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5 esperimenti da scoprire insieme in famiglia o a scuola

17 Febbraio 2021

5 esperimenti da scoprire insieme in famiglia o a scuola

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Per ragazzi e ragazze, il primo approccio alla scienza può – e deve – essere divertente, creativo, fresco e interessante. Ecco cinque esempi di come imparare giocosamente altrettanti concetti scientifici.

I 5 esperimenti

  1. La pressione atmosferica
  2. L’assenza apparente di peso
  3. La tavola periodica
  4. Le brezze di mare e di terra
  5. La prima legge della dinamica: il principio di inerzia

1. La pressione atmosferica

Un’atmosfera è uno strato di gas che avvolge un pianeta o una luna. Anche se l’atmosfera terrestre si estende per 10 mila chilometri nello spazio, gran parte dell’aria si trova nei primi 16 chilometri dalla superficie.

La pressione atmosferica è il peso che l’aria esercita su una superficie. La pressione è una forza che esercita una spinta verso il basso in una determinata area. Al livello del mare, la pressione dell’aria è di circa 1,033 kg per centimetro quadrato (1 atmosfera).

Equivale a circa una tonnellata d’aria che esercita una pressione sul tuo corpo. L’aria non ti schiaccia perché i gas contenuti nel tuo corpo esercitano a loro volta una spinta in senso contrario. Dato che le molecole d’aria si muovono in tutte le direzioni, l’aria esercita una spinta su di te e su tutto quanto si trova sulla Terra in ogni direzione.

Prova tu

Materiali

  • puntina da disegno
  • bottiglia di plastica vuota da 1 litro completa di tappo
  • nastro adesivo di carta (o nastro telato)
  • acqua di rubinetto
  • teglia a bordi bassi
  • aiutante

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Procedimento

Prepara la bottiglia secondo le istruzioni qui di seguito.

  1. Con la puntina, fai due fori nella bottiglia, uno verso il fondo e uno nella parte alta.
  2. Copri i due fori con due pezzetti di nastro adesivo.
  3. Riempi la bottiglia d’acqua per tre quarti. Il livello dell’acqua deve trovarsi sotto il foro che hai fatto nella parte alta della bottiglia. Chiudi la bottiglia con il tappo.
  4. Tieni la bottiglia sopra la teglia e chiedi a un aiutante di togliere il pezzo di nastro adesivo che copre il foro praticato sul fondo.
  5. Chiedi al tuo aiutante di rimuovere l’altro pezzo di nastro adesivo che copre il foro nella parte alta della bottiglia.

Preparazione della bottiglia per l’esperimento

Preparazione della bottiglia per l’esperimento.

Spiegazione

La pressione dell’aria nella bottiglia chiusa equivale alla pressione dell’aria all’esterno della bottiglia. L’acqua non è uscita dal foro praticato sul fondo della bottiglia tappata perché era come se fosse stata rivestita da una pellicola d’acqua. Questo rivestimento è dovuto alla tensione superficiale provocata dalle forze di attrazione tra le molecole d’acqua in superficie e quelle circostanti. La pressione dell’aria all’interno della bottiglia non era sufficiente a spingere l’acqua fuori dal foro.

Bottiglia piena, forata, con i fori tappati; siamo pronti per cominciare

Bottiglia piena, forata, con i fori tappati; siamo pronti per cominciare.

Inoltre, l’acqua non può uscire se non può entrare aria. La perdita di acqua farebbe uscire anche dell’aria, riducendo la pressione.

Togliendo il nastro adesivo dal foro sulla parte alta della bottiglia l’aria esterna è potuta entrare, rendendo uguale la pressione fuori e dentro la bottiglia. A questo punto, mentre l’acqua esce l’aria entra.

L’acqua esce dalla bottiglia solo se apriamo entrambi i fori. Poco intuitivo, ma c'è una ragione

L’acqua esce dalla bottiglia solo se apriamo entrambi i fori. Poco intuitivo, ma c’è una ragione.

Sfida

Sai spiegare perché bere con la cannuccia dipende dalla pressione atmosferica?

Pensa!

  • Quando mettiamo una cannuccia in un liquido, questo la risale ed esce automaticamente? No.
  • Non è corretto dire che succhiamo un liquido attraverso la cannuccia. Tecnicamente, il liquido raggiunge la nostra bocca a causa della pressione dell’aria che spinge verso il basso la superficie del liquido.
  • In primo luogo, bisogna fare spazio al liquido; ciò significa che bisogna rimuovere l’aria presente nella cannuccia e nella tua bocca. Quindi quando succhi stai togliendo l’aria, proprio così.
  • Poi, la differenza di pressione tra l’interno della cannuccia e la tua bocca e la pressione dell’aria che spinge sul liquido fa in modo che questo risalga lungo la cannuccia, fino alla tua bocca.

Torna all’inizio.

2. L’assenza apparente di peso

Il peso è la misura della spinta verso il basso esercitata su un corpo dalla forza di gravità della Terra. Una vera e propria assenza di peso si avrebbe in totale assenza di gravità, che al momento non è possibile. Ma la sensazione di essere senza peso si prova quando si è in caduta libera, per esempio quando ci si trova su un ottovolante. Questa sensazione è detta assenza apparente di peso e interessa tutti i corpi in caduta libera.

Sull'ottovolante sembra di avere peso nullo; un’illusione che stiamo per tradurre in esperimento

Sull’ottovolante sembra di avere peso nullo; un’illusione che stiamo per tradurre in esperimento.

Prova tu

Materiali

  • matita appuntita
  • bicchiere di carta
  • acqua di rubinetto
  • smartphone
  • aiutante

Come preparare il bicchiere

Come preparare il bicchiere.

Procedimento

  1. Questa è un’attività da svolgere all’aperto, perché l’acqua potrebbe schizzare e bagnarti.
  2. Con l’aiuto della matita, fai un foro sul lato del bicchiere, vicino al fondo.
  3. Copri il buco con un dito e riempi il bicchiere d’acqua.
  4. Solleva il bicchiere più in alto possibile, con il foro rivolto lontano da te.
  5. Chiedi al tuo aiutante di tenersi pronto a usare lo smartphone per filmare il bicchiere quando lo lascerai andare.
  6. Fai cadere il bicchiere.
  7. Ripeti più volte l’esperimento in modo da avere più video da osservare.
  8. Adesso osserva i video del bicchiere che cade. Interrompi i video per osservare il foro nel bicchiere prima che questo tocchi terra.

Posizione di partenza. Al momento opportuno il bicchere verrà lasciato cadere

Posizione di partenza. Al momento opportuno il bicchere verrà lasciato cadere.

Spiegazione

L’acqua non dovrebbe fuoriuscire dal foro mentre il bicchiere è in caduta libera perché l’acqua e il bicchiere cadono con la stessa accelerazione. L’acqua e il bicchiere sono entrambi soggetti ad assenza apparente di peso perché su di essi non viene esercitata nessuna forza di sostegno. Mentre sono in caduta libera, l’acqua dovrebbe restare all’interno del bicchiere.

L'esperimento nella sua parte cruciale

L’esperimento nella sua parte cruciale.

Sapevi che gli astronauti in orbita non sono senza peso? È vero. Gli astronauti sono solo soggetti ad assenza apparente di peso.

Sfida

Sai spiegare perché gli astronauti in orbita non sono senza peso?

Pensa!

Esistono due modi per provare questa sensazione di assenza di peso:

  • uno è effettivamente non subire alcuna forza di gravità. Al momento, anche nello spazio
  • profondo la forza di gravità c’è, anche se ridotta;
  • l’assenza apparente di peso è la sensazione di non avere peso mentre si è in caduta libera.

L'assenza di peso degli astronauti in orbita è apparente

L’assenza di peso degli astronauti in orbita è apparente.

Mentre orbita intorno alla Terra, un’astronave e tutto ciò che contiene sta cadendo alla stessa velocità, proprio come l’acqua nel bicchiere. Gli astronauti non sono senza peso, ma sia loro sia la navicella spaziale, sono in caduta libera attorno alla Terra, e dunque provano questa sensazione di assenza apparente di peso. È una caduta libera continua.

Torna all’inizio.

3. La tavola periodica

La tavola periodica degli elementi comprende 118 elementi, 94 dei quali si trovano in natura, mentre i rimanenti 24 sono elementi di sintesi. A ogni elemento è stato assegnato un numero specifico, detto numero atomico, in base al quale gli elementi vengono ordinati all’interno della tavola.

Le righe della tavola periodica sono dette periodi e sono numerate da 1 a 7; in ciascuna riga, gli elementi sono disposti da sinistra a destra per numero atomico crescente.

Le colonne della tavola sono dette gruppi o famiglie e sono numerate da 1 a 18. A volte, la tavola periodica è colorata, a indicare la posizione dei principali tipi di elementi; ciascun tipo di elemento rientra all’interno di un’area che può comprendere più periodi e gruppi. I metalli sono solidi generalmente duri, ma facili da piegare o da trasformare in fili. I non metalli sono solidi generalmente opachi e con caratteristiche opposte a quelle dei metalli.

Prova tu

Materiali

  • foglio di carta millimetrata
  • penna
  • righello
  • pennarelli colorati

Procedimento

Utilizzando come esempio la figura seguente, crea la tua tavola periodica disegnando le caselle sulla carta millimetrata, poi numera periodi e gruppi come mostrato. Conserva e usa la tua tavola periodica per altre attività.

Utilizzando come riferimento i numeri della figura, numera tutte le 118 caselle della tua tavola periodica. Ricorda, i numeri aumentano da sinistra a destra in tutte le righe.

Impostazione di una tavola periodica fai-da-te

Impostazione di una tavola periodica fai-da-te.

Stavolta, usa come esempio la prossima figura per colorare le nove sezioni della tavola periodica. Non importa che colori usi, per esempio potresti scegliere:

Colorare la tavola periodica ne migliora la leggibilità

Colorare la tavola periodica ne migliora la leggibilità.

  • viola (gruppo 1): metalli alcalini; metalli molto reattivi.
  • blu (gruppo 2): metalli alcalino terrosi; più reattivi di altri metalli, ma meno rispetto ai metalli alcalini.
  • verde chiaro (gruppi da 3 a 12): metalli di transizione; hanno una struttura atomica diversa rispetto agli altri metalli.
  • giallo: metalli di base.
  • rosso: semimetalli; hanno caratteristiche proprie dei metalli e dei non metalli.
  • verde scuro: non metalli di base; il gruppo 17 comprende i gas alogeni, che sono i non metalli più reattivi.
  • rosa (gruppo 18): gas nobili; reattivi in determinate condizioni.
  • azzurro (periodo 6, elementi da 57 a 70): serie dei lantanoidi; occupano una posizione a parte perché hanno una struttura fisica atomica diversa.
  • arancione (periodo 7, elementi da 89 a 102): serie degli attinoidi; occupano una posizione a parte perché hanno una struttura fisica atomica diversa.

Aggiungi alla tavola una legenda per spiegare i colori usati.

Spiegazione

I vari tipi di elementi della tavola periodica sono stati identificati. La tavola contiene più metalli di qualsiasi altro tipo di elemento. I non metalli sono elencati sul lato destro della tavola periodica. Lungo la riga rossa a zig-zag si trovano i semimetalli, che hanno proprietà tipiche dei metalli e dei non metalli. In pratica, i semimetalli separano i metalli dai non metalli.

Sfida

Usando la tavola periodica che hai preparato, riesci a stabilire che tipo di elemento sia il litio (Li), numero 3?

Pensa!

  • L’elemento numero 3 si trova nel gruppo 1 della tavola periodica.
  • Aiutandoti con la legenda della tua tavola periodica, identifica il tipo di elementi che appartengono al gruppo 1.
  • A eccezione dell’elemento numero 1, l’idrogeno (H) – che è un gas – tutti gli elementi del gruppo 1 della tavola periodica sono metalli alcalini solidi.
  • Il litio (Li) è un metallo alcalino.

Torna all’inizio.

4. Le brezze di mare e di terra

Le brezze di mare e di terra sono dovute alle correnti di convezione termica dell’aria sopra la terra e il mare. Come mostrato nella figura seguente, durante il giorno il Sole fornisce energia che scalda sia il mare sia la terra. Tieni presente che durante il giorno, l’aria che si trova sopra la terra sale verso l’alto, mentre quella che si trova sopra l’acqua scende verso il basso. L’aria che sale dalla terra verso l’alto produce un’area di bassa pressione, mentre l’aria che dall’acqua scende verso il basso produce un’area di alta pressione. Le masse di aria si spostano da un’area di alta pressione a una di bassa pressione. Quindi, l’aria più fresca che si trova sopra l’acqua si sposta verso la terra. Questo movimento delle masse d’aria in senso orizzontale è detto vento o meglio, in questo caso, dato che ha origine dal mare, parleremo di brezza di mare.

La brezza è tutta una questione di differenze di calore

La brezza è tutta una questione di differenze di calore.

Di notte il ciclo è invertito: l’aria sopra la terra è più fresca di quella che si trova sopra l’acqua. La direzione della brezza, dunque, è all’inverso: si sposta dalla terra verso l’acqua ed è chiamata brezza di terra. Il motivo della differenza tra la temperatura a terra e quella in acqua è la cosiddetta capacità termica, cioè la quantità di energia necessaria per modificare di un grado la temperatura di un grammo di una data sostanza. L’acqua ha una capacità termica superiore a quella della terra. Quindi, per aumentare la temperatura dell’acqua ci vuole più energia rispetto alla terra, e al contrario, per abbassare la propria temperatura l’acqua deve perdere molta più energia rispetto alla terra.

Prova tu

Materiali

  • 2 bicchieri di plastica
  • 63 mL d’acqua
  • 2 termometri
  • un freezer
  • 63 mL di terriccio

Procedimento

ATTENZIONE. Usa i termometri con cautela, perché si possono rompere.

Metti un termometro in ciascun bicchiere.

In uno dei bicchieri versa acqua sufficiente a coprire il bulbo del termometro.

cqua, terra, termometri e impegno per annotare gli esiti dell'esperimento

Acqua, terra, termometri e impegno per annotare gli esiti dell’esperimento.

Nell’altro bicchiere metti tanto terriccio quanto te ne serve per arrivare allo stesso livello dell’acqua.

Leggi e registra in una tabella dei dati come quella mostrata in figura la temperatura iniziale sia del terriccio sia dell’acqua. Non è necessario che abbiano la stessa temperatura.

Perdita di calore: confronto tra acqua e terriccio

Elemento Temperatura iniziale (Ti) Temperatura finale (Tf) Temperatura, variazione (TΔ)
Acqua
Terriccio

Metti i due bicchieri in freezer per almeno 30 minuti.

Poi toglili dal freezer e leggi e registra immediatamente nella tabella dei dati la temperatura finale dell’acqua e del terriccio.

Calcola la variazione di temperatura di ciascun bicchiere facendo la differenza tra temperatura iniziale e finale. L’equazione per eseguire questo calcolo è:

TΔ =Tf –Ti

Usando i risultati ricavati, stabilisci quale delle due sostanze ha la capacità termica maggiore.

Spiegazione

In genere, il terriccio si raffredda più in fretta dell’acqua. Questo perché l’acqua, per abbassare la propria temperatura, deve perdere più calore rispetto al terriccio. L’acqua ha la capacità termica più elevata rispetto ad altre sostanze comuni.

Le brezze create sulla riva di un oceano sono dovute alle differenze di pressione atmosferica. Quando l’aria che staziona sopra una superficie calda si alza, la quantità di aria che preme sulla superficie diminuisce, quindi si forma un’area di bassa pressione. E quando l’aria si abbassa verso una superficie calda succede il contrario, e si forma un’area di alta pressione. L’aria proveniente dall’area di alta pressione si sposta verso l’area di bassa pressione, producendo vento.

Sfida

Guarda la prossima figura. Immagina che dal comignolo esca del fumo. Riesci a prevedere in che direzione andrà?

Brezza di mare o di terra?

Brezza di mare o di terra?

Pensa!

  • Dato che c’è la Luna possiamo intuire che è notte.
  • Senza il riscaldamento del sole, la terra e l’acqua del mare iniziano a raffreddarsi.
  • L’acqua si raffredda più lentamente della maggior parte delle sostanze, quindi la terra si raffredda più velocemente.
  • L’aria che si trova sopra l’acqua è calda e sale, creando un’area di bassa pressione.
  • L’aria più fredda che si trova sopra la terra scende, creando un’area di alta pressione.
  • L’aria dell’area di alta pressione proveniente dalla terra si sposta verso l’area di bassa pressione sopra il mare. Il fumo del caminetto andrà verso l’acqua.

Torna all’inizio.

5. La prima legge della dinamica: il principio di inerzia

La prima legge della dinamica di Newton spiega in che modo l’inerzia di un corpo influisce sul modo in cui reagisce a una forza. L’inerzia è una proprietà per cui la materia oppone resistenza a qualsiasi cambiamento di velocità. A velocità zero, un corpo si trova in uno stato di quiete, e vi rimane finché dall’esterno non interviene su di esso una forza netta. Se il corpo è in movimento a velocità costante e non ci sono forze opposte a questo movimento, continuerà a muoversi a velocità costante finché dall’esterno non interverrà su di esso una forza netta.

Maggiore è la massa di un corpo e maggiore sarà la sua inerzia. Massa e inerzia non sono la stessa cosa, ma sono strettamente correlate. Per esempio, se la massa di un oggetto raddoppia, anche la sua inerzia raddoppia. Di conseguenza, per modificare lo stato dinamico di questo oggetto servirà il doppio della forza.

Prova tu

Materiali

  • bottiglia di plastica vuota da 1 L completa di tappo
  • acqua di rubinetto
  • foglio di carta bianca
  • tovagliolino di carta

Procedimento

Stendi il foglio di carta sul tavolo facendo in modo che parte di esso oltrepassi il bordo.

Appoggia la bottiglia vuota su un’estremità del foglio.

Afferra l’altra estremità e tirala rapidamente verso di te. L’obiettivo è tirare via il foglio da sotto la bottiglia senza farla cadere. Osserva eventuali movimenti o spostamenti della bottiglia.

Riesci a sfilare il foglio senza fare cadere la bottiglia vuota?

Riesci a sfilare il foglio senza fare cadere la bottiglia vuota?

Riempi d’acqua la bottiglia e chiudila con il tappo.

Asciugala bene con il tovagliolino di carta, quindi appoggiala nuovamente sul foglio come prima.

Riprova a tirare via il foglio.

Riesci a sfilare il foglio senza fare cadere la bottiglia piena?

Riesci a sfilare il foglio senza fare cadere la bottiglia piena?

Spiegazione

Tirare via il foglio da sotto la bottiglia senza farla cadere è più facile quando questa ha una massa maggiore, perché massa e inerzia sono direttamente collegate: un aumento della massa equivale a un aumento dell’inerzia. Quando il foglio è stato tirato via rapidamente, la bottiglia piena (massa maggiore) è rimasta ferma perché aveva un’inerzia sufficientemente grande da non subire lo spostamento del foglio.

Sfida

Sai spiegare cosa succederebbe se il cerchio di plastica della prossima figura venisse tolto rapidamente?

Bisogna ragionare pensando all'inerzia…

Bisogna ragionare pensando all’inerzia…

Pensa!

  • La materia possiede una massa e occupa uno spazio. Di conseguenza, la materia è dotata di inerzia.
  • Secondo la prima legge della dinamica, l’inerzia è definita come la tendenza della materia a permanere nel proprio stato di quiete o di moto. Quindi, gli oggetti che si trovano in uno stato di quiete, come il pennarello, tendono a rimanerci.
  • Se ha un’inerzia sufficientemente grande da non subire lo spostamento del cerchio, quando questo viene tolto rapidamente il pennarello cadrà dentro la bottiglia.
  • Il pennarello cade in linea retta perché subisce la forza di gravità.

Torna all’inizio.

Questo articolo richiama contenuti da Il libro degli esperimenti.

Immagine di apertura di Alexas_Fotos su Unsplash.

L'autore

  • Janice VanCleave
    Janice VanCleave è un'insegnante di scienze autrice di oltre 50 libri che hanno venduto più di due milioni di copie in tutto il mondo. Creatrice del popolare sito web VanCleave's Science Fun, ha assistito migliaia di studenti e docenti in tutto il mondo aiutandoli nell'apprendimento e nell'insegnamento delle scienze.

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