LE CARATTERISTICHE DELLA MATERIA Per l’insegnante: In questa lezione multimediale vengono approfonditi alcuni contenuti proposti nell’unità La materia e le sue proprietà (Esplorando, Volume A, La Materia, pp. 7-32 – Esplorando Visual 1, pp. 7-34). La presentazione si propone di: definire che cosa è la materia e quali sono le sue caratteristiche; operare una prima distinzione tra il concetto di massa e peso; imparare come misurare la massa e il volume; definire la densità e imparare a calcolarla; riconoscere i diversi stati di aggregazione della materia.

Per iniziare Che cosa è la materia? Tutto ciò che puoi vedere? Tutto ciò che puoi toccare? Per l’insegnante: La discussione iniziale ha lo scopo di superare la diffusa convinzione che sia materia solo ciò che si vede e si tocca. Si suggerisce di condurre la classe a riflettere su esperienze che abbiano reso evidente la materialità di sostanze normalmente invisibili o impalpabili, come l’aria (per esempio, il vento che ci investe quando si va in bicicletta…).

Materia e spazio Quando il tuo zaino è pieno, non puoi aggiungere niente altro. Tutto ciò che è materia occupa spazio. Per l’insegnante: Qualcuno può osservare che, se lo zaino fosse più elastico, si potrebbero aggiungere altri oggetti. Ciò fornirebbe un interessante occasione per precisare che la materia occupa sempre spazio, ma vi sono sostanze che possono essere compresse o espanse (corpi con volume indefinito).

Materia e massa Per l’insegnante: Una seconda caratteristica fondamentale della materia è quella di possedere una massa. Per far comprendere questo concetto ai ragazzi si potrebbe aggiungere il seguente esempio: dopo aver pesato una mela, il suo peso cambia se viene fatta a pezzi? No, il suo peso non cambia anche se la sua forma è cambiata. La quantità di materia (cioè la massa) di cui è fatta è rimasta la stessa: per questo il suo peso è rimasto invariato. Alcuni zaini sono più pesanti… … altri meno Poco o tanto, tutti pesano, perché hanno una certa massa. La massa è una proprietà della materia che influenza il suo peso.

Massa e peso Attenzione: massa e peso non sono la stessa cosa! Sulla Terra, il peso e la massa di questi astronauti sono uguali. Nello spazio, gli astronauti hanno peso quasi nullo, ma conservano la loro massa. Per l’insegnante: La massa indica la quantità di materia di cui è formato un corpo, mentre il peso indica la forza con cui questo corpo viene attratto dalla Terra. Per spiegare questo concetto è significativo l’esempio dell’astronauta: nello spazio ha un peso quasi nullo perché la Terra è così lontana che non lo attrae più; tuttavia mantiene tutta la sua massa, cioè la quantità di materia che lo compone.

In sintesi MATERIA È TUTTO CIÒ CHE: ha massa occupa spazio Per l’insegnante: Potrebbe essere interessante chiedere ai ragazzi come fanno a individuare la materia utilizzando i loro sensi: per esempio, attraverso la vista possono vedere la materia che costituisce una nuvola, oppure possono toccare quella che forma un albero, sentire sulla pelle l’aria che si muove al soffiare del vento o sentire l’odore del gas che esce dai fornelli.

I corpi Una precisa porzione di materia, che si distingue da altre, viene indicata con il termine corpo. Ecco alcuni corpi: Per l’insegnante: È importante che i ragazzi comprendano che possiamo definire corpi tutte le porzioni di materia che occupano uno spazio, che hanno una massa e che possono essere distinte da altre parti di materia. Quindi, la definizione di corpo comprende anche ciò che non possiamo vedere o toccare. È facile identificare come corpo una penna, ma può essere più interessante pensare a una goccia d’olio sulla superficie dell’acqua. Si suggerisce di chiedere ai ragazzi di fare qualche esempio di corpi a partire dalla loro esperienza.

Le caratteristiche di un corpo Ogni corpo possiede proprietà fisiche definite da grandezze fisiche: Per l’insegnante: A questo punto della lezione si potrebbe dare una prima definizione di grandezza fisica intesa come proprietà misurabile. Sono misurabili tutte le caratteristiche oggettive di un corpo che possono essere definite con precisione. Esempi di grandezze fisiche sono: la lunghezza, la massa e il volume. Come materiale di approfondimento del concetto di grandezza fisica intesa come unità misurabile si può utilizzare come testo Il problema della misura, proposto nella la sezione A tu per tu... con le Scienze, contenuta nel volumetto Il mio Scienziario. volume massa densità

Il volume Il volume di un corpo è la quantità di spazio da esso occupata. Per misurare e confrontare il volume dei corpi le unità di misura utilizzate sono il metro cubo (m3) e il litro (l). Per l’insegnante: Il volume di un liquido, come l’acqua o il latte, si misura versandolo in un recipiente graduato detto cilindro graduato. Il volume di un solido si misura, invece, per immersione. Se si vuole misurare il volume di un corpo dalla forma non ben definita, per esempio un sasso, versare in un cilindro graduato un bicchiere d’acqua e prendere nota del suo volume. Mettere poi il corpo nel cilindro in modo che sia completamente coperto dall’acqua e prendere nota del livello raggiunto ora da quest’ultima. Il volume del corpo sarà dato dalla differenza del volume finale e dal volume iniziale dell’acqua. Vcorpo = Vfinale acqua – Viniziale acqua

La massa La massa di un corpo è la quantità di materia che lo compone. Si misura utilizzando la bilancia a bracci uguali, per confronto con l’unità di misura: il kilogrammo (kg). Per l’insegnante: Verso la fine del Settecento Isaac Newton affermò che la massa è la “quantità di materia presente in un corpo”. Questa definizione, accettabile dal punto di vista intuitivo, non esaurisce però il concetto di massa. I fisici, infatti, nel corso degli anni hanno elaborato più definizioni della grandezza “massa”, derivandole dai fenomeni che stavano osservando. Oggi, quindi, esistono diverse accezioni di questa grandezza, tutte ragionevolmente valide. Come spunto per un’attività di ricerca si potrebbe proporre ai ragazzi di documentarsi sulle altre definizioni di massa date dagli scienziati nel corso degli ultimi secoli.

Come si usa la bilancia Per misurare la massa di un oggetto occorre metterlo su un piatto della bilancia e appoggiare sull’altro un numero di pesi-campione adeguato perché la bilancia sia in equilibrio. Per l’insegnante: Si consiglia di precisare che le bilance più diffuse sono in realtà dinamometri: la misura che se ne ottiene riguarda quindi il peso e, solo indirettamente, la massa. Nel caso illustrato, la massa del sasso è pari a 2 kg.

Più grande = più pesante? Osserva: un’arancia è più grande e pesa di più rispetto a un limone. Per l’insegnante: A partire dall’osservazione di due oggetti conosciuti, si può iniziare a introdurre il concetto di densità, facendo riflettere i ragazzi sul fatto che non sempre maggiore volume significa anche maggiore massa. A questo proposito si possono moltiplicare gli spunti di riflessione, considerando fissa la variabile volume e modificando la densità. Per esempio, pesa di più un cucchiaio di acciaio o un cucchiaio di plastica? Un litro di aria o un litro di latte? Un litro di farina o un litro d’acqua? Le ipotesi potranno essere annotate e poi sottoposte a verifica sperimentale. Ma ciò sarebbe ancora vero se il limone fosse fatto di ferro?

Un altro confronto Questi due cubi hanno la stessa massa, ma volumi differenti: uno è di ferro e l’altro è di polistirolo. Per l’insegnante: In questo caso occorre ragionare tenendo fissa la variabile massa. Per esempio, si può chiedere: è più voluminoso un kilogrammo di farina o un kilogrammo di acqua? Un kilogrammo di gomma piuma o un kilogrammo di legno? Anche in questo caso si possono registrare le varie ipotesi, rimandando a una successiva verifica sperimentale.

La densità Queste differenze si spiegano perché materiali diversi hanno diversa densità. La densità è una grandezza fisica data dal rapporto tra la massa e il volume. d = m : V Viene espressa in kilogrammi su decimetro cubo (kg/dm3) o grammi su centimetro cubo (g/cm3). Per l’insegnante: Per far comprendere meglio il concetto di densità si suggerisce di iniziare dall’osservazione della fotografia. Si potrebbe domandare ai ragazzi perché, secondo loro, gli ingredienti della bevanda non si mescolano. Ogni ingrediente è formato da una sostanza diversa, ed è caratterizzato da una densità specifica. L’ingrediente con densità maggiore si dispone sul fondo, e così via via gli altri fino a quello con densità minore. Si suggerisce di far notare che le unità di misura della densità sono il rapporto di kg (unità della massa) e dm3 (unità del volume); infine, è opportuno anche far notare che la linea di frazione può essere indicata con il simbolo della sbarra / d = m/V

Qualche esempio SOLIDI Ferro 7,96 g/cm3 Oro 19,3 g/cm3 LIQUIDI Acqua 1 g/cm3 Olio di oliva 0,92 g/cm3 Per l’insegnante: I dati riportati nella slide possono essere spunto per una discussione: che cosa succede se versiamo dell’olio di oliva in un bicchiere pieno di acqua. Perché? Perché l’aria, che è fatta anche di anidride carbonica, ha una densità minore rispetto all’anidride carbonica stessa? Potrebbe essere interessante proporre ai ragazzi, come attività di approfondimento, di cercare i valori della densità di sostanze a loro familiari, per esempio il latte, l’alcol utilizzato per disinfettare, l’acqua del mare, il vetro, ecc. GAS Aria 0,0013 g/cm3 Anidride carbonica 0,00196 g/cm3

Come si presenta la materia La materia si può presentare in tre forme diverse, cioè in tre stati di aggregazione: Per l’insegnante: Si tratta di un concetto molto elementare, ma potrebbe essere utile fissarlo chiedendo ai ragazzi di portare esempi per ognuno dei tre stati di aggregazione. Inoltre, come spunto di approfondimento si potrebbe far riflettere i ragazzi sul fatto che una stessa sostanza può cambiare il suo stato di aggregazione a seconda delle condizioni in cui si trova. L’acqua, per esempio, è una sostanza molto particolare perché in natura si può trovare in tutti e tre gli stati di aggregazione. Oppure le rocce che, in condizioni normali si trovano allo stato solido, ma possono fondersi se portate a temperature molto elevate, come accade negli strati più profondi della Terra, o all’interno di un vulcano. Selezionando con il mouse la casella Visualizza il video, sarà possibile mostrare ai ragazzi una colata di lava. Le rocce che la formano normalmente sono solide, ma le temperature molto elevate presenti all’interno dei vulcani (dagli 800 °C ai 1200 °C) ne provocano la fusione. liquido gassoso solido Visualizza il video

Lo stato solido I solidi hanno una forma ben definita, un volume ben definito e non sono comprimibili. Per l’insegnante: Un approfondimento interessante potrebbe essere soffermarsi sulle diverse proprietà dei corpi: estensione: proprietà che un corpo ha di occupare spazio; impenetrabilità: lo spazio occupato da un corpo non può essere occupato contemporaneamente anche da un altro corpo; divisibilità: proprietà che hanno i corpi di poter essere suddivisi in parti più piccole; comprimibilità: proprietà dei corpi di subire variazioni di volume; elasticità: proprietà dei corpi di riprendere la forma iniziale quando viene a mancare la forza che agiva su di essi; plasticità: proprietà che i corpi hanno di conservare una deformazione. Uno spunto di ricerca potrebbe essere chiedere ai ragazzi di trovare, tra gli oggetti a loro più comuni, un corpo che descriva al meglio ciascuna delle proprietà descritte.

Lo stato liquido I liquidi hanno un volume definito, non sono comprimibili e non possiedono una forma definita. Per l’insegnante: Per comprendere meglio le proprietà di questi corpi potrebbe essere utile far notare ai ragazzi che un liquido assume la forma del recipiente che lo contiene fino a raggiungere un certo livello. Mentre la forma dipende dal recipiente, il livello raggiunto dipende dal suo volume. Per questo è comodo misurare la quantità di liquidi in litri (unità di volume). Uno spunto di approfondimento potrebbe essere svolgere l’attività proposta nella scheda 4, La densità nei liquidi contenuta nel volumetto Il mio Scienziario.

Lo stato gassoso I gas sono comprimibili: non hanno né una forma né un volume definiti, ma occupano tutto lo spazio che hanno a disposizione. Per l’insegnante: Per far comprendere meglio ai ragazzi che i gas sono realmente fatti di materia si possono sottolinearne altre proprietà, quali per esempio l’odore e il colore. A questo punto della lezione, inoltre, si potrebbe approfondire la differenza che esiste tra gas e vapori. I gas sono sostanze che a temperatura ambiente si trovano allo stato gassoso e, anche se vengono sottoposti a una fortissima compressione, non passano allo stato liquido. I vapori sono sostanze allo stato gassoso che a temperatura ambiente si possono trovare anche allo stato liquido. Come approfondimento dell’argomento si consiglia di svolgere l’attività proposta nella scheda 5, Sfida allo stato aeriforme contenuta nel volumetto Il mio Scienziario.

Riflettiamo insieme Che cosa possiamo definire come materia? Da che cosa dipende la densità di un corpo? Per l’insegnante: La discussione ha lo scopo di individuare e porre in rilievo quali sono le caratteristiche fondamentali della materia. L’obiettivo non è dunque verificare l’acquisizione delle conoscenze trasmesse nel corso della lezione: tale verifica potrà essere svolta stampando e distribuendo ai ragazzi il test allegato a questa lezione multimediale. Di seguito si fornisce una traccia delle possibili risposte ai quesiti della slide. Che cosa possiamo definire come materia? La materia non è solo quello che possiamo vedere, toccare, ma è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa. È materia non solo il libro che leggiamo, la penna che usiamo per scrivere, ma anche l’aria che respiriamo e che non possiamo toccare. Da che cosa è data la densità di un corpo? La densità è il rapporto tra la sua massa e il suo volume e dipende da vari fattori. Perché non posso comprimere l’acqua? L’acqua non si può comprimere perché è un liquido e come tale ha un volume proprio. Perché non possiamo comprimere l’acqua?