo attenzione di fissarli esattamente al centro delle strisce; 4. segniamo con un pennarello, il centro dell’incrocio; 5. fissiamo i bicchieri di plastica ai lati delle strisce di cartone con la pinzatrice, assicurandoci che siano rivolti tutti nella stessa direzione; 6. infiliamo la puntina/il chiodo nel centro dell’incrocio e attacchiamo l’anemometro alla gomma della matita (verificando che riesca a girare liberamente); 7. posizioniamo l’anemometro all’esterno, in un luogo esposto al vento.
Produciamo anidride carbonica In questo esperimento il nostro materiale occorrente è stato: aceto, bicarbonato di sodio, un palloncino vuoto, una bottiglia di plastica vuota. Successivamente abbiamo versato una piccola quantità di aceto nella bottiglia vuota; con un imbuto abbiamo messo una piccola quantità di bicarbonato nel palloncino. Quest’ultimo lo abbiamo collocato nel collo della bottiglia e infine abbiamo fatto cadere il bicarbonato nell’aceto. Inizialmente, abbiamo visto svilupparsi una schiuma che ha sprigionato una sostanza gassosa ed ha fatto gonfiare così il palloncino. Dopo aver osservato attentamente la reazione e il gas prodotto, ci siamo resi conto che essa era l’anidride carbonica.
Misurazione della velocità del vento Utilizzando un orologio che conta anche i secondi, misuriamo il numero di giri (il numero di volte che il bicchiere colorato attraversa il punto di riferimento) che l’anemometro fa in un minuto.
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L’aria si può comprimere Per la realizzazione di questo esperimento abbiamo preso tre siringhe e le abbiamo riempite rispettivamente di: acqua, sabbia e di aria. Tappate ogni siringa con un dito ne abbiamo premuto il pistone. Abbiamo visto che nelle prime due il pistone non avanza perché i liquidi e i solidi non sono comprimibili;
L’anemometro L’ anemometro è lo strumento che misura la forza dei venti. L’ anemometro che abbiamo costruito è fatto così : - 4 bicchieri di plastica;
- cartone rigido (2 strisce da ca. 50 x 8 cm); - una puntina o un chiodo a punta sottile; - un bastoncino (50-70 cm) oppure una matita con gomma sul fondo; - forbici, righello, nastro adesivo trasparente, pinzatrice (possibilmente adatta a spessori superiori a 20 fogli).
ARIA – ACQUA - SABBIA
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La banderuola
nella terza, cioè in quella riempita di aria, il pistone avanza in modo evidente, fino ad un certo punto.
La banderuola è lo strumento che misura la direzione dei venti. Abbiamo fotocopiato su un cartoncino colorato la sagoma di una gallina. Una volta ritagliata, abbiamo incollato su di essa due cannucce creando una croce. Sulla punta della cannuccia orizzontale abbiamo attaccato un triangolo di cartoncino. La banderuola, infine, è stata collocata dentro una bottiglia di plastica in modo da essere libera di ruotare a seconda della direzione del vento.
Conclusione: l'aria ha occupato un volume minore rispetto a quello iniziale perché si può comprimere.
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L’aria occupa uno spazio Il trucco del tappo Per l’esecuzione di questo esperimento abbiamo utilizzato una vaschetta trasparente, un bicchiere trasparente, un tappo di sughero, dell’acqua. Riempita di acqua la vaschetta, abbiamo posto il tappo sulla superficie; Le nuvole piatte, basse, color grigio chiaro, che formano una superficie uniforme sono gli STRATI.
Le nuvole bianche come panna montata si chiamano CUMULI. Generalmente la base tende ad essere di colore più scuro, ma non producono precipitazioni. Successivamente, preso il bicchiere, lo abbiamo appoggiato sulla superficie dell’acqua in modo che il tappo sia posto al centro e abbiamo premuto verso il fondo. 11
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Alla scoperta delle nuvole! Ci sono quattro tipi di termini descrittivi per i vari tipi di nuvole:
Che cosa succede? Il tappo viene schiacciato sul fondo della vaschetta perché all’interno del bicchiere c’è la presenza dell’aria.
CIRRO o nuvole alte ALTO o nuvole medie CUMULUS o nuvole bianche e gonfie STRATUS o nuvole stratiformi
Le nuvole bianche alte nel cielo, esili e trasparenti, simili a leggerissimi batuffoli di cotone sono i CIRRI.
Le nuvole molto larghe, pesanti e dense. Hanno generalmente una superficie piatta e scura con cime molto alte e larghe come la forma di una massiccia montagna o di un incudine. Queste nuvole sono spesso associate a fulmini, tuoni e a volte grandine; possono anche produrre un tornado e si chiamano CUMULONEMBI 31
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La carta che non si bagna Utilizzando lo stesso materiale precedente, abbiamo sostituito il tappo con un foglio di carta, che abbiamo appallottolato in modo che si incastri sul fondo del bicchiere;
all' estremità della cannuccia (che è il nostro ago del barometro) posizioneremo un righello o una scala graduata colorata in maniera tale da leggere le oscillazioni dell' ago. Con l'alta pressione la membrana verrà schiacciata e l'asticella tenderà ad innalzarsi; viceversa con la bassa pressione la membrana tenderà ad espandersi e l'asticella ad abbassarsi. Più semplice di così!
abbiamo immerso il bicchiere con il foglio nella vaschetta spingendolo sul fondo in modo perpendicolare all’acqua.
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Il barometro Il barometro è uno strumento che misura le variazioni nella pressione atmosferica e che può quindi dare indicazioni su che tempo farà. Seguendo queste semplici istruzioni vi spiegheremo come si può costruire un barometro artigianale, e fare le previsioni del tempo.
Successivamente, tolto il bicchiere, senza inclinarlo, abbiamo estratto il foglio che è rimasto asciutto.
Il barometro che abbiamo costruito è fatto così: su un barattolo di latta o vetro su cui va applicata una membrana (realizzata con un palloncino o con della pellicola trasparente usata in cucina).Sulla membrana viene fissata, con del nastro adesivo, una cannuccia o una sottile asticella; . 29
Con l'alta pressione la membrana verrà schiacciata e l'asticella tenderà ad innalzarsi; viceversa con la bassa pressione la
Quando il bicchiere viene immerso nell’acqua, l’aria che vi è contenuta viene a trovarsi tra l’acqua e la carta formando così una barriera, che impedisce all’acqua di bagnare il foglio. 14
La clessidra ad acqua Ecco l’elenco del materiale che abbiamo usato e le istruzioni per il montaggio: due bottiglie di plastica da mezzo litro, due piccole cannucce, due piccoli bulloni e i relativi dadi, uno strato di vernice o di silicone. Unire, come mostrato in figura, i due tappi servendosi di dadi e bulloni. Aprire due piccoli fori nei tappi, far passare attraverso essi le cannucce, posizionandole a diversa altezza dalle due parti opposte. Per evitare eventuali perdite d’acqua nella regione di contatto dei tappi aggiungere uno strato di silicone o di vernice.
3° esperimento Per visualizzare meglio questo esperimento, utilizziamo un fluido come l’acqua. Abbiamo usato una bottiglia di plastica, plastilina, acqua e una teglia di alluminio. Con un chiodo riscaldato su una candela, eseguiamo sulla bottiglia di plastica tre fori ad altezze diverse. Chiudiamo i fori con un po’ di plastilina e la poniamo sulla vaschetta di alluminio. Riempiamo la bottiglia con l’acqua e togliamo la plastilina dai fori. Osservando attentamente notiamo che: lo zampillo d'acqua che fuoriesce da ogni foro descrive una forma parabolica; se non si aggiunge più acqua nella bottiglia, l'ampiezza della parabola descritta dallo zampillo diminuisce; gli zampilli sono tanto più lunghi quanto più in basso si trova il foro;
Abbiamo riempito di acqua una bottiglia e l’abbiamo avvitata sotto la seconda bottiglia (chiaramente vuota). Invertendo la posizione delle bottiglie abbiamo osservato che l’acqua scende attraverso la cannuccia che sta più in basso mentre l’aria sale attraverso l’altra cannuccia.
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La nostra conclusione L'acqua o l’aria ha un peso e preme sulle pareti con una forza che è tanto maggiore quanto maggiore è la colonna d'acqua o d’aria che preme sul foro. 28
2° esperimento Per l’esecuzione di questo esperimento abbiamo utilizzato un bicchiere, acqua e un cartoncino o cartolina. Abbiamo riempito un bicchiere con acqua, fino all'orlo.
Poi lo abbiamo coperto con un cartoncino: anche una cartolina va benissimo. Abbiamo sollevato lentamente il bicchiere tenendo il cartoncino su di esso con l'altra mano. Il momento più difficile … rovesciare velocemente il bicchiere (rivolgendo l'apertura verso il basso) continuando a tenere il cartoncino premuto su di esso. Una volta tolta la mano che tiene il cartoncino abbiamo visto una … magia! E’ proprio la pressione dell'aria che ci circonda a tenere il cartoncino premuto contro il bicchiere, sollevando anche tutta l'acqua contenuta!!
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Dalle nostre osservazioni abbiamo capito tante cose, ma la nostra insegnante ci ha aiutato a trarre queste conclusioni: l’acqua passa attraverso la cannuccia che sporge di meno nella bottiglia superiore, perché la pressione è maggiore che all’entrata dell’altra cannuccia (legge di Stevino); mentre l’acqua scende, l’aria sale perché il volume disponibile per l’aria aumenta nella bottiglia superiore e diminuisce in quella inferiore, nella bottiglia inferiore il volume di aria diminuisce, quindi la pressione aumenta (legge di Boyle), mentre nella bottiglia superiore accade il contrario: è proprio la differenza di pressione che spinge su l’aria; è necessario un certo intervallo di tempo, che dipende dal diametro della cannuccia, affinché l’acqua scenda dalla bottiglia superiore a quella inferiore.
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Aria calda e aria fredda
Estratta la bottiglia dalla vaschetta si è osservato che l’acqua non fuoriusciva dai fori perché l’aria esercitava una forte pressione dal basso verso l’alto.
Per eseguire questo esperimento abbiamo preso un piatto e incollato (utilizzando un po’ di plastilina) su di esso una candela; In seguito, all’interno del piatto, abbiamo messo dell'acqua e abbiamo acceso la candela.
Abbiamo coperto la candela accesa con un bicchiere capovolto e abbiamo osservato quello che succedeva. Dopo pochi secondi la candela si è spenta e parecchia acqua è stata risucchiata all'interno del bicchiere. Fin qui, niente di particolare. I problemi nascono quando si cerca di interpretare quello che è successo. Molti di noi hanno ipotizzato che l'acqua entrerebbe nel cilindro per occupare lo spazio lasciato dall'ossigeno consumato dalla fiamma della candela. E' giusto? Vediamo! A tale scopo abbiamo ripetuto più volte l'esperimento.
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La pressione atmosferica ? Si vede ! Ecco come … Per dimostrare l’esistenza della pressione atmosferica abbiamo fatto ben tre esperimenti.
1° esperimento Per l’esecuzione di questo esperimento abbiamo preso una bottiglia di plastica con tanti fori alla base, una vaschetta, acqua.
Le nostre conclusioni
All’interno del cilindro con la candela accesa si è creata aria calda, invece, dopo che la fiamma si è spenta, questo gas raffreddandosi si è contratto e ha creato una depressione che ha richiamato dell'acqua all'interno del cilindro.
Abbiamo riempito la vaschetta d’acqua e messo in verticale la bottiglia al suo interno. Dopo qualche minuto la bottiglia si è riempita con un po’ di acqua ed abbiamo messo il tappo.
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L’aria ha un peso Pesiamo un palloncino sgonfio su una bilancia digitale.
Il suo peso è di due grammi! Successivamente il nostro compagno riempie d’aria lo stesso palloncino.
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L’aria esercita una pressione L’esecuzione di questo esperimento è molto semplice, basta avere due palloncini, due mollette e un rocchetto da filo. Abbiamo gonfiato i due palloncini in modo che uno sia circa la metà dell’altro, successivamente, li abbiamo chiusi con le mollette in modo da non far fuoriuscire l’aria e collegati alle due estremità del rocchetto da filo.
E’ ovvio che una volta tolte le mollette, l’aria si sposterà da un palloncino all’atro, ma verso quale direzione? Con grande meraviglia e contrariamente alle nostre ipotesi, ci siamo accorti che, l’aria si sposta dal palloncino più piccolo a quello più grande!!! Spiegazione teorica L’aria all’interno dei due palloncini è soggetta a due pressioni: -la pressione atmosferica esterna che è uguale nei due palloncini; -la pressione dovuta all’elasticità del palloncino. Quest’ultima è maggiore per il palloncino piccolo e ciò è evidente pensando che è più faticoso gonfiare un palloncino all’inizio mentre man mano che si gonfia diventa più facile! 24
Ripetiamo lo stesso esperimento utilizzando: due candele, due bicchieri di diversa capacità e un cronometro.
Pesiamo sulla bilancia il palloncino gonfio d’aria e notiamo che il suo peso è di 3 grammi!
La nostra conclusione L’aria ha un suo peso!
La nostra conclusione All’aumentare del volume dei bicchieri aumenta il tempo necessario al consumo dell’ossigeno. La candela accesa, contenuta all’interno del bicchiere con maggiore volume, si spegne dopo! 23
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Perché il fuoco brucia?
La combustione richiede ossigeno
Ecco in nostro brainstorming
Accendiamo una candela che abbiamo fatto aderire ad un piatto, la copriamo con un vasetto di vetro, dopo pochi secondi la candela si spegne. Ciò si verifica perché si è consumato l’ossigeno.
Inoltre abbiamo capito che il fuoco provoca una reazione chiamata combustione. Per avere la combustione sono necessari: 1. un combustibile (legno, carta, gas..) 2. un comburente (ossigeno) 3. un innesco (accendino, fiammifero)
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