Stati della materia Trasformazioni Modello particellare

Gli stati della materia e i cambiamenti di stato

Il percorso nella scuola primaria Attività Il percorso parte da situazioni del tipo: “Dove vedo l’acqua? A che cosa serve l’acqua?” Classificazione dell’acqua rispetto all’uso (domestico, agricoltura …) Come l’acqua entra nelle case Qualità dell’acqua (torbida, potabile …)

Il percorso nella scuola primaria Inizia poi il lavoro sugli stati a livello percettivo: Acqua solida (ghiaccio, neve ..) Acqua liquida Acqua gassosa

Il percorso nella secondaria di primo grado Ricerca delle caratteristiche fisiche macroscopiche di un corpo allo stato solido liquido aeriforme rispetto a forma volume compressibilità

I problemi l’acqua , un liquido hanno un proprio volume solo se sono in un contenitore, la superficie di appoggio di un corpo è spesso confusa con lo spazio occupato dal corpo stesso, comprimere significa schiacciare, deformare … ci sono liquidi densi, ad esempio l’olio … un corpo solido non è “denso” … un gas è leggero, forse non pesa perché va verso l’alto …

Passaggi di stato Il percorso sugli stati della materia prosegue con attività sui passaggi di stato per integrare e consolidare lo studio delle proprietà macroscopiche dei corpi solidi, liquidi e gassosi.

Passaggi di stato Attività in contesti di senso del ghiaccio si trova in un contenitore chiuso, cosa succederà secondo te al passare del tempo … dell’acqua è in un contenitore, cosa succederà secondo te al passare del tempo … …

Analisi da un punto di vista empirico Passaggi di stato Analisi da un punto di vista empirico attraverso due fasi Previsione di Registrazione di ciò che accadrà dati

Passaggi di stato L’attività permette di lavorare su: Conservazione della materia Rappresentazione grafica Associazione tra andamento del fenomeno e descrizione grafica Grandezze varianti e invarianti che caratterizzano il fenomeno

Passaggi di stato Qualche ipotesi: Ad esempio ciò che avviene al ghiaccio può Dipendere dalla temperatura … dal luogo in cui si trova … Dipendere dal materiale con cui è costruito il contenitore … Dalla posizione rispetto alla fonte di calore … all’inclinazione dei raggi solari …

Passaggi di stato Riflessioni Ricercare ipotesi, confrontarle e discuterle abitua gli alunni a riflettere su ciò che viene loro proposto e a trovare risposte compatibili con la situazione e non necessariamente codificate in un’unica soluzione. Analizzare un fenomeno significa ricercare le grandezze in gioco che a volte possono essere tanto evidenti da passare inosservate, ad esempio non sempre il livello dell’acqua che diminuisce durante l’evaporazione viene preso in considerazione ma dato per scontato!

Passaggi di stato Passare da esperienze qualitative ad esperienze quantitative significa affrontare diverse difficoltà: difficoltà tecniche (corretta misurazione, corretta lettura degli strumenti di misura), difficoltà matematiche (individuare scale adeguate, inserire correttamente i valori, esplicitare le variabili), difficoltà di interpretazione (difficile associare le varie fasi di modificazione del materiale con i tratti del grafico). Associare ai tratti del grafico fasi del fenomeno (tratto costante: cambiamento di stato ...) Interpretare e costruire grafici

Modello particellare Attività iniziale: “Due lamine di ferro A e B hanno questa proprietà: la lamina A ha una quantità di ferro doppi di quella della lamina B.”

Modello particellare Vengono dati i seguenti assiomi: una particella non si può dividere una particella non può cambiare forma una particella ha sempre le stesse dimensioni una determinata particella ha sempre la stessa quantità di materia

Modello particellare Alcune difficoltà … Il disegno deve rispettare la forma del corpo? Le devo disegnare in tutta la lamina? le particelle devono essere figure che riempiono tutti gi spazi? (il cerchio lascia degli spazi vuoti) ci devono essere dei ganci che legano le particelle tra di loro? (emergono i ricordi dei disegni sui libri) se il materiale è comprimibile bisogna lasciare degli spazi? se una forma rappresenta un materiale per rappresentare un altro materiale si deve usare una forma diversa? posso rappresentare due corpi uguali di peso diverso con un numero diverso di particelle?

Che forma hanno le particelle? Modello particellare Che forma hanno le particelle? Prendono la forma del corpo Non hanno una forma ben precisa Triangolare perché se combiniamo una particella triangolare con l’altra il corpo solido sarà regolare Come un cerchio perché forse una cellula è fatta così Penso alla particella dell’acqua Lete… ma per comodità l’ho disegnata quadrata… Rettangolari (come le facce delle lamine…) A parallelepipedo (come le lamine…) A reticolo (come i disegni dei libri …)

Modello particellare Riflessioni Affiorano le proprietà dei corpi solidi:in quella rappresentazione non capirei se è un corpo solido … Non capirei se è un corpo puro … Si ricerca la coerenza tra le rappresentazioni e gli assiomi: è necessario contare le particelle per rappresentare lamine con due pesi diversi?

Modello particellare Prime conclusioni … Disegnamo particelle che abbiano la stessa forma ( corpo puro) Rappresentiamo le particelle preferibilmente con dei poligoni che non lascino spazi vuoti per indicare che si tratta di un solido (forma e volume propri) Per indicare il peso rappresentiamo un numero di particelle diverso Non è necessario mantenere la forma del corpo, basta considerarne una “piccola parte” Devo rappresentare un corpo con più di una particella per indicare tutte le sue caratteristiche (solido, puro)

Modello particellare Anello di Gravesande Si discute prima sull’aspetto macroscopico Si formulano ipotesi … Si esegue l’esperienza

Problemi e difficoltà relativi al cambiamento di volume Modello particellare Problemi e difficoltà relativi al cambiamento di volume Il calore penetra fino a riempirla Il fuoco ha allargato il ferro Le particelle si dilatano Le particelle si rilassano È l’anello che diventa più grande Si potrebbero formare dei gas che aumentano il volume Forse la pallina riscaldata aumenta di peso Una particella si è ingrandita Potrebbe entrare aria Il calore fa entrare l’aria che distacca le particelle

Problemi e difficoltà relativi alla forma Modello particellare Problemi e difficoltà relativi alla forma Anche se cambia il diametro la forma è sempre quella Si deforma ed è per questo che non passa più attraverso l’anello … Non cambia perché il ferro è solo riscaldato, non fuso Cambia, una parte prende più calore dell’altra Se cambiano le dimensioni cambia anche la forma Se ho un rettangolo e cambio le dimensioni rimane sempre un rettangolo

Interrogativi e difficoltà Modello particellare Interrogativi e difficoltà Il problema del vuoto ricompare: ci deve essere aria o calore che fa aumentare il volume… Ma il calore è materia? Se entra aria dovrebbe aumentare il peso della sfera Si ricorre all’esperienza: pesiamo la sfera prima e dopo il riscaldamento Per avere la stessa forma una sfera deve modificare solo il diametro (vale anche per il cubo: devo modificare solo il lato…pensiamo alla matematica…) Per un rettangolo mantenere la stessa forma vuol dire cambiare le dimensioni secondo un rapporto (pensiamo alla matematica: figure simili…)

Interrogativi e difficoltà Modello particellare Interrogativi e difficoltà Il calore pesa ed occupa uno spazio, il calore è un gas Le particelle sono tutte attaccate come ginnasti che poi fanno flessioni e si staccano un po’ Perché non cadono? Le particelle potrebbero distanziarsi l’una dall’altra Si separano e si spingono così l’altra particella si sposta I pianeti non cadono … c’è una forza che li tiene…la stessa cosa capita alle particelle… Le particelle si ingrossano… ma si entra in contraddizione con gli assiomi Le particelle possono muoversi?

E finalmente il vuoto!!! Tra una particella e l’altra c’è il vuoto … Modello particellare E finalmente il vuoto!!! Tra una particella e l’altra c’è il vuoto …

La rappresentazione dei corpi allo stato liquido Modello particellare La rappresentazione dei corpi allo stato liquido Le difficoltà: I contenitori possono dare l’idea che cambi forma Per un liquido puro uso lo stesso disegno Posso usare poligoni anche per i liquidi, magari cambiando forma, ci deve essere però uno spazio, o uso poligoni con spazio o uso non poligoni Per la forma dovevo tenere il contenitore Per la compressibilità non so come fare Nei solidi tutte le particelle sono incastrate mentre nei liquidi devono essere staccate, così che sembri che cambi forma  Per i solidi poligoni spigolosi, per i liquidi figure sferiche non spigolose

Modello particellare Una volta intuita e fissata la rappresentazione micro di corpi allo stato solido e liquido, quella dello stato aeriforme è molto veloce ma …  

Modello particellare Problema: “ Rappresenta con il modello delle particelle ciò che succede con l’andar del tempo ad un cubetto di ghiaccio …”    ○ ○ ○ ○ ○ ○    ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○   ghiaccio acqua vapore

Modello particellare Conclusioni Al termine di questa attività gli alunni possono “vedere” un fenomeno usando 3 registri diversi: macro, micro, grafico e passare da uno all’altro in modo autonomo e consapevole.