Alla scoperta del mondo particellare

Percorso didattico

Le due classi riunite di 41 allievi sono state divise in 4 gruppi (A, B, C, D), con il compito di studiare l'aria sulla base di un percorso tracciato attraverso delle schede guidate.

Per le fasi sperimentali del lavoro (pomeridiano) sono stati impiegati 3 pomeriggi da due ore l'uno, a distanza di diverse settimane tra una unità e l'altra. Per la realizzazione dei test, delle riflessioni e delle verbalizzazioni necessarie, le insegnanti di scienze, nelle proprie classi, hanno utilizzato altro tempo.

1° GIORNO

1ª DIMOSTRAZIONE: aspirazione dell'aria dalla beuta

Dalla beuta è stata tolta metà dell’aria. Ovviamente non è possibile vedere l’aria, ma si può sentire, ad esempio, il soffio che essa produce rientrando nella beuta.
Immaginiamo ugualmente di possedere degli occhiali “magici” che consentano di vedere l’aria e di ingrandirla. Se questa è la situazione prima di aspirare, quale parte della beuta rimane senza aria?

L'esperimento è stato condotto con una campana di vetro e pompa a vuoto manuale. Le discussioni di gruppo hanno prodotto questi disegni e descrizioni.

Gruppo A: L'aria occupa tutto lo spazio a disposizione

Gruppo B: 1. aria spinta da forze di coesione; 2. agitazione termica, cioè l'aria è sparsa

Gruppo B1: 1. L'aria è molto stretta, molto compressa, in quanto è parecchia (molta forza di coesione); 2. L'aria non è presente completamente, ma solo in modo parziale. L'aria è in movimento in quanto è poca (poca forza di coesione)

Gruppo B2

Gruppo C

Gruppo D1

Gruppo D2: 1. L'aria è distribuita regolarmente; 2. L'aria è rimasta ai lati

Gruppo D3

L'ipotesi del gruppo A rispecchia la situazione macroscopica. I suoi punti deboli sono che non risponde alla domanda "dove manca l'aria", ma tiene conto del fatto che l'aria tende sempre a occupare tutto il volume a disposizione.

Le ipotesi del gruppo B sono accomunate dal fatto che l'aria residua lascia dei vuoti localizzati, in certa misura dispersi. I domini in cui è suddivisa l'aria residua sono immaginati cangianti in forma e mobili. Un punto debole dell'ipotesi, che comunque spiega dove manca l'aria, è che restano intere regioni senza aria. Si noti che le conoscenze puramente scolastiche pregresse, sulle forze di coesione e sull'agitazione termica, sono completamente inutili nel fornire una rappresentazione corretta dell'aria, poiché esse non sono state né costruite né integrate autonomamente in una rete concettuale coerente e significativa. La forza di coesione è associata al grado di compattezza dell'aria anziché a una forza interna. Questa errata concezione dovrà essere corretta.

L'ipotesi del gruppo C è sostanzialmente corpuscolare. I punti di forza sono che l'aria occupa tutte le regioni dello spazio e nello stesso tempo si riconoscono gli spazi vuoti.

Le ipotesi del gruppo D localizzano l'aria residua in una parte del recipiente. In basso D1 ed esternamente gli altri due gruppi. Non sono date giustificazioni per queste ipotesi, anche se la D1 può essere sostenuta dal fatto che l'aria residua ha un peso; oppure il fatto che si concentri in basso spiega la difficoltà a sollevare la cupola di vetro.

2ª DIMOSTRAZIONE: il volume dell'aria contenuto nella siringa viene ridotto al 50%

Rispondere alle seguenti domande:

a. Come fa l’aria che si trova in fondo alla siringa ad accogliere altra aria, quando premiamo il pistone?

• L’aria è comprimibile ed elastica: gruppi C, A
• L’aria è formata da particelle: gruppo D1
• Ci sono spazi vuoti tra le particelle: gruppo D2
• In fondo alla siringa c’è più aria compressa: gruppo B

b. Quale ipotesi disegnata nelle beute spiega meglio come si possa comprimere l’aria?

• Si stringe e si comprime: gruppo B
• L’ipotesi del gruppo C: gli altri gruppi

c. Che cosa ha di speciale la struttura dell’aria che ne permette la compressione?
 

• E’ comprimibile ed elastica: gruppo C
• Ci sono i vuoti: gruppi D1, D2
• Nessuna risposta: gruppo A

3ª DIMOSTRAZIONE: il volume della siringa viene portato al 5 - 10 %

Rispondere alle seguenti domande:
d. Nell'aria è maggiore lo spazio vuoto o lo spazio occupato dalle particelle?

• Lo spazio vuoto: gruppi B, D1, D2
• Lo spazio occupato dalle particelle: gruppo C
• Nessuna risposta: gruppo A

e. Perché non si può raggiungere un volume nullo anche comprimendo con una forza tremenda?

• Perché le particelle occupano uno spazio e non entrerebbero in uno spazio così piccola: gruppi C, B, D1
• Perché ci sono vuoti e le particelle si aggregano: gruppo D2
• Nessuna risposta: gruppo A

2° GIORNO

4° DIMOSTRAZIONE: l’odore diffonde da una boccetta lasciata aperta

f. Come fa il profumo a raggiungere il naso?

1. L’odore è un gas che passa tra le particelle dell’aria
2. Nell’aula ci sono correnti d’aria che trascinano l’odore
3. L’odore e l’aria sono due gas e le loro particelle si muovono e si mescolano le une nelle altre
4. L’odore ha particelle che si muovono tra quelle d’aria, che stanno ferme
5. Le particelle dell’odore sono messe in moto per gli urti subiti dalle particelle dell’aria.

Si sono avute 2 risposte per l'opzione 1 e 5 risposte per l'opzione 2.

5° DIMOSTRAZIONE: L’ammoniaca evapora e diffonde nel tubo chiuso

g. Come fa l’ammoniaca a muoversi se il tubo è chiuso e pieno d’aria?

1. perché cerca di uscire dall’altra estremità
2. perché le sue particelle si muovono
3. perché le sue particelle sono urtate e spinte dalle particelle dell’aria
4. perché le particelle di ogni gas sono in movimento

Si sono avute 3 risposte per l'opzione 2, 1 risposta per l'opzione 3 e 5 risposte per l'opzione 4; 2 gruppi hanno dato 2 risposte.

6° DIMOSTRAZIONE: il pistone rientra “da solo” nella siringa se, dopo essere stato sollevato, viene rilasciato.

h. Il pistone si mette in moto perché:

1. Vuole ritornare nella posizione di partenza
2. La poca aria rimasta nella siringa vuole tornare al volume iniziale
3. Perché il vuoto della siringa lo risucchia
4. Perché le particelle dell’aria esterna, con il loro moto, lo urtano

Si sono avute 1 risposta per l'opzione 3, 7 risposte per l'opzione 4; 1 gruppo ha dato 2 risposte.

i. Quali aggiunte bisogna fare al modello di gas finora ricavato (particelle e spazio vuoto)?

C'è stata 1 risposta: bisogna aggiungere il movimento delle particelle.

7° Dimostrazione: un palloncino di gomma chiuso con poca aria viene introdotto nella beuta, e da questa si aspira l’aria.

j. Cosa accadrà al palloncino?

1. Salirà in alto
2. Si solleverà al centro della beuta
3. Si gonfierà
4. Si sgonfierà

Si sono avute 3 risposte per l'opzione 1, 2 risposte per l'opzione 3; 2 gruppi non hanno risposto.

Disegna gli ingrandimenti prima e dopo l’aspirazione dell’aria	La dimostrazione è stata realmente effettuata col seguente risultato
Nessun disegno	prima	dopo (vuoto)

8° DIMOSTRAZIONE: l’aria di una bottiglia di vetro vuota, tenuta capovolta con l’imboccatura in un becher con acqua, fuoriesce formando delle grandi bolle.

k. Perché non si formano bolle d’aria lasciando la bottiglia da sola?

l. Qual è l’effetto della temperatura sull’aria e sulle sue particelle?

1. Le particelle si muovono a maggior velocità e la pressione aumenta; perciò aumenta il volume dell’aria
2. Le particelle dell’aria rallentano e perciò aumenta lo spazio vuoto tra esse
3. La temperatura indebolisce la forza con cui le particelle si attraggono
4. Le particelle si gonfiano e quindi l’aria occupa maggior volume

Non è stata data alcuna risposta a queste domande.

3° GIORNO

9° DIMOSTRAZIONE: L’antitarme è posto sulla bilancia e dopo un po’ si sente l’odore.

m. Come si origina l’odore?

1. È un gas che si stacca dalle particelle dell’antitarme
2. Le particelle da solide diventano gassose
3. Le particelle dell’odore sono le stesse che prima formano il solido e poi si staccano
4. Il gas proviene dagli spazi tra i cristalli
5. Il gas è contenuto all’interno dei cristalli

3 gruppi hanno scelto l'opzione 3, 1 gruppo ha scelto le risposte 2 e 3.

10° DIMOSTRAZIONE: Un cristallo di colorante si scioglie anche stando fermo nel liquido e più velocemente in acqua calda.

n. Come si può estendere ai solidi e ai liquidi il modello particellare?

• Gruppo A: nei solidi e nei liquidi ci sono particelle
• Gruppo B: con il calore
• Gruppo C: le particelle, essendo libere, si espandono quando i solidi si sciolgono
• Gruppo D: non ha risposto

o. Cosa tiene unite le particelle nei liquidi e nei solidi?

• Tutti i gruppi: le forze di coesione

p. Come spiega il modello particellare il fatto che il colorante si diffonde più velocemente nell’acqua calda?

1. Perché le sue particelle si muovono più velocemente
2. Perché le particelle dell’acqua calda sono più veloci
3. Perché sia le particelle dell’acqua sia quelle del solido si muovono più rapidamente
4. Perché l’acqua calda ha maggiore capacità di sciogliere i solidi

Un gruppo ha scelto la risposta 4; 3 gruppi hanno scelto la risposta 3.

11° DIMOSTRAZIONE: due gocce d’acqua si avvicinano sul film di polietilene e solo quando vengono a contatto si uniscono.

q. Perché, secondo il modello particellare, le due gocce si sono unite?

1. C’era attrazione tra le gocce
2. Le particelle dell’acqua si attraggono
3. Per assumere una forma vicina alla sferica
4. Le superfici a contatto si premono

3 gruppi hanno scelto la risposta 2; 1 gruppo ha scelto la risposta 4.

r. C’è un ultimo tassello da aggiungere al modello particellare per completare il quadro della materia solida e liquida (stati condensati). Quale?

3 gruppi hanno risposto: forze di coesione; 1 gruppo non ha risposto.

12° DIMOSTRAZIONE: L’alcol viene posto sulla mano e si osservano le sensazioni. L’esperienza si ripete con il termometro.

s. Cosa succede all’alcol mentre si raffredda (due risposte esatte)?

1. Evapora
2. Sublima
3. Scompare
4. Si trasforma in un gas

Si sono avute 3 risposte per l'opzione 1, 1 risposta per l'opzione 2, 4 risposte per l'opzione 4; 1 gruppo ha dato una sola risposta.

t. Cosa succede alle particelle dell’alcol mentre scompare dalla mano?

1. A causa del loro moto si disperdono nell’aria
2. Evaporano
3. Si trasformano in odore
4. Smettono di attrarsi e diventano libere 

Si sono avute 2 risposte per l'opzione 1, 2 risposte per l'opzione 2, 1 risposta per l'opzione 3; 1 gruppo ha dato 2 risposte.

u. In base al modello particellare, perché l’alcol evapora?

1. perché le sue particelle si muovono e di tanto in tanto vincono le forze di attrazione
2. perché le sue particelle sono urtate dalle particelle dell’aria e trascinate via 

Si sono avute 2 risposte per l'opzione 1, 2 risposte per l'opzione 2.

v. I cristalli di antitarme col tempo si rimpiccioliscono. A sinistra delle frecce c'è un piccolissimo cristallo fatto da poche particelle. Quale disegno, tra A, B e C, spiega meglio la riduzione delle dimensioni del cristallo?



Non è stata data alcuna risposta.

QUESTIONARIO FINALE (individuale)

Per ogni fenomeno, riconoscere la spiegazione data dal modello particellare (risposte corrette in corsivo)

1. Alla luce del modello particellare dell’aria, perché un pallone gonfiato d’aria diventa duro?

1. perché le particelle sono pressate e a contatto le une sulle altre
2. perché è pieno e pesa di più
3. perché miliardi di particelle, muovendosi a caso, colpiscono le sue pareti interne
4. perché l’aria compressa preme per uscire 

Risultati: 10 risposte per l'opzione 1; 4 per l'opzione 2; 3 per l'opzione 3 e 24 per l'opzione 4.

2. Un pallone viene forato da un chiodo e si sgonfia. Qual è la spiegazione data dal modello particellare?

1. Si sgonfia perché è pressato dalla pressione dell’aria esterna, che fa uscire quella interna
2. Si sgonfia perché le particelle dell’aria che colpiscono il foro invece di rimbalzare escono
3. Si sgonfia perché la gomma è elastica e cerca di restringersi
4. Si sgonfia perché tutte le particelle vogliono uscire e si dirigono all’istante verso il buco 

Risultati: 12 risposte per l'opzione 1; 4 per l'opzione 2; 4 per l'opzione 3 e 20 per l'opzione 4.

3. Quando si aspira il succo di frutta da una busta di cartone, questa si schiaccia. Lo stesso non succede se il foro è più largo della cannuccia. Come si spiega il fenomeno in base al modello particellare?

1. Si schiaccia perché noi succhiamo il liquido
2. Si schiaccia perché le particelle dell’aria all’esterno urtano le pareti della busta con più forza della poca aria rimasta dentro
3. Si schiaccia perché la busta cerca di recuperare la sua forma originale
4. Si schiaccia perché le particelle dell’aria non hanno nessuna apertura da cui entrare 

Risultati: 7 risposte per l'opzione 1; 20 per l'opzione 2; 0 per l'opzione 3 14 per l'opzione 4.

4. Cosa succede se si cerca di aspirare la bibita da un recipiente rigido (bottiglia di vetro), se la cannuccia aderisce perfettamente al foro sul tappo?

1. Non si beve nulla perché la pressione, data dagli urti delle particelle dell’aria esterna, non riesce a deformare la bottiglia e quindi a spingere il liquido a uscire
2. Non si beve nulla perché si schiaccia la cannuccia e impedisce l’uscita del liquido
3. Si beve con facilità perché le particelle dell’aria possono comunque premere sulla superficie del liquido passando dalla cannuccia.
4. Si beve dalla bottiglia chiusa con la stessa facilità di una busta di cartone, dato che il liquido esce a causa del vuoto che creiamo succhiando.  

Risultati: 8 risposte per l'opzione 1; 7 per l'opzione 2; 12 per l'opzione 3 e 13 per l'opzione 4.

5. Copia nel cerchio vuoto l’ingrandimento che ritieni più verosimile per una piccola porzione d’aria compressa, secondo il modello particellare.

La risposta corretta è la D.

Risultati: 19 risposte per l'opzione A; 0 per la B; 2 per la C e 18 per la D.

Riepilogo delle risposte al questionario finale (in verde le risposte corrette; in rosso quelle errate ma scelte da molti allievi)

Totale alunni = 41	1	2	3	4	nessuna risposta
Domanda 1	10	4	3	24
Domanda 2	12	4	4	20	1
Domanda 3	7	20		14
Domanda 4	8	7	12	13	1
Domanda 5	19		2	18	2

Conclusioni delle insegnanti

Dall’analisi delle risposte, risulta che il concetto di pressione non è stato ben assimilato e che gli alunni, come era prevedibile, non hanno ancora raggiunto una capacità di astrazione sufficiente a spiegare i fenomeni naturali applicando il modello. E’ possibile ripartire da tali considerazioni per sviluppare le future attività del progetto.

Osservazioni in itinere e conclusioni del tutor

Difficoltà riscontrate:

1. Troppo tempo tra un’esperienza e l’altra
2. Troppi alunni per classe, in un’aula di dimensioni non adeguate
3. Attività svolte al pomeriggio, dopo la mattinata di scuola
4. Incompleto svolgimento delle attività prerequisite sul concetto di modello

Gli allievi presentano resistenze nell’usare il modello particellare per spiegare i fenomeni e i fatti sperimentali. Queste resistenze sono in parte fisiologiche per l’età, ma anche dovute alle difficoltà sopra citate.
Gli allievi tendono ad attribuire caratteristiche del mondo macroscopico alle particelle: sono solide le particelle dei solidi, liquide quelle dei liquidi e gassose quelle degli aeriformi. Che non si tratti di un problema linguistico è dimostrato dal fatto che diversi allievi affermano che le stesse particelle si trasformano da solide a gassose nella sublimazione, cioè attribuiscono a esse dei cambiamenti e non riescono a immaginare particelle che non siano né solide né liquide né gassose. Occorre costruire delle attività che li aiutino a pensare agli stati della materia come derivanti dal modo di stare insieme di molte particelle.
Le loro conoscenze sulle forze di coesione, precedenti all'unità didattica, hanno interferito con lo sviluppo di un concetto di pressione adeguato e basato sul moto molecolare.

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Esperienza realizzata dagli allievi delle classi 1ª B e 1ª C dell'I.C. "Luca della Robbia" di Appignano (MC), nell'anno scolastico 2001-2002.
Insegnanti: Michela Rossetti, Luigina Castelli; Valeria Bellucci, al secondo anno di sperimentazione, ha seguito autonomamente un percorso parallelo nella propria classe 1ª A
Tutor: Alfredo Tifi

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