Esplorazione sul concetto di oggetto-non oggetto

1. La scoperta degli oggetti

Da uno scatolone contente oggetti di natura eterogenea estrarre gli oggetti disponendoli in vassoi diversi in base a dei criteri scelti dai bambini (in genere per tipologia). Che cosa si può toccare? Che cosa si può odorare? Che cosa si può sentire dal rumore? Come puoi sentire i tuoi oggetti?
I bambini scelgono un oggetto, lo disegnano sul quaderno e verbalizzano tutto ciò che serve a descriverlo.

Introduzione del concetto di oggetto

La maestra spiega ai bambini che tutte le cose che si possono toccare, odorare e che fanno suoni o rumori, occupano un luogo preciso con dei contorni, sono oggetti. Le cose che non si possono toccare o sentire, non hanno una posizione e dei contorni, sono non oggetti. Esempi di non oggetti sono: il rumore, il silenzio, il buio, l’allegria, la notte, la gioia, la sete, il caldo, il fischio.
Chiede poi di elencare altri oggetti presenti nell’aula. Nello scatolone ci sono cose che non sono oggetti? E nell’aula? Chi conosce oggetti più grandi? E più piccoli? E i più lontani? Fuori dall’aula? I bambini sono oggetti? Mettiamo i bambini in ordine di altezza crescente. Tutti gli oggetti hanno un nome?

Applicazione del concetto di oggetto

2. Gioco della scatola misteriosa

Alcuni bambini scelgono un oggetto (da un insieme di oggetti facilmente riconoscibili: gomme, matite, pezzi di pongo, palline di vetro o gomma, ruote giocattolo, automobiline o altri giochi ecc.) e lo mettono in una scatola dove si può infilare solo una mano. Gli altri devono riconoscerlo dal rumore e dalle sensazioni tattili.

3. Quale oggetto è più…

... grande/piccolo, spesso/sottile, liscio/ruvido, duro/morbido, leggero/pesante, freddo/caldo, umido/asciutto, ecc. Nella scatola misteriosa stavolta ci sono tre oggetti, tra cui occorre scegliere quello che ha una qualità più spiccata degli altri usando solo il tatto.

4. Distinguiamo gli oggetti dal rumore

5. Distinguiamo gli oggetti dall’odore

Utilizzare frutta, erbe aromatizzanti, spezie, ecc.

6. Quale collana è più lunga, quale più corta, quale contiene più palline e quale di meno?

In questo gioco i bambini hanno a disposizione la pastina a tubetti o anellini o perline colorate di vari tipi. Realizzano collanine e, a gruppi di quattro, senza intervento da parte dell'insegnante, confrontano le collanine. L'obiettivo è confrontare gli oggetti in base al numero e alla lunghezza e distinguere tra i due criteri (che sono anche proprietà delle collanine).

7. Quali sono non-oggetti? (Attenzione: questa esperienza comporta che i bambini sappiano leggere in stampatello)

Ogni gruppo di bambini riceve dei cartoncini con scritti dei nomi. Si devono riconoscere quali sono oggetti e quali non lo sono. Esempi di oggetti: ago, chiodo, uovo, mela, trottola, cane, fuoco, casa, chiesa, luna. Esempi di non-oggetti: sogno, cielo, notte, giorno, numero, salto, gioia, silenzio, sforzo, tempo, amicizia.
Tutti gli oggetti hanno un nome. Ogni nome corrisponde a un oggetto? I bambini a casa ritaglieranno da un giornale le parole che indicano oggetti e quelle che indicano non-oggetti e li incolleranno in due diverse pagine di quaderno preparate a scuola.

8. Oggetti viventi/non-viventi

Questa complessa attività deve basarsi su immagini e oggetti concreti, come piume, pigne, conchiglie, uova, foglie e pezzi di legno, sull’esperienza con semi e viventi osservati in classe o all’aria aperta nel loro agire e trasformarsi, e non solo sui nomi dei viventi.
Deve inoltre essere condotta partendo dal dialogo e dai concetti dei bambini, che dovranno essere guidati alla negoziazione e condivisione di criteri di classificazione. È possibile, anzi quasi certo, che emergano classificazioni non dicotomiche e difformi da quelle adottate dalla biologia (caratterizzate da definizioni e criteri al massimo grado di generalizzazione e applicabilità). Per esempio i bambini possono definire il vivente come integro, esistente, vivo, funzionante, capace di una qualsiasi attività (usando, ovviamente, altri termini).
L’insegnante curerà soprattutto che i criteri siano specificati, confrontati tra bambini e usati coerentemente. Quindi la sua funzione sarà di attirare l’attenzione su certe costanti nei modi di essere e di agire dei viventi che i bambini sottovalutano e di ampliare, assemblandole tra loro, le definizioni dei bambini per renderle un po’ più generali, ma senza la pretesa di arrivare alla definizione biologica.
Inoltre può essere necessario e importante che la maestra aiuti i bambini a distinguere il reale dal fantastico degli oggetti “antropomorfizzati” (libri e alberi parlanti, ecc.).
Non importa se rimarrà qualche oggetto naturale chiaramente non-vivente che rientrerà nella definizione di vivente così costruita, purché non siano gli stessi bambini a rilevare il problema. In altre parole esisterà la definizione di vivente della data classe, e non “la” definizione.

Esplorazione del concetto di proprietà

1. Raggruppa gli oggetti a tua disposizione

A ciascun bambino si consegna un vassoio con una serie di 6-10 oggetti dello stesso tipo (conchiglie, sassi, piume, semi, bottoni, palline di vetro, ecc.). I diversi bambini possono esplorare oggetti di diverso tipo. Durante lo svolgimento della consegna, è fondamentale rivolgere la domanda: “perché hai messo insieme questi oggetti?” L’insegnante può anche registrare sulla lavagna i diversi criteri di classificazione usati, in uno schema come il seguente:

Nome	Tipo di oggetti raggruppati	Stanno insieme perché sono tutti…
Gianni	Conchiglie	A punta/rotonde
Luca	Tappi	Di sughero/colorati
Renato	Conchiglie	Grandi/piccole
Marta	Semi	Bianchi/rotondi/marroni/fini
Ecc…	Ecc…	Ecc…

Per l’insegnante: la tabella evidenzia la distinzione tra tipologia (ci dice che cos’è) e proprietà (ci dice come è). Quindi è da escludere che la tipologia di oggetti possa essere considerata una proprietà degli oggetti. Da un insieme eterogeneo di oggetti possiamo isolare tutti i bottoni, ma essi non hanno la “proprietà” di essere bottoni. Per quanto riguarda la specificazione del tipo di materiale, essa può essere considerata come proprietà, poiché in questo contesto è utilizzata come attributo (di ferro, di plastica, ecc.)

Introduzione del concetto di proprietà

La maestra riprende tutte le spiegazioni dei bambini e afferma che l’essere grande, piccolo, marrone, bianco, rotondo o fine, sono tutte proprietà degli oggetti, ci dicono qualcosa su come sono gli oggetti. Prendendo due oggetti diversi in mano, spiega che, anche se i due oggetti sono differenti, hanno alcune proprietà in comune, che passa ad elencare. Chiede poi ai bambini di dire quali proprietà ha un qualsiasi oggetto dell’aula. Infine i bambini possono raccontare le proprietà di oggetti della loro esperienza quotidiana, ma assenti al momento, specificando anche quali si riconoscono con la vista, quali con l’odorato o il gusto, quali con l’udito, quali con il tatto.

Applicazione del concetto di proprietà

2. Per quale colore ci sono più caramelle?

Utilizzare un piattino di carta con una dozzina di “smarties” per ogni gruppetto di bambini e una coppa o piattino trasparente. Ogni gruppo, alzando il proprio piattino trasparente con le caramelle del colore più abbondante, lo mostrerà agli altri che lo vedranno da sotto e le caramelle dello stesso colore saranno contate. La maestra scriverà alla lavagna le due proprietà numero e colore su due colonne.

Proprietà
Colore	Numero
Giallo	5
Rosso	6
...	...

Le caramelle possono essere distribuite in modo che ogni gruppo abbia un colore prevalente diverso. Si chiede anche quanti diversi colori ci sono.
I bambini chiederanno di poter mangiare le caramelle. Si risponderà loro che sono sporche, e che potranno mangiare quelle ancora nei tubetti, se indicheranno quali altre proprietà si “sentono” mangiandole. I bambini scopriranno che le caramelle di colori diversi hanno altre proprietà (sapore, odore, consistenza dura-morbida) identiche.

3. Puoi riconoscere gli oggetti ad occhi bendati e senza toccarli?

I bambini riconosceranno gli oggetti utilizzando l’udito e l’olfatto, mentre i loro compagni faranno cadere gli oggetti sul banco o li porranno vicino al naso. Si evidenzieranno quindi altre proprietà, come il rumore prodotto cadendo e l’odore. L’esperienza può essere effettuata una volta per il rumore e un’altra volta per l’odore.
Per la proprietà rumore si possono usare oggetti solidi (chiodi, biglie di vetro, gomme, legnetti, pezzi di plastica, palline di carta, ecc.) o liquidi (acqua, olio e bicchieri vuoti per il travaso).
Per la proprietà odore si possono utilizzare arance, limoni, cipolle, foglie aromatizzanti (rosmarino, menta, basilico, salvia, ecc.) o liquidi (aceto, olio d’oliva, latte, vino, Coca Cola, aranciata, limonata).
Si può evitare di coprire gli occhi con le bende, lasciando in infusione in acqua le foglie aromatiche o le bucce dei frutti e usando (entro breve tempo dall’estrazione dei solidi) il liquido limpido per l’esperimento di riconoscimento dell’aroma. In questo caso i bambini potranno letteralmente “fiutare le proprietà” che gli oggetti hanno trasferito all’acqua.
Un analogo esperimento può essere realizzato riconoscendo vari sapori (sono anch’essi proprietà) - come dolce, salato, aspro, amaro - ottenuti per esempio mettendo in acqua dello zucchero, del sale, del succo di limone o del bicarbonato.

Attenzione: Le due seguenti esperienze hanno l’obiettivo di discriminare la forma dalla dimensione e vanno effettuate necessariamente in successione.

4. Grandi, piccoli e piccini

I bambini a coppie ricevono un vassoio con oggetti di un solo tipo, caratterizzato da diverse forme (non necessariamente regolari) e dimensioni (per esempio bottoni, pastine, conchiglie, foglie), con la consegna di raggruppare  tali oggetti in base alle dimensioni.

5. Quante forme ci sono?

I bambini a coppie ricevono un vassoio con oggetti di una sola tipologia (diversa dalla precedente),  aventi una varietà di forme e dimensioni (per esempio bottoni, pastine, conchiglie, foglie), che dovranno raggruppare in base alla sola forma. Una volta fatto, ai bambini si chiederà di dare dei nomi alle forme (per esempio allungata, corta, piatta, sottile, scavata, forata, rotonda, appuntita, ecc.)

Attenzione: Le esperienze 4 e 5 possono essere ripetute utilizzando insiemi eterogenei di oggetti di tipo diverso. In questo caso lo stesso insieme di oggetti viene raggruppato sia per forma che per dimensione.

6. Scegli le proprietà del palloncino preferito

Da un insieme di molti palloncini colorati di diverse forme e lunghezze, i bambini potranno scegliere e impossessarsi, a turno, di un palloncino di gomma, se ne indicheranno tutte le proprietà (colore, forma e dimensione; per esempio: grande, rotondo, verde). Dal punto di vista logico i bambini devono utilizzare più criteri di classificazione contemporaneamente (inclusivo, intersezione) e questo compito sarà agevolato una volta che avranno imparato a discriminare i concetti di dimensione e forma. Sono molto importanti i collegamenti con l’attività di matematica e italiano.

7. Raggruppiamo le proprietà

La maestra distribuisce a tutti i bambini foglietti con diversi attributi facenti capo alle proprietà colore, forma, dimensione, sapore, odore, rumore, tatto, numero o quantità, includendo i più comuni  e soprattutto quelli che sono stati messi in gioco nelle attività precedenti. Quindi chiede ai bambini: “chi ha un cartoncino che ci dice qualcosa sulla proprietà… colore (o forma, o dimensione, ecc.)?” Oppure potrà chiedere: “chi ha un cartoncino con una proprietà che si può sentire con il naso (o con l’olfatto, ecc.)?”
Una variante di questa importante attività di sistematizzazione delle proprietà è quella di avere oggetti sul tavolo corrispondenti alle proprietà dei cartoncini, che i bambini potranno indicare.
Durante l’attività si realizza uno schema di tutte le proprietà, con relativi esempi. Tale schema si può costruire un po’ per volta sulla parete dell’aula con foglietti mobili.

8. C’è una proprietà che è uguale per tutti gli oggetti del vassoio?

Nel vassoio si mettono 2-4 oggetti di tipo completamente diverso tra loro, ma che abbiano almeno una proprietà comune (colore, forma, sapore, lunghezza, morbidezza, numero di parti, materiale, ecc.); per esempio, quattro bottoni di forma, dimensioni e colore diversi, ma tutti con quattro buchi.  I bambini dovranno identificare una proprietà comune. Ogni gruppo mostrerà agli altri i propri oggetti spiegando qual è la proprietà comune tra loro.
La maestra potrà chiedere poi: quali proprietà sono comuni a Gianni e a Lucia? Sono uguali Gianni e Lucia? Sono completamente diversi, cioè diversi in tutte le proprietà? Si possono poi organizzare dei giochi in cui la maestra raggruppa i bambini per una o più “proprietà” comuni e chiede al resto della classe di stabilire quali sono le proprietà dei bambini dell’insieme (per esempio: capelli lunghi o corti, con fermacapelli o senza, bambine con la gonna, ecc.). Una volta che i bambini avranno apprezzato il gioco potranno anche invertire le parti e chiedere alla maestra di indovinare la proprietà con cui si sono raggruppati.

9. Quanti tipi di frutta secca ci sono?

Ogni bambino deve trovare un modo per riconoscere la sua arachide e darle un nome. I bambini separeranno noci, mandorle, nocciole e arachidi in pochi secondi. Poi la maestra chiederà se gli oggetti di ciascun gruppo sono identici. Quando sarà chiaro che ci sono piccole differenze in alcune proprietà, si lasceranno ai gruppi (di 4 bambini) solo 4 arachidi e si procederà alla differenziazione di queste, la parte più interessante del problema. È un’esperienza per distinguere il concetto di identico da quello di simile e per affinare le capacità di osservazione. Ogni gruppo di bambini avrà una lente a disposizione, con cui osservare, a turno, la propria arachide fino a trovare degli elementi distintivi che gli consentono di identificarla tra le quattro. La maestra verificherà se i bambini sono in grado di riconoscere le proprie arachidi chiedendo loro, prima di mescolarle, i nomi e con quali particolari proprietà sono in grado di riconoscerle. Come applicazione di questa attività i bambini, con la loro lente, potranno in seguito discriminare piccoli dettagli di conchiglie della stessa specie e dimensione o portare da casa oggetti che secondo loro sono perfettamente identici.

10. Nel bicchiere ci sono semi diversi: separa, conta e identifica i semi. Quali sono le loro proprietà?

Si trovano in commercio sacchetti di legumi misti di molti tipi e colori, che sono l’ideale per quest’esperienza. L’obiettivo è di mostrare come l’identità di un oggetto può essere stabilita solo in base a un insieme di proprietà, ma anche evidenziare la differenza tra identità e proprietà (non può essere considerata una proprietà la natura di seme o di foglia o l’essere un tappo o una biglia), notando che tutti i semi dello stesso tipo, pur avendo comunanza di proprietà, non sono perfettamente identici.

11. Metti in ordine per una proprietà le foglie raccolte nella passeggiata

L'attività consiste nel creare serie di foglie secondo la lunghezza, l’intensità del verde, la grandezza, il numero di foglioline nelle composite o di lobi nelle palmate.

Si possono risolvere altri problemi sperimentali sull’ordinamento qualitativo delle proprietà, che prepara al concetto di variabile.

Il percorso di Gisella, maestra della classe I della Scuola Elementare di Appignano (MC), realizzato nell'anno scolastico 2003/04.

Esperienze sul concetto di oggetto

1. L’insegnante invita i bambini a portare a scuola alcune cose in un sacchetto trasparente. I bambini portano bottoni, ceci, fagioli, giocattolini, tappi, sassi, pinoli, figure, ecc. Da uno scatolone, dove sono stati sistemati gli oggetti, l’insegnante ne prende alcuni per volta invitando gli alunni a dire come sono.

2. Osserviamo con la vista e scopriamo i colori, le forme, le dimensioni; per esempio: forme delle foglie (cuoriforme, palmata, lanceolata, aghiforme, ovale), colore e dimensione.

3. Osserviamo con il tatto, attraverso il gioco della scatola misteriosa (vedi Esperienze sul concetto di oggetto - non oggetto, esperienza 2): infilando la mano nella scatola scoprire l’oggetto nascosto e dire le sue proprietà in base alle sensazioni tattili.

4. Osserviamo gli oggetti dal rumore e soprattutto stabiliamo la provenienza dei suoni, elencando tutti i suoni che si sentono fuori dall’aula e in casa.

5. Osserviamo gli oggetti dall’odore, attraverso il gioco della scatola misteriosa (vedi Esperienze sul concetto di oggetto - non oggetto, esperienza 2): ipotizzare l’oggetto nascosto annusandolo.

6. Osserviamo gli oggetti attraverso il sapore: si mettono delle polveri bianche e inodori in due barattoli. La vista, l’olfatto e l’udito danno sensazioni analoghe, mentre il gusto fornisce una differenza (dolce – salato).

7. Chi ce lo dice? Esperienza di associazione delle proprietà ai sensi: la scheda contiene al centro un’icona per ogni senso, disegnata dai bambini, e alcuni termini (per esempio: è colorato, è luminoso, è puzzolente, è caldo, è liscio, è rotondo, è dolce, è amaro, è salato, è rumoroso, è morbido, ecc.) in riquadri da collegare ai rispettivi sensi.

Esperienze sul legame tra oggetto e proprietà

Ogni oggetto ha delle proprietà, cioè delle caratteristiche che puoi percepire usando i cinque sensi.

Classificare oggetti

1. Classificare oggetti per tipologia: dall’insieme contenente tappi e bottoni dividere in due insiemi, di tappi e di bottoni.

2. Classificare oggetti di un solo tipo (per esempio bottoni) sulla base delle differenze in una singola proprietà, per esempio il colore (trasparente, grigio, marrone, bianco, celeste, scuro, ecc.), la grandezza (piccoli, medi, grandi), il numero di buchi (zero, uno, due, quattro), il materiale (plastica e metallo, solo plastica, solo metallo) e così via.

Dagli oggetti alle proprietà

1. Elencare le proprietà possedute da un oggetto (cannuccia, biscotto, ecc.).

2. Descrivere le proprietà tattili di un oggetto nella scatola misteriosa (sasso, spugna, ecc.)

3. Descrivere un oggetto in base a proprietà indicate in tabella (forma, colore, dimensione)

4. Dati due oggetti trovare le proprietà che hanno in comune (vedi Esperienze sul concetto di proprietà, esperienza 8)

Dalle proprietà agli oggetti

1. Riconoscere gli oggetti dall’odore (caffè, rosmarino, mandarino, lavanda, aceto, saponetta, alcol, ecc.).

2. Disegnare un oggetto qualsiasi che ha la proprietà indicata: "duro come…", "liscio come…", "friabile come…", "luminoso come…", ecc.

3. Scegliere tra gli oggetti quello che ha una certa proprietà (liscio, ruvido, pesante, leggero, duro, morbido, caldo, freddo, ecc.).

4. Riconoscere l’oggetto che ha tutte le proprietà indicate (classificare).

5. Applicazioni allo studio dell’ambiente “prato”, adiacente alla scuola:

• le proprietà comuni e diverse tra seme e sasso (vivente – non vivente)
• le proprietà comuni e diverse tra formica e margherita (animale – pianta)
• le proprietà comuni e diverse tra erba e pino (specie erbacea e specie arborea).

Esplorazione del concetto di materiale

1. Di che cosa sono fatti questi oggetti? Formare gruppi di oggetti fatti dello stesso materiale.

I bambini ricevono un vassoio con una decina di oggetti formati da tanti materiali quanti sono i gruppi di bambini, scegliendo tra: vetro, legno, stoffa, gomma, gesso, plastica, metallo, carta, cera, legno, polistirolo, sughero, pietra ecc. Quindi raggruppano tali oggetti per materiali. La maestra chiede poi a ciascun gruppo di che cosa sono fatti gli oggetti raggruppati e raccoglie gli oggetti da tutti i gruppi per ciascun materiale, disponendoli in ordine al centro della classe. I bambini scrivono su dei cartoncini i nomi dei materiali da mettere davanti a ciascun gruppo di oggetti. Gli oggetti raggruppati per materiali saranno usati per il successivo esperimento 4 sul galleggiamento.

Introduzione del concetto di materiale

2. Il materiale dice di che cosa è fatto un oggetto

Si domanda ai bambini: quali materiali conoscete oltre quelli che avete qui davanti? Di che materiale è fatto il tavolo? Il tronco dell’albero? ecc.

3. I materiali si riconoscono per le loro proprietà

Quali sono le proprietà del legno? del vetro? ecc. Esistono materiali liquidi?

4. Quali materiali galleggiano nell’acqua?

Il test di galleggiamento, per ogni oggetto, va effettuato con un grande barattolo di vetro, immergendo gli oggetti al centro per poi lasciarli liberi di affondare o risalire a galla. Esistono materiali plastici che affondano ( PET, PVC, PS) e altri che galleggiano (PE, PP).

5. La solubilità è la proprietà di sciogliersi. Quali materiali presentano solubilità in acqua?

Provare con sale, zucchero, gessetto tritato, caffè, olio, aceto. Costruire tabelle delle diverse proprietà di questi sei materiali. Una materiale è solubile quando il liquido ottenuto rimane trasparente (soluzione). Il latte è una non soluzione perché non consente di leggere una scritta posta sotto la base del bicchiere di vetro che lo contiene. Anche mescolando acqua e olio si ottiene per qualche secondo un liquido non trasparente. I bambini potranno usare il test di trasparenza per riconoscere se c’è stata solubilità o se il solido si è semplicemente disperso nel liquido.

6. Quanti materiali metallici puoi trovare? Quali sono magnetici?

I bambini descrivono alcune proprietà che differenziano diversi metalli e quelle caratteristiche di tutti i metalli. Utilizzare oggetti di ferro, rame, piombo, alluminio, ottone, bronzo, argento, anche monete, ma non quelle da 1, 2 e 5 centesimi, che sono d’acciaio rivestito di rame e sono magnetiche pur sembrando di rame.

Esplorazione del concetto di interazione

1. Quante e quali azioni può fare un oggetto o un materiale sull’altro?

Il vassoio di ciascun gruppo contiene: lana di ferro sottile, magnete, guscio d’uovo o pezzetto di marmo, succo di mirtillo o infuso di radicchio filtrato preparato in giornata, aceto, bicarbonato. Si possono unire materiali e oggetti solo a coppie.
Non è tanto importante che l’interazione sia realmente presente (possono esserci casi dubbi), quanto l’atteggiamento da parte dei bambini di portare prove che tale azione reciproca sia avvenuta.
È anche importate trovare esempi di non-interazione, cioè situazioni in cui i bambini stessi, non riscontrando evidenze (a loro giudizio), sostengono che non c’è cambiamento rilevante.

Introduzione del concetto di interazione

I bambini osservano accuratamente e scrivono i cambiamenti che si producono in entrambi i materiali o negli oggetti uniti. L’insegnante spiega che in tutti i casi c’è stata un’azione tra l’uno e l’altro oggetto o materiale, scrive la parola interazione, cioè “azione tra oggetti o materiali” per designare tutti questi casi.
L’insegnante fa altri esempi (con gesso/lavagna, matita/temperino, carta/matita, forbici/carta, termosifone/aria ecc.) chiedendo ogni volta se c’è interazione e perché (in base a quali cambiamenti nell’uno e nell’altro oggetto) e chiama evidenze dell’interazione questi cambiamenti. I bambini potranno anche parlare a casa di questa nuova “parola” e cercare altri esempi di interazione, scrivendoli sul quaderno.

Applicazione del concetto di interazione

2A. Riesci a far interagire la pila e la lampadina?
Da fare con pila da 4,5 V piatta e lampadina per albero di Natale esterno da 14 V.

2B. Riesci a far accendere la lampadina?

La maestra consegna una batteria, un filo e una lampadina (da fare con pila stilo o mezza torcia, lampadina piccola da 2,2 V e filo da 12 cm scoperto alle estremità).

3. C’è interazione tra BTB blu e aceto? Quali sono le evidenze dell’interazione?

4. C'è interazione fra la compressa e il BTB blu? Quali sono le evidenze dell’interazione?

5A. C'è interazione tra il respiro e il BTB blu? Quali sono le evidenze dell’interazione?

5B. Hai a disposizione una pompa per bicicletta e un bicchiere con BTB blu. C’è interazione tra l’aria e il BTB?
In questo caso non si avrà alcun cambiamento di colore. Si può chiedere se l’aria espirata ha qualche proprietà diversa da quella che entra nella pompa. I bambini possono capire che l’aria della pompa è la stessa che essi inspirano, ma che non è più la stessa quando la espirano, trasformata, attraverso la cannuccia e nel BTB. Un passo ulteriore è chiedere: dov’è avvenuto il cambiamento dell’aria? Cosa c’è stato tra aria “normale” e polmoni (o corpo umano)?

6. Quale barattolino contiene un pezzo di ferro?

A disposizione ci sono 4 barattolini porta-pellicole neri contenenti piccolissimi oggetti di metallo non magnetico, di cui solo uno è un chiodino da suole. Si può usare una calamita ma non aprire i barattoli. Il magnete e l’oggetto metallico devono essere scelti in modo che il secondo resti attratto dal magnete rimanendo sotto al tappo, mentre deve risultare impossibile sollevare tutto il barattolo con l’oggetto ferroso. 

Le esperienze sull’interazione possono essere considerate come altrettante attività di esplorazione del concetto di sistema, pertanto si può partire direttamente dall’introduzione del nuovo concetto.

Introduzione del concetto di sistema

Le esperienze sull’interazione già svolte possono essere rievocate dalla maestra, anche mostrando gli oggetti già usati, per evidenziare che esiste sempre un gruppo di oggetti legati, insieme con altri oggetti che invece non prendono parte o non hanno relazioni importanti con i primi.
La maestra spiega che ogni volta che se degli oggetti possono interagire tra loro, essi formano un sistema. La pila il filo e la lampadina formano un sistema perché tali oggetti possono interagire o sono legati in modo tale da interagire.
Quindi richiede ai bambini di fare altri esempi, chiedendo al proponente quali oggetti o parti compongono il sistema proposto e agli altri bambini di dire se concordano con gli oggetti elencati o se pensano di includerne/escluderne qualcuno. Ogni insieme proposto dovrebbe essere denominato (per esempio: sistema fiamma, sistema elettrico, ecc.) e rappresentato, in fase di verbalizzazione, con una semplice mappa concettuale in cui le connessioni rappresentano elementari relazioni di appartenenza o funzione e i collegamenti trasversali indicano le interazioni tra gli elementi del sistema. L’associazione ambiente-organismo può essere considerata un sistema, così come l’alveare.

Applicazione del concetto di sistema

1. Come si fa a far interagire una candela accesa e il BTB blu posto sul fondo di un barattolo?

I bambini possono fare varie ipotesi che devono essere descritte come altrettanti sistemi diversi.
Il BTB cambierà colore solo se la candela brucerà nel barattolo chiuso. Si distinguono sistemi aperti e sistemi chiusi. Solo i primi permettono l’entrata e l’uscita di materiali, mentre i sistemi chiusi possono scambiare solo energia con il loro intorno. Si possono perciò far proporre altri esempi di sistemi aperti e di sistemi chiusi anche senza parlare di energia.

2. Eseguire un esperimento in cui il sistema "aceto-bicarbonato" è chiuso

A disposizione ci sono un sacchetto di plastica, un bicchiere con aceto e un cucchiaio di bicarbonato.
Due bambini possono mostrare alla classe come il bicarbonato interagisce con l’aceto in un bicchiere trasparente. Si descrive questo tipo di sistema aperto. Quindi i gruppi affrontano il problema di fare la stessa cosa in un sistema perfettamente chiuso. Una soluzione consiste nel mettere il bicarbonato nel sacchetto con mezzo bicchierino da caffè contenente aceto forte, e nel far interagire i due materiali solo quando il sacchetto sia stato ben sigillato con un laccio. In tal caso il sacchetto si gonfierà e diventerà duro.

3. L'insegnante consegna cinque cartoncini col nome di un animale e cinque cartoncini col nome di un ambiente. In quale ambiente vive ciascun animale?

4. Il sistema “prugna secca” (o il sistema fagiolo) è aperto o chiuso quando viene messo in acqua?

La prugna secca (se non snocciolata) dopo qualche ora in acqua si rigonfierà fino ad assumere la dimensione originaria. Nonostante la somiglianza con l’esperimento del sacchetto che si gonfia, questo sistema è aperto; il calo del livello dell’acqua esterna dimostrerà che tale materiale è entrato nel sistema. L’insieme "bicchiere, acqua e prugna" è invece un sistema chiuso.

5. Con acqua e farina formare un sistema “non-soluzione” e poi separare di nuovo l’acqua dalla farina bagnata.

6. Con acqua e sale formare un sistema “soluzione” e poi separare di nuovo il sale.

7. Con una bottiglia, un palloncino, aceto e bicarbonato, fare un sistema chiuso che fa gonfiare il palloncino. Il sistema è aperto o chiuso?

Si possono inserire le seguenti variazioni alle esperienze 1 e 2 di applicazione del concetto di sistema descritte per la classe seconda ed effettuare le nuove esperienze 3 e 4, di seguito descritte e più adatte ai bambini di terza.

1. Come si fa a far interagire una candela accesa e il BTB blu posto sul fondo di un barattolo?

I bambini possono fare varie ipotesi che devono essere descritte come altrettanti sistemi diversi.
Il BTB cambierà colore solo se la candela brucerà nel barattolo chiuso. Si distinguono sistemi aperti e sistemi chiusi. Solo i primi permettono l’entrata e l’uscita di materiali. (I sistemi chiusi possono scambiare solo energia con il loro intorno). Si possono perciò dire altri esempi di sistemi aperti e di sistemi chiusi anche senza parlare di energia. In terza classe si può chiedere di fare ipotesi su quale sia la causa del cambiamento di colore. Tali ipotesi possono essere verificate. Individuata l’ipotesi confermata  (diranno: il fumo o l’aria consumata dalla candela ecc., confermabile mettendo un bicchiere con poco BTB blu nel barattolo anche parecchio tempo dopo lo spegnimento della fiamma) i bambini potranno collegare questo fenomeno agli altri riguardanti la respirazione, cogliendone l’elemento comune.

2. Eseguire un esperimento in cui il sistema "aceto-bicarbonato" è chiuso

A disposizione ci sono un sacchetto di plastica, un bicchiere con aceto e un cucchiaio di bicarbonato. Due bambini possono mostrare alla classe come il bicarbonato interagisce con l’aceto in un bicchiere trasparente. Si descrive questo tipo di sistema aperto. Quindi i gruppi affrontano il problema di fare la stessa cosa in un sistema perfettamente chiuso. Una soluzione consiste nel mettere il bicarbonato nel sacchetto con mezzo bicchierino da caffè contenente aceto forte, e nel far interagire i due materiali solo quando il sacchetto sia stato ben sigillato con un laccio. In tal caso il sacchetto si gonfierà e diventerà duro.
Anche in questo caso, in classe terza, si potranno fare ipotesi sulla natura e sulle proprietà del “tipo di aria” che ha riempito il sacchetto. Sarà la stessa che risulta dall’interazione con i polmoni e prodotta dalla combustione della candela? Questa ipotesi può essere verificata infilando una cannuccia nell’apertura del sacchetto, stringendolo e facendo gorgogliare il gas in un bicchiere con del BTB blu, che virerà al giallo.

3. Con una pila da torcia, due fili e una mina per matita, costruire un sistema “scaldabagno”, capace di scaldare l’acqua.

Il circuito va montato come nell’analogo esperimento con la pila il filo e la lampadina, ma in questo caso l’uso di due fili semplifica l’operazione. I due fili sono attorcigliati alle estremità della mina, immersa in acqua. Quando è tutto pronto si collegano le estremità libere dei fili ai due poli della batteria e la mina diventerà calda. Occorre una batteria da torcia da 1,5 V delle più grandi o una piatta da 4,5 V, per avere un’erogazione abbastanza prolungata di calore e una mina da disegno. In tal caso l’innalzamento di temperatura sarà percepibile anche senza termometro.

L’esperimento dello scaldabagno può essere ripreso come esempio di sistema costituito da diversi sottosistemi.

4. Quanti cucchiaini di zucchero deve contenere il sistema soluzione di acqua e zucchero per far galleggiare un oggetto di plastica?

Occorre trovare un oggetto di polistirene (PS) abbastanza compatto e non troppo sottile, altrimenti la presenza delle bollicine d’aria che aderiscono a esso lo faranno salire a galla in anticipo rispetto al raggiungimento della concentrazione di zucchero necessaria.

Quest’ultimo esempio prepara al concetto di variabile.

Esplorazione del concetto di sottosistema

1. Montare e smontare

Ogni gruppo di allievi riceve uno dei seguenti sistemi:

• a: due bicchieri, di cui uno contenente un miscuglio di due diversi semi, e un contenitore con il fondo forato capace di far passare i semi più piccoli (per esempio i cestelli per ricotta);
• b: una matita portamine;
• c: una spina e un cacciavite, o qualsiasi altro oggetto smontabile in più parti.

Il compito degli allievi è di separare ogni sistema in parti più piccole e poi rimetterle insieme.

Introduzione del concetto di sottosistema

I bambini scrivono prima i nomi dei sistemi e poi, sotto ciascuno, i nomi dei gruppi di oggetti o disegni delle parti che sono state da loro separate. L’insegnante spiega che questi sistemi, più piccoli di quelli dati, sono sottosistemi. I bambini elencano altri esempi di sottosistemi. La maestra può anche riprendere il sistema "pila-filo-lampadina" e mostrare che la lampadina è formata da altre parti più piccole, come il filamento, la filettatura, il bulbo, mentre il filo risulta formato da più fili di rame e da un rivestimento, e così via.

Può quindi passare a richiedere ai bambini altri esempi di sottosistema presi dalla loro esperienza quotidiana. Ecco alcuni esempi:

• la sabbia in una miscela di sale e sabbia;
• il sale in una soluzione salina;
• un termometro in un sistema termometro con acqua che interagisce con esso.

Applicazione del concetto di sottosistema

2. Trovare tutte le possibili combinazioni che fanno accendere la lampadina, usando il gioco del circuito e il sistema filo-pila-lampadina.

3. Costruire un gioco del circuito, incollando strisce di alluminio, e chiuderlo bene. Riuscirà il compagno a scoprire tutti i collegamenti?

4. Quali sono i sottosistemi del gioco delle lame rotanti?

5A. Un sacchetto da thè contiene un sale di rame colorato e un bicchiere con acqua. C'è interazione fra l’acqua e il sale colorato? Il sistema ottenuto è una soluzione o una non-soluzione? Come si recupera il “sottosistema” sale dalla soluzione?

Il sale colorato è cloruro rameico. Si aprono i sacchetti del tè e si riempiono con un cucchiaino di tale sale. Il sacchetto richiuso costituisce un sottosistema del sistema più grande comprendente anche l’acqua. Il sale è recuperabile tramite evaporazione su una superficie larga.

5B. Quanti sottosistemi si originano nell’interazione tra la soluzione del sale colorato e l’alluminio? Che trasformazioni subiscono?

I sottosistemi inizialmente sono la soluzione azzurra e l’alluminio (ottimo quello delle vaschette da forno tagliate a strisce). Dopo l’interazione, lasciando tutto a riposo, si potranno osservare tre o quattro sottosistemi: l’alluminio che risulterà scurito e notevolmente corroso; la soluzione che non sarà più azzurra ma incolore o appena grigiastra e calda; una polvere marrone scura che non era presente all’inizio e che si deposita sul fondo e alcune bollicine di un gas.
La spiegazione delle trasformazioni chimiche inizia da questo tipo di osservazione delle diverse sostanze materiali coinvolte nell’interazione. Confrontando questa esperienza con la precedente, i bambini possono rilevare un tipo di trasformazione più profonda in cui si sono originati nuovi materiali dai vecchi (ora il sale di rame colorato non è più recuperabile). Questo tipo di trasformazione si dice “chimica”. Non occorre andare avanti con spiegazioni più approfondite, ma può essere opportuno cercare altri esempi comuni in cui i materiali subiscono simili radicali e irreversibili trasformazioni (ferro a ruggine, seme a foglie verdi, legno a carbone, ecc.)

6. Quali sono i sottosistemi che compongono un seme dicotiledone? Quali sono necessari alla crescita?

I gruppi di lavoro hanno a disposizione semi di fagiolo conservati a bagno per 24-48 ore, una lente d'ingrandimento, una pinzetta, dei bicchieri con cotone inumidito per le prove di semina. I bambini disegneranno i due cotiledoni, l'embrione la membrana esterna. La maestra chiederà ai bambini di descrivere la struttura del seme. Se si semina ogni singola parte separatamente si avrà la crescita? (Solo la combinazione cotiledone + embrione darà luogo alla crescita).

7. Costruzione di un’automobile

Occorre una confezione di costruzioni (per esempio Lego) predisposta per realizzare un’automobile giocattolo, completa di immagini che guidano la realizzazione.
Ogni gruppo di bambini costruisce una parte (sottosistema) dell’automobile, ricevendo solo i pezzi necessari e la fotocopia con le immagini che mostrano la parte da montare. Alla fine i “sottosistemi” sono montati insieme per formare il sistema completo.

8. Costruzione di un puzzle

Occorre partire da un puzzle montato da 250 pezzi, tenuto tra due fogli di cartone, capovolgerlo e dividerlo in cinque parti. I cinque settori possono avere anche forme complesse, il cui contorno viene ricalcato su un foglio A3 o A4.  Si contrassegnano i pezzi adiacenti, sul retro, con cinque colori diversi, quindi si assegna a ciascun gruppo di bambini il “sottosistema” smontato dei pezzi di un dato colore e il foglio con il profilo della loro area. Ogni gruppo costruirà il proprio sottosistema entro tale profilo, avendo a disposizione la fotocopia dell’intero soggetto, quindi si monterà il tutto sul tavolo grande.

Esplorazione del concetto di variabile

1. Qual è la proprietà che cambia?

Fornire uno dei seguenti gruppi di oggetti ad ogni gruppo di allievi:

• a: conchiglie, chiodi, bottoni o fermagli plastificati in serie di dimensione diversa
• b: boccette d’acqua con 2, 4, 8, 16 gocce di BTB
• c: 4 bicchierini di caffè con soluzioni di acqua con una, due, 4, 8 gocce di essenza di limone o altre essenze
• d: piombi da pesca di diverso peso.
• qualsiasi altro gruppo di oggetti in cui si ha una proprietà chiaramente variabile, anche nel tempo: un termometro immerso in acqua fredda; una fettina di banana, mela o patata, appena tagliata; un tovagliolo bagnato con alcol, una goccia di vinavil su un cartoncino.

Introduzione al concetto di variabile

Si chiede ai bambini di numerare e ordinare gli oggetti in base alla maggiore o minore grandezza della proprietà trovata e la maestra scriverà alla lavagna i nomi di tali proprietà su una linea continua dal – al +.

Per esempio:

                 1   2   3   4

- profumato…………..+ profumato         variabile = profumo

La maestra spiega che quando una proprietà può cambiare viene chiamata variabile. Stimola quindi la produzione di altri esempi (altezza dei bambini, colore delle foglie ecc.). Per mostrare una variabile nel tempo prende un accendino trasparente e traccia col pennarello un segno al livello del liquido. Quindi apre al massimo la piccola ruota dentata e fa uscire il gas fino ad avere una consistente diminuzione di livello. Chiede ai bambini quali sono le variabili. Oppure accende un bastoncino di incenso e lo appoggia in posizione leggermente obliqua e chiede nuovamente quali variabili si possono individuare.

Applicazione del concetto di variabile

2. Trovare tutte le parole che si possono comporre con almeno due lettere a scelta

Annotare le parole e contare le lettere che compongono le parole. La variabile è il numero di lettere delle parole. Con questi dati costruire un istogramma.
Ogni gruppo di bambini riceve una striscia con la scritta ISTOGRAMMA, ritaglia le lettere e le usa per comporre parole formate da due o più lettere. Ogni parola trovata viene scritta sul quaderno. L’istogramma va costruito usando la frequenza delle parole di due, tre, quattro lettere ecc. Con questo gioco i bambini apprendono la costruzione dell’istogramma. Si può ripetere il gioco scegliendo altre parole lunghe. Le parole lunghe possono anche essere suggerite dai bambini. A casa gli allievi costruiranno altri istogrammi, giocando con le parole lunghe, scelte dal libro o dai giornali.

3. Quali sono le variabili nelle patate portate dalla maestra? Disegnare l’istogramma per una variabile

L’insegnante porta un sacchetto di patate e ne distribuisce cinque a ciascun gruppo, curando che le patate assegnate siano ben diverse tra loro. La maestra chiede cosa hanno di diverso le patate e i bambini osserveranno che tali patate hanno diverse dimensioni, forma e peso. La maestra chiederà di metterle in ordine per una variabile e di numerarle. Quindi chiederà ai bambini per quale variabile può essere utile la bilancia. I gruppi peseranno a turno le loro patate, una per volta, e registreranno il numero della patata e il peso in una tabella. Quindi, per mezzo di un righello, ritaglieranno delle strisce di carta lunga ciascuna tanti millimetri quant’è il peso in grammi della patata, numereranno e coloreranno diversamente tali strisce, quindi le incolleranno affiancate verticalmente dalla più corta alla più lunga. Avranno realizzato così l’istogramma della variabile “peso”.

4. Le variabili degli alberi del bosco

In una visita al giardino della scuola, oppure al giardino o boschetto comunale, con l’aiuto della maestra,  ciascun gruppo di bambini contrassegnerà, con foglietti dello stesso colore, ciascun albero di una stessa specie. Quindi su tali foglietti si scriveranno le variabili (tipo di corteccia, circonferenza e diametro del tronco, mentre una foglia dell’albero potrà essere incollata sul retro per controllare l’identità della specie. Completato il giro delle misure e raccolti tutti i cartoncini, si torna in classe dove questi saranno raggruppati per colore, controllati e allineati in un cartellone, per formare le barre dell’istogramma della variabile popolazione. Ogni gruppo dovrà riferire le proprietà osservate nella propria specie di albero. I dati scritti sui cartoncini potranno essere usati per costruire altri istogrammi relativi alla variabilità delle dimensioni di ogni singola specie.

5. Quale acqua contiene più sali disciolti?

Utilizzare un tipo di acqua minerale con elevato contenuto salino, uno con scarso contenuto salino e acqua di rubinetto (che ha contenuto di sali intermedio). Prima di iniziare l’esperimento la maestra mostra ai bambini il residuo dell’evaporazione dell’acqua lasciata al sole o sul termosifone. È importante fare in modo che siano i bambini stessi a proporre, per risolvere il problema, di partire da un’uguale quantità di acqua di ciascun tipo. Si prelevano 30 gocce dell'acqua di rubinetto e 30 gocce di acqua con alto contenuto di sale. Si versano sul fondo di due bicchieri capovolti e si lasciano evaporare. Le chiazze biancastre del residuo salino avranno dimensioni nettamente diverse.

6. Registrare con un istogramma la variabile ritmo delle pulsazioni cardiache nei diversi momenti della giornata e con un altro istogramma il ritmo di tutta la classe preso nello stesso momento

Nel primo caso le pulsazioni possono essere prese a intervalli di un’ora dal mattino alla sera e registrati il giorno dopo a scuola. Nel secondo caso si raggruppano i valori di pulsazione dei bambini che ricadono, ad esempio, tra 66 e 70, tra 71 e 75, ecc. e si costruisce l’istogramma con i valori delle ricorrenze in tali intervalli.

 7. Come variano nel tempo la temperatura esterna e quella dell'aula?

Conviene avere un termometro interno e uno esterno fissi, per registrare tutte le temperature dell'anno. Le temperature verranno registrate su un apposito istogramma. Ogni mattina, prima dell'inizio della lezione, un bambino leggerà la temperatura interna e l'annoterà sull'istogramma predisposto. Un secondo bambino si occuperà della temperatura esterna e la indicherà sullo stesso istogramma, con un diverso colore. Si può usare un cartellone, appeso alla parete, in modo che sia visibile da tutti. I dati possono essere registrati anche su foglio elettronico.

8. Quali variabili puoi registrare per seguire la crescita della piantina?

Ogni gruppo semina tre o quattro semi identici (fagiolo, erba medica, grano o altro) in un bicchiere con un po’ di terra. Ogni gruppo segue lo sviluppo della pianta che germina per prima, registrando settimanalmente l’altezza del fusto, il numero di foglie e altre variabili e scarta le altre piantine.
Gli istogrammi possono essere costruiti indicando il numero di foglie o l’altezza presenti dopo una, due, tre ecc. settimane. Ovviamente si contrassegnano i diversi bicchieri e si idratano regolarmente.

9. Costruire un istogramma con le ampiezze del palmo della mano dei bambini della classe
I bambini misureranno l’ampiezza del palmo della mano, dal mignolo al pollice, dopo averlo ricalcato su un foglio con una matita,  e scriveranno il risultato in centimetri. Con i dati a disposizione si costruirà l'istogramma in cui l’altezza delle barre indica la ricorrenza di ogni misura d’ampiezza.

1. Quanta soluzione di sapone deve essere aggiunta nel “sistema acqua”, formato da acqua e sali minerali, per avere la produzione di schiuma stabile?

Per fare la soluzione di sapone si sciolgono circa cinque grammi di sapone di Marsiglia in cinque litri di acqua deionizzata. L’acqua potabile si preleva con un bicchiere che funge da misurino e si pone in un barattolo trasparente, da almeno mezzo litro, con tappo a vite. Con un misurino più piccolo (10-20 mL) si aggiungono aliquote successive di acqua saponata, chiudendo il barattolo e provando ogni volta ad agitare per vedere se si forma la schiuma. Si conta il numero di misurini di acqua saponata necessari per avere una schiuma stabile per trenta secondi. Si può provare con acqua di rubinetto, con acqua lievissima (basterà un misurino di acqua saponata) o con acqua Ferrarelle (ne occorreranno molti di più). I sali contenuti nelle acque potabili interagiscono col sapone “bloccandolo”, e impedendogli di formare la schiuma. Il deposito opaco e torbido che si nota sul fondo del barattolo è il risultato dell’unione dei sali col sapone. Più sali sono contenuti nell’acqua, più sapone è necessario aggiungere per ottenere la schiuma; più acqua potabile si preleva, più acqua saponata si dovrà aggiungere per ottenere lo stesso risultato (due esempi di variabili interdipendenti). I sottosistemi in gioco sono dunque tre: sali minerali, sapone, acqua. Tale esperimento può essere utilizzato come esempio per introdurre, successivamente il concetto di variabile (numero dei misurini di acqua saponata, volume di acqua potabile, contenuto salino delle varie acque).

L’esperienza 5 sulla variabile della classe terza può essere effettuata in parallelo come conferma.

2. Con una pila da torcia, due fili e una mina per matita, costruisci un sistema “scaldabagno” capace di scaldare l’acqua.

In questo caso i bambini hanno a disposizione anche un termometro. Il circuito va montato come nell’analogo esperimento con la pila il filo e la lampadina, ma in questo caso l’uso di due fili semplifica l’operazione. I due fili sono attorcigliati alle estremità della mina, immersa in acqua. Quando è tutto pronto si collegano le estremità libere dei fili ai due poli della batteria e la mina diventerà calda. Occorre una batteria da torcia da 1,5 V delle più grandi o una piatta da 4,5 V per avere un’erogazione abbastanza prolungata di calore e una mina da disegno. L’innalzamento di temperatura (proprietà variabile) sarà misurato con il termometro a intervalli regolari di due minuti.

L’esperimento dello scaldabagno, oltre a illustrare i concetti di sistema e sottosistema, potrà può essere ripreso come esempio di variabile (temperatura) tracciabile come istogramma, e infine anche per introdurre il concetto di energia.

3. Quanti cucchiaini di zucchero deve avere il sistema soluzione acqua e zucchero per far galleggiare l’oggetto di plastica?

Occorre trovare un oggetto di polistirene (PS) abbastanza compatto e non troppo sottile, altrimenti la presenza delle bollicine d’aria che aderiscono ad esso lo faranno salire a galla in anticipo rispetto al raggiungimento della necessaria concentrazione di zucchero.

Per quanto riguarda l'esplorazione e l'introduzione del concetto di variabile, si possono utilizzare le esperienze descritte per la classe terza e altri esempi simili di facile realizzazione.

Applicazione del concetto di variabile

Si scelgono alcune esperienze descritte per la classe terza, per far sì che i bambini apprendano come costruire gli istogrammi.

In aggiunta si propongo le seguenti altre attività.

1. Qual è la temperatura più alta che si può raggiungere con la “polvere riscaldina” e l’acqua?

Occorre una bilancia digitale al grammo e, per ogni gruppo, un misurino per l’acqua, un termometro, un bicchiere da bar di polistirolo ed uno di plastica inseribile in quello di polistirolo, la polvere di cloruro di calcio anidro dei sacchetti dei ricambi per deumidificatori (mantenere sigillati). I diversi gruppi di bambini potranno registrare gli innalzamenti di temperatura ottenuti unendo quantità variabili di “polvere riscaldina” a quantità variabili d’acqua. L’aumento di temperatura è correlato positivamente con la quantità di polvere e negativamente con la quantità di acqua.
Se si riprenderà quest’esperienza come esempio per introdurre il concetto di calore, occorrerà tenere presente che la quantità di energia termica liberata dipende solo dalla quantità di polvere che si scioglie in acqua e non dalla quantità d’acqua usata.

2. Quante variabili si possono trovare usando la molla colorata?

Nei negozi di giocattoli si vendono delle molle di plastica di circa 6 cm di diametro formate da molte spire piatte. Questa molla è l’ideale per illustrare le variabili e la dipendenza tra esse. Con un fermaglio grande si può realizzare un gancio assicurato all’ultima spira, a cui appendere la stessa scatola della confezione con un filo. Mentre un righello può essere infilato trasversalmente per sorreggere un numero qualsiasi di spire, libere di oscillare verticalmente.
La prima variabile che può essere studiata (non occorre attaccare la scatola né il righello, basta tenere la molla e imprimere delle oscillazioni verticalmente, più o meno ampie) è il ritmo delle oscillazioni che cambia al variare del numero di spire libere. I bambini possono battere le mani all’unisono per rendersi conto delle variazioni di ritmo, anche senza cronometrare il tempo. Inoltre si può variare l’ampiezza delle oscillazioni lasciando costante la variabile numero di spire. Sorprendentemente, in questo caso il ritmo resta invariato. Si può quindi fissare la molla al righello e bloccare questo con dei pesi su un piano o sulla parte alta della lavagna. Si assicura la scatola in modo da realizzare una specie di bilancia a molla e si sceglie un numero di spire tale da far rientrare la scatola oscillante all’interno della parte utile della lavagna. In questo secondo esperimento si varia il numero di monetine da uno o due centesimi, o altri oggetti uguali di peso analogo, che si introducono nella scatola, e si segna la posizione della scatola col gessetto a ogni aggiunta successiva. La variabile peso risulta così correlata positivamente alla variabile lunghezza (o meglio allungamento). Il dispositivo a molla può essere usato per far indovinare il numero di oggetti nella scatola.

3. Qual è la “Catapulta” con la massima gittata?

I bambini osservano delle “catapulte”, realizzate con delle mollette di legno da  bucato montate su dei cunei di legno, per individuarne le variabili. Tali catapulte differiscono per la lunghezza del braccio di lancio, per l’angolo di apertura e per l’altezza da terra dei cunei. In alternativa si possono rendere variabili questi parametri su una stessa catapulta, a disposizione per ciascun gruppo di bambini. Un’altra variabile sarebbe la dimensione della pallina da lanciare, ma dovranno essere i bambini stessi a stabilire che tutte le prove di gittata si dovranno effettuare con la stessa pallina per ragioni di equità. In questo esperimento si possono introdurre anche i concetti di variabili indipendenti (variabili costruttive delle catapulte, peso della palla da lanciare) e di variabile dipendente (gittata). Quando i bambini avranno ipotizzato quali variabili hanno maggior rilevanza sulla gittata, e stabilito quale catapulta dovrebbe effettuare i lanci più lunghi, potranno effettuare la gara tra le stesse catapulte o tra i gruppi per avere conferma diretta delle loro ipotesi.

4. Da quale variabile dipende maggiormente il ritmo di oscillazione del pendolo?

Sono necessari fili di nylon di due diverse lunghezze (per esempio 50-100 cm), piombi da pesca da 10 e da 20 g e un orologio o cronometro.
Le variabili in input sono la lunghezza, il peso e l'ampiezza delle oscillazioni. Le variabili in uscita il ritmo delle oscillazioni, ottenibile per esempio contando il numero di oscillazioni in trenta secondi.
I bambini dovranno effettuare tali misure del ritmo, o frequenza, di oscillazione, fissando i pesi ai fili e ponendoli in oscillazione sorreggendoli a un’estremità. Con prove comparative in doppio (stessa lunghezza e ampiezza e diversa massa, stessa massa e ampiezza e diversa lunghezza, stessa massa e lunghezza, ma diversa ampiezza), stabiliranno che il ritmo è correlato in modo inverso alla lunghezza. Effettuando le prove comparative con i due pendoli che oscillano contemporaneamente non sarà necessario controllare il tempo, ma basterà vedere quale pendolo ritarda o se le oscillazioni sono sincrone.

5. Quali sono le variabili che influiscono sull’ arrugginimento del ferro?

Sono necessari una paglietta di ferro (tipo grigio scuro), tubi di plastica o vetro trasparenti di due lunghezze diverse ma con medesima sezione (per esempio provette o tubi sigillati a un’estremità con silicone), aceto, sale, pinze per sostenere i tubi, un pennarello indelebile e, opzionalmente, una bilancia al grammo per pesare quantità circa uguali di paglia di ferro.
Si incastra un pezzo di paglia di ferro sul fondo dei tubi aventi dimensioni variabili e si capovolgono gli stessi tubi in bicchieri con due dita d’acqua (imboccatura in basso, ferro in alto). Inizialmente si segna il livello raggiunto dall’acqua all’interno del tubo, con pennarello indelebile. La paglia di ferro può essere bagnata con sola acqua, con aceto o con acqua e sale (sono queste altre variabili, in aggiunta alla lunghezza del tubo). Si misura a distanza di ore l’innalzamento dell’acqua all’interno dei tubi, causato dal consumo di aria da parte del ferro, che diviene marroncino in alcuni punti. La velocità di arrugginimento è valutata in base alla rapidità della crescita del livello dell’acqua all’interno dei tubi. La crescita maggiore si ha bagnando il ferro con aceto e sale. Se non si mette neppure acqua,  la trasformazione richiede diversi giorni. La trasformazione si arresta quando è stato consumato tutto l’ossigeno e l’acqua è salita fino a circa un quinto dell’altezza del tubo, in proporzione al contenuto di ossigeno dell’aria (21%). Le altezze raggiunte in ogni provetta si possono riportare in un grafico.

Esplorazione del concetto di energia

I gruppi hanno a disposizione una pila piatta da 4,5 V, una lampadina, un motorino elettrico con ventilatore collegato a una lampadina LED, una trottola, un'automobilina con carica a molla o a volano, uno jo-jo, un dischetto bimetallico “saltatore”, una palla “matta”.
Gli allievi devono produrre delle interazioni con gli oggetti assegnati e scrivere tutte le evidenze sul quaderno.
Un’interazioni non ovvia è quella con il motorino elettrico attaccato al ventilatore e collegato alla lampadina LED. Soffiando con forza sulla ventola questa si pone in rotazione e si accende la lampadina per un istante, purché sia collegata con la giusta polarità. Se non dovesse illuminarsi invertire le polarità o il senso di rotazione dell’elica. Sia nel caso dello jo-jo, sia in quello della palla matta, l’interazione avviene nel brevissimo intervallo di tempo in cui i due oggetti si fermano nel punto più in basso, prima di risalire.

Introduzione al concetto di energia

L’insegnante scrive alla lavagna tutte le evidenze delle interazioni rilevate dai gruppi durante l’esplorazione. In tutti i fenomeni di interazione esplorati c’è una sorgente, un trasferimento, un utilizzo, una degradazione. La causa di queste trasformazioni, che si trasferisce nelle interazioni, da un sotto-sistema all’altro, è chiamata energia. Per illustrare la catena energetica l’insegnante riordina le osservazioni dei gruppi di lavoro, chiedendo loro di precisare, caso per caso, quale può essere la sorgente, il mezzo di trasmissione o trasporto, quale l’utilizzatore e in quali forme si manifesta la degradazione dell’energia. Per rinforzare il concetto l’insegnante apre un fermaglio e lo piega ripetutamente. Gli allievi ripeteranno l’esperimento e sentiranno sulle labbra che il fermaglio si è riscaldato. Nell’interazione con le mani si è trasferita energia al fermaglio. L’aumento di temperatura testimonia che l’energia interna del fermaglio è aumentata. Dopo pochi secondi il fermaglio non sarà più caldo perché l’energia si trasferirà all’aria che lo circonda, disperdendosi.
Si chiede agli allievi di portare ulteriori esempi di forme di energia e di trasformazioni di energia. Per esempio:

• Qual è la sorgente di energia che fa muovere l'automobile?
• Qual è la sorgente energetica del "motore" uomo?
• Elenca altre sorgenti di energia a te note.
• Quali sono le sorgenti di energia per cuocere i cibi?

Applicazione del concetto di energia

1. Come si può osservare il trasferimento di energia lungo una barra di metallo usando una sorgente di calore e una candela?

Il materiale per questa esperienza può essere manipolato solo dall’insegnante, dopo aver discusso le varie ipotesi di soluzione con la classe. Occorrono una lamina di metallo (per esempio un righello di alluminio) o un filo metallico rigido di almeno 20 cm, una candela, un sostegno per attaccare la lamina o il filo orizzontalmente, una candelina tagliata a fettine.
Si predispongono dei cubetti di cera fondendoli parzialmente e poi lasciandoli raffreddare a distanze regolari (circa 2 cm) sulla barra metallica. Se si usa il filo si infilano delle “fette” di candela a mo’ di spiedino. Si blocca il filo o la barra orizzontalmente con un sostegno (la barra con i pezzi di cera rivolti verso il basso) e si inizia a riscaldare l’estremità opposta con una candela, avviando contemporaneamente il cronometro. Si annotano i tempi successivi a cui avviene la caduta dei pezzi di cera. Si può costruire una tabella delle distanze e dei tempi di fusione, o un grafico in coordinate rettangolari, con il tempo sull’asse orizzontale e la distanza dalla fiamma sull’asse verticale. Gli intervalli di tempo tra una caduta e l’altra non risulteranno costanti, ma sempre crescenti. Le domande da porre sono:

• da quali parti è formato il sistema?
• qual è la sorgente di energia?
• quali sono le forme di energia emessa? Dove si propagano?
• quale sottosistema utilizza l'energia trasferita?
• quale parte del sistema trasporta l'energia più rapidamente?
• che differenze ci sono tra la fusione del ghiaccio e quella della cera?

2. Se si versano in un bicchiere di acqua alcuni cubetti di ghiaccio posti in un sacchetto di plastica, come varia la temperatura?

Per l’esperimento occorrono un bicchiere, un termometro ad alcol e alcuni cubetti di ghiaccio in un sacchetto.
Gli allievi devono misurare la temperatura dell'acqua e ghiaccio, ogni minuto, e annotarla sul quaderno. Quando il ghiaccio sarà completamente fuso, si costruisce l'istogramma con i dati delle temperature. Se gli allievi hanno acquisito abbastanza confidenza con le coordinate rettangolari (gioco della battaglia navale) potranno realizzare un grafico in tali coordinate, ponendo sull’asse orizzontale la variabile tempo (1, 2, 3… minuti) e sull’asse verticale le temperature (0, 1, 2, 3…25 °C). I punti saranno collegati da una linea curva più “liscia” possibile. Si consiglia questa seconda soluzione per preparare gli allievi allo studio delle correlazioni tra coppie di variabili.

Questo semplice esperimento ci consente anche di chiarire alcuni errori concettuali assai diffusi.

• Primo errore: il ghiaccio fonde e non si scioglie, come erroneamente si dice nel linguaggio comune. Tutti i solidi, come il ghiaccio, il burro, la neve, il cioccolato, i diversi metalli, se convenientemente riscaldati, fondono. E' sbagliato dire che si sciolgono. L'insegnante farà bene a chiedere agli allievi di usare correttamente il termine fusione, per i solidi che passano allo stato liquido a causa di un aumento di temperatura. Diversa invece è la situazione dei solidi, come il sale e lo zucchero, che si sciolgono in acqua, cioè in un solvente.
• Secondo errore : gli oggetti, i corpi o i sistemi contengono (posseggono) energia interna ma non calore. Quando due oggetti, a diversa temperatura, si mettono in contatto, il calore è l'energia che si trasferisce dall'oggetto a temperatura più alta all'altro, che ha una temperatura più bassa. Perciò il calore corrisponde alla quantità complessiva di energia in transito dall'oggetto più caldo a quello a temperatura più bassa. Gli oggetti hanno una temperatura e hanno energia, ma non hanno calore.
• Terzo errore: spesso si tende a identificare la temperatura con l'energia interna dell'oggetto. Temperatura ed energia interna non sono la stessa cosa. Se un oggetto ha una temperatura più elevata di un secondo oggetto, non si può affermare con certezza che il primo abbia un'energia superiore. Prendiamo, per esempio, una tazzina di caffè bollente (circa 100°C) e confrontiamo la sua energia interna con quella dell'acqua a 36°C, contenuta in una vasca da bagno. Sicuramente la vasca, che contiene una massa d'acqua molto più elevata della tazzina di caffè, avrà un’energia termica più elevata. È pur vero che l'aumento di temperatura di un determinato oggetto testimonia che l'energia termica è cresciuta (vedi esperienza 15, più avanti).

3. Quale materiale tra quelli assegnati permette il miglior trasferimento di calore?

Il materiale occorrente, per ogni gruppo, è: acqua calda o fredda, un bicchiere di polistirolo espanso, uno di plastica, una lattina d'alluminio, termometri, un foglio di alluminio. Gli allievi devono aver già effettuato il precedente esperimento 2 per avere un’idea di come si seguono le variazioni di temperatura.
Si distribuisce la stessa quantità di acqua calda (o fredda) nei tre recipienti e si legge la temperatura a intervalli di tre minuti, riportando il tempo sull'asse orizzontale e la temperatura su quello verticale. Si confrontano le tre curve di raffreddamento o di riscaldamento. Gli allievi disegnano schematicamente i bicchieri e delle frecce che rappresentano la direzione del flusso di energia; quindi rispondo a domande del tipo:

• Quali sono i sotto-sistemi che interagiscono?
• In che cosa differiscono i materiali dei tre recipienti?
• Come può essere chiamata questa proprietà? (Conducibilità termica, analogo della c. elettrica) 
• Cosa si può fare per accelerare al massimo il trasferimento di calore?

4. Quale tipo di superficie assorbe maggiormente l’energia luminosa?

L’insegnante prepara in precedenza due lamine metalliche di rame o alluminio, una normale e una completamente annerita con il fumo di una candela. Poiché sarà necessario utilizzare una fonte di luce, l’esperimento non potrà essere effettuato da ogni gruppo. La fonte di luce può essere una lampadina da almeno 60 W. Le due lamine e il vetro o lo specchio, possono essere messi sul fondo dei bicchieri, che serviranno anche per sostenere il termometro, che si appoggerà col bulbo sulla lamina. Per questo esperimento è preferibile utilizzare un termometro digitale, il cui display potrà essere seguito da tutta la classe. Conviene lasciare la lampada fissa e spostare i bicchieri sotto di essa, tenendoceli per un tempo fisso e osservando l’aumento di temperatura. La lampada deve essere il più possibile vicina all’orlo del bicchiere, ma esterna ad esso.
Dopo circa un minuto di esposizione alla luce, si riscontrerà una netta differenza di temperatura anche solo appoggiando sulla mano le lamine e il vetro. Il risultato è identico anche se si ricoprono i bicchieri con una lastra di vetro, ma non se si ricopre la lampadina con un foglio di alluminio (v. domande successive); questo dimostra che è la luce e non l’aria calda che trasporta l’energia. Gli allievi registreranno tutte le osservazioni e risponderanno alle seguenti domande:

• Quali sono i sotto-sistemi che interagiscono?
• Come può avvenire l’interazione senza contatto?
• Qual è il mezzo di trasporto dell’energia?
• Cosa accade se si coprono le lastre con una lastra di vetro?
• Cosa accade se si avvolge la lampada con un foglio di alluminio?
• C’è aria nello spazio tra Sole e Terra? E se il foglio di alluminio si appoggia sulle due lamine?
• Le lamine ricevono quantità uguali o diverse di energia?
• Perché la lamina scura assorbe più energia?

5. Due recipienti contengono acqua a temperature diverse; se si mescolano due quantità uguali d'acqua, qual è la temperatura finale?

Dopo aver discusso le ipotesi di lavoro e precisato le variabili da misurare, gli allievi dei vari gruppi preleveranno in due bicchieri di polistirolo quantità uguali di acqua calda e di acqua fredda da due brocche d'acqua preparate dall’insegnante. Ciascun gruppo disporrà inoltre di un termometro, col quale misurerà le temperature iniziali e quella finale, risultante dal mescolamento. Se le quantità di acqua miscelate erano uguali, la temperatura dovrà risultare intermedia a quelle di partenza. Quindi l’insegnante farà domande del tipo:

• Perché la temperatura dell'acqua calda si è abbassata? C'è stato trasferimento di energia?
• Perché la temperatura dell'acqua fredda si è innalzata? C'è stato trasferimento di energia?

L'insegnante farà vedere dalla cattedra, chiamando un allievo per volta, che mescolando quantitativi diversi di acqua si ottengono temperature diverse da quella intermedia. Per esempio, se la quantità d'acqua calda è maggiore, la temperatura finale sarà vicina a quella dell'acqua calda.

6. Come si può riconoscere una pila carica da una scarica, senza usare una lampadina?

Quest’esperienza offre l’opportunità di introdurre il concetto di energia potenziale, che verrà utilizzato anche in future esperienze. L’energia potenziale è energia “congelata” o in “deposito”, che non provoca effetti per tempi indeterminati, finché non si innesca un’interazione di qualche tipo. Le due batterie, apparentemente identiche, differiscono per il contenuto di energia potenziale. Il vassoio di ciascun gruppo dovrà contenere: due pile da 4,5 V, una nuova e una completamente scarica, filo di rame, bussola, bicchiere con acqua e sale.
Collegando per pochi secondi i due poli della pila carica si avranno diversi effetti: il filo si riscalda, l'ago della bussola posta nelle vicinanze subisce una deviazione. È importante evidenziare la propagazione a distanza dell'interazione. Bagnando le lamine della pila capovolta sull'acqua salata, si osserverà il formarsi di bollicine.  Le domande da porre sono:

• dove si trova l'energia prima di passare nel circuito?
• quali sono le evidenze del trasporto di energia elettrica all'interno del filo di rame?
• quali proprietà ha il filo di rame che non è posseduta da un semplice spago?
• in cosa si trasforma l'energia elettrica nel suo fluire? Rimane confinata nel filo?
• quali forme di energia hai ottenuto nelle tue esperienze?

7. Qual è la massima temperatura che si riesce a raggiungere con “polvere riscaldina” e acqua?

I gruppi disporranno di un vassoio con un bicchiere di cloruro di calcio anidro (sacchetti del ricambio per deumidificatori, da sigillare dopo l’uso altrimenti il prodotto non sarà più efficace in seguito), un cucchiaio, un bicchiere d’acqua, un contagocce, un bicchiere di polistirolo da caffè e un termometro.
Gli allievi potranno variare le dosi di polvere “riscaldina” e acqua, registrandole accuratamente e misurando ogni volta l’aumento massimo di temperatura. Se sceglieranno di usare il bicchiere di polistirolo otterranno incrementi maggiori di temperatura. Gli allievi devono sapere che l’energia non si può creare, e che quindi prima di sviluppare calore doveva esserci dell’energia potenziale nei materiali (sottosistemi) uniti. Pertanto si rivolgono loro le seguenti domande:

• quali sono le parti del sistema che interagiscono?
• da dove scaturisce il calore? Quale tipo di energia era contenuta nel solido e nell’acqua?
• quali evidenze ci sono dell’interazione del gesso in polvere?
• il sistema contiene ancora la stessa energia potenziale che aveva all’inizio dell’esperimento?
• dov’è finita l’energia prodotta?
• il peso del sistema alla fine dell’esperimento sarà minore, maggiore o uguale a quello della polvere e dell’acqua uniti? (Se il sistema è aperto il peso diminuisce di qualche grammo perché parte dell’acqua evapora).

L’energia chimica è quella che si può ottenere dall’interazione di materiali (per esempio legno più aria e benzina più aria).

8. Con le lamine di rame e di alluminio e carta assorbente costruire una pila capace di far accendere la lampadina

Anche in questo caso si assisterà alla trasformazione di energia potenziale in altre forme “attive” di energia. Ovviamente dovrà essere l’insegnante a illustrare la corretta disposizione delle lamine dopo averla provata personalmente. Ogni gruppo dispone di una dozzina di lamine piatte di rame (va bene anche quello delle grondaie) e altrettante di foglio d'alluminio per alimenti, di dimensioni uguali (per esempio 2x3 cm). Carta assorbente da cucina ripiegata; bicchiere con aceto e sale. Vassoio di plastica o legno. Lampadina LED. L’insegnante ha a  disposizione una batteria da 9V scarica con l’involucro aperto. La successione rame/alluminio/carta inumidita può essere stratificata più facilmente in orizzontale, così che gli strati siano ben separati. Dopo 4-5 elementi ripetuti si superano già i 2 V, sufficienti per far accendere il diodo LED (le correnti in gioco sono troppo piccole per far illuminare una lampadina a incandescenza). È importante che i tamponi imbevuti di acqua salata e aceto non si tocchino l'uno con l'altro e che non lascino fuoriuscire liquido in eccesso. Il polo positivo del diodo LED, riconoscibile per il piedino più lungo, deve essere collegato al polo di rame.

Si può anche costruire una pila grande come l’intera classe: tra due bambini adiacenti il contatto è formato da un pezzo di alluminio sovrapposto ad uno di rame, tenuti fermi al centro da un fermaglio. I bambini si inumidiscono i polpastrelli del pollice e dell’indice delle due mani con l’acqua salata, quindi si mettono in contatto tenendo tutti il rame con la sinistra e l’alluminio con la destra (o viceversa). Alle due estremità della catena si misurerà un voltaggio tanto più elevato quanto maggiore è il numero dei bambini e delle coppie metalliche. Nell’esperienza i bambini possono costrure vari tipi di “pile umane” a tentativi, cambiando di volta in volta il modo di alternare lamine di rame e alluminio.
Le domande da porre sono:

• da quali sottosistemi è formato il generatore di energia elettrica?
• quali sono le trasformazioni osservate dopo un funzionamento prolungato?
• come varia la luce della lampadina se si utilizza un minor numero di elementi?
• se si chiude il circuito della pila mettendo a contatto la prima e l'ultima lamina, si accenderà la lampadina?
• l'elettricità passerà ugualmente o no?
• come si può accertare se la corrente passa o meno?
• in quale forma si trova l'energia prima di chiudere il circuito con la lampadina?

9. Le celle fotovoltaiche convertono l'energia luminosa in energia elettrica. Realizzare un circuito capace di azionare un motore elettrico.

A ogni gruppo sono forniti una cella fotovoltaica, un motorino elettrico, filo elettrico e nastro adesivo, piccoli oggetti da sollevare (viti, dadi), dischi a settori colorati stampati su cartoncino da ritagliare. Portare in classe una lavagna luminosa o una lampada da 60 W, nel caso dovesse scarseggiare la luce solare.
In questa attività si ha una tripla trasformazione dell'energia: da luminosa a potenziale (quando il circuito della cella fotovoltaica è aperto), da potenziale a elettrica e da elettrica a cinetica. Vanno evidenziate anche altre forme: sonora (il rumore prodotto dal motore) e termica (il motorino si riscalda). Praticamente si ha una vera e propria catena energetica. L'energia luminosa non si affievolisce con la distanza dalla sorgente: l'energia totale è la stessa a qualunque distanza ci si ponga, ma essa si distribuisce su una superficie sempre più ampia, quindi sempre minore è la frazione catturata dalla cella fotovoltaica. Ci sono numerose domande che possono scaturire da questa esperienza. Per esempio:

• come si fa a variare la velocità di rotazione del motore?
• qual è la distanza massima dalla lampada alla quale il motore riesce a girare?
• come si può fare per far aumentare questa distanza?
• perché diminuisce la velocità del motorino allontanando la sorgente di luce?
• quali organismi viventi riescono a trasformare l'energia luminosa in energia potenziale?
• tutta l'energia luminosa si trasforma in energia cinetica?
• puoi usare il motore per sollevare piccoli oggetti?

I bambini dovranno poi schematizzare la catena energetica in ogni caso.

Le esperienze che seguono hanno carattere quantitativo e quindi sono idonee per il livello della scuola media. Esse prevedono l’introduzione delle unità di misura dell’energia più usate: il joule (J) e la caloria (cal). Per acquisire confidenza con tali unità si possono utilizzare le etichette degli ingredienti dei prodotti alimentari, che spesso riportano il contenuto energetico dei cibi in entrambe le unità. Avendo a disposizione diverse di queste etichette si potrà calcolare il rapporto joule/calorie, che risulterà pari a circa 4,2. È importante che gli allievi imparino bene il significato di caloria (anche se quest’unità di misura risulta abolita in tutta Europa dal 1° gennaio 2000, con DPR 802/1982): la caloria è l’energia occorrente per riscaldare un grammo d’acqua di un grado centigrado.
Negli esperimenti seguenti, in cui avverrà l’emissione o l’assorbimento di calore, basterà conoscere la quantità di acqua (in grammi o in millilitri) posta in un bicchiere isolato di polistirolo espanso e la variazione di temperatura da essa subita, per calcolare l’energia transitata in calorie. Le calorie complessive saranno ottenibili dalla moltiplicazione “tutti i grammi di acqua x tutti i gradi di aumento di temperatura di ciascun grammo”. Forniamo l’espressione per il calcolo in questa forma verbale con l’intento deliberato di evitare che gli allievi inizino a memorizzare formule, senza capirne il significato, fin dalle medie. Se si vuole evitare l’uso della caloria, si può fornire il seguente dato:
per aumentare di un grado la temperatura di un grammo d’acqua occorrono 4,2 joule di energia.
Un’altra unità di misura correlata con l’energia, e utilizzata nella vita di tutti i giorni è il watt (W). Esso misura la velocità di utilizzo dell’energia (potenza), in joule al secondo. Una lampadina a incandescenza da 40 W assorbe un’energia di 40 joule per ogni secondo di funzionamento. Una macchina molto potente trasforma molta energia ogni secondo (si parla di kilowatt, cioè migliaia di joule al secondo). Il corpo umano in normale attività consuma circa dieci milioni di joule al giorno (tanto è l’apporto energetico di 2500 kcal). Dato che in un giorno ci sono 86400 secondi, il consumo medio è di circa 120 joule al secondo, cioè 120 watt. L’energia ha un costo. Nella bolletta ENEL, si pagano mediamente intorno a 30 centesimi di euro ogni 1000 kilojoule (circa 0,1 € al kilowattora). Il costo dell’energia dalla combustione della benzina è di circa 4 eurocent ogni 1000 kilojoule, quindi inferiore, ma occorre considerare che se si vuole convertire l’energia della combustione in energia elettrica, con un “generatore”, i rendimenti sono molto bassi, dell’ordine del 20%, senza considerare il rumore e l’inquinamento prodotti in prossimità dell’utilizzatore. Queste considerazioni e la regolarità dell’erogazione elettrica ci dissuadono dall’utilizzo della benzina in casi normali.

10. Esistono in commercio dei bicchieri di cioccolato autoriscaldanti. Quanto calore si trasferisce all’alimento contenuto in questi bicchieri?

Gli allievi dispongono di un bicchiere di cioccolato autoriscaldante, di un termometro ad alcol e di un cilindro graduato da 50 mL (facoltativo, dato che il volume di prodotto è indicato nell’etichetta).
Non conviene svelare il meccanismo di funzionamento del bicchiere se non è stata ancora svolta l’esperienza in cui lo si utilizza per costruirne il modello di funzionamento. Le ipotesi sono comunque ben accette. Per informazione dell’insegnante, tale bicchiere contiene alla base un serbatoio 40 mL di acqua distillata, separati da un’intercapedine di alluminio dall’involucro esterno con scaglie e polvere di cloruro di calcio perfettamente anidro. Premendo sul fondo si rompe la membrana e la soluzione acqua CaCl₂ raggiunge i 110 °C. Date le perdite e la distribuzione interna dell’energia, il prodotto da consumare, che non viene a contatto con la soluzione calda, raggiunge circa 50 °C.
Un secondo motivo per non effettuare l’esperimento con i componenti separati è quindi che il termometro ad alcol non può misurare temperature superiori a 60 °C. Il terzo motivo è che, lasciando intatto l’involucro, i ragazzi potranno degustare il prodotto dopo l’esperimento.
Per questa esperienza occorre pianificare bene la procedura da seguire, stabilire cosa misurare e quando farlo. L’insegnate potrà usare un barattolo extra per far vedere agli allievi come funziona.
Una soluzione possibile è la seguente: misurare la temperatura esterna, supposta uguale a quella del prodotto; attivare il meccanismo di riscaldamento, girare una decina di volte, aprire la pellicola e misurare la massima temperatura raggiunta all’interno della massa di cioccolato; quindi misurare il volume del prodotto. Per il calcolo del calore non si compie un grande errore considerando il liquido come se fosse acqua: 4,2 joule per grammo o mL e per grado centigrado. Il calore si calcola moltiplicando l’incremento di temperatura in gradi per il volume del prodotto in millilitri e per 4,2 se si vogliono i joule. Si può anche sostituire il cioccolato con acqua e ripetere l’esperimento in un nuovo bicchiere per confermare.

11. Quanto calore occorre per fondere un grammo di ghiaccio?

L’insegnante predispone una bilancia da cucina con precisione al grammo e una scatola di cubetti di ghiaccio. Ogni gruppo di allievi dispone di un vassoio con un bicchiere di polistirolo espanso con tappo, un termometro ad alcol, un cilindro graduato.
La soluzione più semplice consiste nel misurare l’abbassamento di temperatura, prodotto dalla fusione del ghiaccio in un bicchiere (calorimetro) isolato con un certo volume d’acqua. Gli allievi devono progettare l’esperimento in modo da accelerare la fusione del ghiaccio, per minimizzare le perdite di calore, e riuscire a leggere la temperatura minima raggiunta. Se i cubetti di ghiaccio pesano più di 5-6 grammi conviene usare 100 mL di acqua. Altrimenti 50 mL sono sufficienti. Moltiplicando i grammi d’acqua (comprensivi del ghiaccio) per la variazione di temperatura, si ottengono le calorie richieste per la fusione. Dividendo tale dato per il peso del ghiaccio fuso si ricava il valore specifico per ogni grammo di ghiaccio. Ogni grammo di ghiaccio assorbe 333 joule di energia per la fusione.

12. Quanta energia solare colpisce ogni cm² di suolo al minuto?
Prima di discutere le ipotesi di lavoro, è opportuno ricordare l'esperienza 4, in cui il metallo annerito era quello maggiormente capace di assorbire l’energia radiante. Il problema può essere reso analogo ai precedenti, ponendo una lamina circolare di rame od ottone, annerita, sul fondo del bicchiere di polistirolo con un volume noto di acqua (5-10 mL). La luce solare può essere diretta perpendicolarmente, verso il fondo del bicchiere, con uno specchio. Si misura la temperatura iniziale e poi ogni 5 minuti dall’inizio del riscaldamento. Una volta determinata l’energia, in calorie o in joule, assorbita dall’acqua ogni minuto, come nei problemi precedenti, si deve dividere per l’area in cm2 del disco nero, per avere l’energia al minuto e al centimetro quadrato. La radiazione solare incidente al suolo, alle nostre latitudini, nelle ore diurne va da un minimo di 0,035 watt/cm² nel mese di dicembre-gennaio, a un massimo di 0,14 watt/cm² in giugno-luglio. Con un rapido calcolo si trova che questa energia, sul fondo di un bicchiere da 4 cm di diametro, equivale a 6-25 calorie al minuto, capaci di riscaldare 10 ml d’acqua da un minimo di 0,6 °C/min a un massimo di 2,5 °C/min. I valori trovati con l’apparato sperimentale qui descritto rientrano, in effetti, in quest’intervallo (per esempio da 20 a 25 °C in 5 minuti, in aprile, con lo specchio).
I pannelli solari per la produzione d’acqua calda sfruttano lo stesso fenomeno evidenziato dall’esperimento.

13. Quanti watt (joule al secondo) di energia si possono trasferire dalla batteria all’acqua?

Ogni gruppo di lavoro ha a disposizione un filo al nichel cromo di 0,5 mm di sezione e 50 cm di lunghezza, due fili di rame, una pila piatta da 4,5 V carica, un bicchiere di polistirolo espanso e un termometro. Arrotolando il filo al Ni-Cr a spirale con una matita, si costruisce una resistenza elettrica che, collegata con i capi liberi ai fili e ai due poli della batteria, si riscalderà, e potrà essere immersa a mo’ di scaldabagno in circa 20 mL di acqua. Analogamente alle esperienze precedenti, gli allievi devono preparare il dispositivo, praticare due buchi per far passare i fili dal tappo e un buco per il termometro, leggere la temperatura iniziale, avviare il cronometro nel momento stesso in cui si collegano i due fili alla pila, e leggere la temperatura a intervalli di un minuto, per circa cinque minuti, agitando di tanto in tanto. Se l’incremento di temperatura non si mantiene approssimativamente costante per almeno cinque minuti, usare un filo al Ni-Cr da un metro. Gli aumenti di temperatura vanno da 1 °C a 3°C al minuto in 20 mL di acqua, a seconda del tipo di batteria e del suo stato di carica. Per il calcolo, come al solito, si moltiplicano i mL d’acqua per l’aumento di temperatura, ricavandone le calorie. Moltiplicando per 4,2 si hanno i joule che, divisi per i secondi trascorsi, danno la potenza della pila in watt, cioè in joule al secondo. La potenza erogata da una batteria da 4,5 V, per tempi superiori al minuto, è di 1,5-3 watt.

14. Quanta energia è contenuta in una noce?
L’esperienza dovrebbe essere preceduta da un esame dei valori energetici riportati nelle confezioni. Da essi si può ricavare il fattore 4,2 per la conversione da calorie a joule e l’informazione che i grassi (contenuti nella noce per circa il 40%) sono capaci di liberare più energia, al grammo, degli altri principi alimentari.
Si parte da un quarto di gheriglio di noce infilzato su di un sostegno ricavato da un fermaglio, del quale si piega un’estremità verso l’alto, in modo che la parte restante funga da base. Occorre poi un barattolo di latta senza fondo, alla base del quale siano stati fatti dei fori (dall’esterno verso l’interno) dai quali dovrà entrare l’aria e in cima al quale si saranno ricavati dei tagli verticali di circa un centimetro  e a intervalli di circa un centimetro, lungo tutto il diametro. Si formeranno così delle lamelle, lungo il bordo in alto del barattolo, che saranno tutte piegate verso l’esterno di circa 45 °. Dalle aperture delle lamelle dovranno uscire i fumi della combustione. Se questo non dovesse accadere la fiamma si spegnerebbe. Occorre infine una casseruola di alluminio con la base abbastanza larga da poter essere poggiata sul barattolo, contenente una ben precisa quantità d’acqua (100  mL) e un termometro. Le operazioni da eseguire sono le seguenti:

•  pesare la noce, misurare la quantità d’acqua (un decilitro) e la temperatura iniziale dell’acqua
•  incendiare la noce con un accendino e coprirla immediatamente con il barattolo e con la casseruola contenete l’acqua
•  aspettare che la noce smetta di bruciare quindi misurare la massima temperatura raggiunta dall’acqua
• arieggiare l’aula alla fine dell’esperimento.

Dall’aumento di temperatura moltiplicanto per 100 g e per 4,2 J/g, si ricava l’energia in joule prodotta dalla noce. Tale energia è identica a quella disponibile per l’organismo se si assume la stessa noce come alimento. La parte restante del gheriglio può essere usata per ripetere l’esperienza, anche con diverse quantità d’acqua (cambierebbe il calore trasferito con una diversa quantità d’acqua?) e per mostrare come esso contenga un materiale oleoso, semplicemente appoggiandola su un foglio di carta (l’apporto nutritivo della noce deriva prevalentemente da lipidi, zuccheri o proteine?)
L’esperimento costituisce un’ottima occasione per affrontare problemi relativi al calcolo, alle trasformazioni dell’energia, all’alimentazione, ma non può essere considerato un metodo valido per determinare il potere calorico della noce o dell’olio in essa contenuto, a causa delle perdite di energia nei fumi e dalla bacinella verso l’aria esterna. Per limitare la perdita si può coprire la casseruola con un piano di polistirolo che, con un foro al centro, può anche fungere da sostegno del termometro, oppure aumentare la quantità d’acqua (2 decilitri) che così si troverà a temperatura non molto più alta dell’ambiente esterno.

15. Se si riscaldano nello stesso modo quantità identiche di acqua e di olio, la temperatura dei due salirà ugualmente?

La risposta è no. Per scoprirlo si possono utilizzare due lattine contenenti rispettivamente 250 g di acqua e 250 g di olio, poste sulla piastra di un fornello elettrico, ciascuna con un termometro immerso nella parte centrale del liquido. Se si registrano i valori di temperatura a intervalli regolari di tempo si potrà constatare che la temperatura dell’acqua si mantiene più bassa, anche se il calore che attraversa le lattine e la temperatura della piastra su si cui sono appoggiate sono identiche.
In questo caso si sono misurate sia la temperatura interna che quella esterna. Il termometro interno è tenuto sospeso da una molletta metallica. La stessa lattina è stata usata sia per l’acqua che per l’olio. Con un fornello di maggiori dimensioni le due lattine potrebbero essere posizionate e riscaldate in parallelo.
L’acqua subisce un minore incremento di temperatura, poiché possiede una maggiore capacità termica dell’olio, cioè richiede una quantità maggiore di calore per incrementare di un grado la sua temperatura. La capacità termica specifica dell’acqua è di 4,2 joule/°C, quella dell’olio di vasellina, usato in questo esperimento, è circa 2,1 joule/°C (olio d’oliva 2,0 J/°C, olio di semi 1,7 J/°C)