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Università degli studi di Trento
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
Corso di aggiornamento “Il Tè degli Insegnanti”
area FISICA ‐ classi A038 e A049 per l’anno scolastico 2008/09 prof. Gabriele Calzà C
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Promosso dall’Università degli studi di Trento a cura del Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche “λCOSФ” con la collaborazione del liceo “Galilei” di Trento e del Museo Tridentino di Scienze Naturali prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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ESP. 2/A 2. PRESSIONE E DENSITÀ a) “VALVOLA SU TAPPO BOTTIGLIE PET” Valvola di bicicletta applicata al tappo di una bottiglia in PET Materiali: ‐ un tappo con relativa bottiglia in PET (dimensioni a seconda dello scopo) ‐ una valvola per bicicletta con relativi rondella e dado di bloccaggio ‐ (eventuale) un dischetto di gomma di camera d’aria o di palloncino di diam. 1,5 ÷ 2 cm circa Attrezzatura: ‐ trapano con punta di diam. 7 mm (per la vite larga della valvola) ‐ forbice ‐ chiave inglese n. 9 o pinza Procedura (tempo stimato 5 min.) ‐ Bucare nel centro sia il tappo (con il trapano) che l’eventuale dischetto di gomma (con la forbice); ‐ appoggiare il dischetto o la guarnizione sul lato più liscio del tappo; ‐ infilare la valvola con la punta verso l’esterno, inserire rondella e dado e stringere (attenzione: spesso questo dado si avvita al rovescio rispetto ai filetti ordinari). Il tappo ora è pronto per essere usato con la bottiglia. prof. Gabriele Calzà
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ESP. 2/B 2. PRESSIONE E DENSITÀ b) “PESARE L’ARIA NELL’ARIA” Apparato artigianale per la pesatura dell’aria
Materiali: ‐ 2 bottiglie in PET grandi (da 1,5 o 2 litri), una di esse dotata di tappo con valvola da bicicletta ‐ un asta di legno rettangolare di circa 70 ÷ 80 cm di lunghezza e circa 1 cm di spessore ‐ un astina di legno rettangolare di circa 20 cm e circa 1 cm di spessore ‐ 2 chiodi corti uguali (2 cm circa), 1 chiodo lungo (5 cm circa) con capocchia piccola (tipo muro) ‐ 2 mollette da bucato ‐ morsetto o pesi. ‐ mezzo metro di filo di nylon o filo da cucito ‐ pompa da bicicletta (ordinaria) ‐ pipetta, o contagocce da medicinale o siringa con ago Attrezzatura: ‐ trapano con punta di diametro di poco maggiore (della capocchia) del chiodo lungo Costruzione (tempo stimato 45 min.) ‐ Bucare l’asta lunga a metà lunghezza, ma leggerissimamente fuori asse (in modo che il baricentro possa trovarsi sotto il punto di sospensione) e piantare i due chiodi corti alle estremità o in testa, anch’essi leggermente fuori asse, ma dal lato lungo opposto a quello del buco centrale (stesso motivo). ‐ piantare il chiodo lungo in testa all’asta corta: sarà il fulcro della bilancia. Montaggio e funzionamento (tempo stimato 45 min.) ‐ Bloccare con il morsetto o con i pesi l’asta corta al tavolo, in modo che sporga l’estremità con il chiodo; ‐ infilare l’asta lunga nel chiodo e lasciarla libera: raggiungerà un equilibrio spontaneamente; ‐ appendere le due bottiglie ai chiodi, una col tappo munito di valvola e l’altra aperta e bilanciare i pesi differenti usando le mollette come cavalieri, in modo che l’asta si arresti il più orizzontale possibile. La bilancia è pronta per l’uso. ‐ Preliminarmente, pesare su una bilancia di precisione un certo numero di gocce d’acqua (es. 20, ma anche di più se la risoluzione della bilancia lo richiede), in modo da conoscere il peso medio (la massa media) di una singola goccia d’acqua: questa sarà la nostra unità di misura per il peso (massa) dell’aria. ‐ a questo punto immettere un certo numero di pompate di aria nella bottiglia (ad es. 5) e riappenderla: la bilancia rivela inequivocabilmente che la bottiglia con l’aria compressa pesa di più. ‐ riequilibrare la bilancia CONTANDO le gocce d’acqua lasciate cadere nella bottiglia più leggera: il peso (la massa) delle gocce d’acqua necessarie al bilanciamento corrisponde al peso (alla massa) dell’aria immessa con la pompa. ‐ ripetere i due punti precedenti con un numero crescente di pompate, così da raccogliere l’andamento a diverse pressioni. I dati raccolti in un grafico dovranno mostrare una legge lineare del peso (della massa) verso il numero di pompate. NOTA: Le gocce sono “quanti” di peso; può succedere perciò che una goccia in più sia troppo e una in meno sia poco: in questo caso si può prendere un valore a metà oppure si sceglie dei due casi quello più vicino all’equilibrio. A proposito, qual è l’incertezza che dobbiamo attribuire alle nostre misure? prof. Gabriele Calzà
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ESP. 2/C 2. PRESSIONE E DENSITÀ c) “NEBBIA IN BOTTIGLIA” Nebbia in bottiglia (ottenuta con il 2° metodo) VERSIONE N. 1 (con pompa e valvola nel tappo) Materiali: ‐ 1 bottiglia in PET da 1/2 litro, il più trasparente possibile, con tappo dotato di valvola ‐ pompa da bicicletta (ordinaria) ‐ fiammifero o pezzettini di carta da bruciare con accendino Procedura (tempo stimato 5 min.) ‐ A bottiglia asciutta, immettere circa 10 ÷ 15 pompate di aria, dopodiché sfiatare il più rapidamente possibile il tappo, osservando l’eventuale formazione di nebbia; ‐ ripetere l’operazione precedente soffiando prima nella bottiglia, notando eventuali differenze; ‐ riprovare una terza volta dopo aver spento all’interno della bottiglia un fiammifero o dei pezzetti carta infiammati (l’importante è intrappolare del fumo). In quale caso si è formata più nebbia? VERSIONE N. 2 (senza pompa né valvola) Materiali: ‐ 1 bottiglia in PET da 1/2 litro, il più trasparente possibile, con tappo ordinario ‐ 1/2 bustina di polvere per gasare l’acqua (Frizzina, Idrolitina... o equivalenti) ‐ fiammifero o pezzettini di carta da bruciare con accendino ‐ un po’ d’acqua Procedura (tempo stimato 5 min.) ‐ Coprire il fondo della bottiglia con circa mezzo centimetro d’acqua, versare metà della polvere, chiudere bene e agitare leggermente; ‐ dopo aver atteso qualche minuto, sfiatare il più rapidamente possibile il tappo, osservando l’eventuale formazione di nebbia; ‐ ripetere le operazioni ai due punti precedenti dopo aver spento all’interno della bottiglia un fiammifero o dei pezzetti carta infiammati (l’importante è intrappolare del fumo). In quale caso si è formata più nebbia? Funzionamento Inizialmente l’aria nella bottiglia è in pressione; la repentina decompressione all’apertura (assimilabile ad un’espansione adiabatica) ne causa il brusco raffreddamento e il vapore acqueo che è presente condensa in piccole goccioline di liquido. La nebbia si forma in quantità molto maggiore se sono presenti delle impurità, che agiscono da nuclei di condensazione (CCN ‐ Cloud Condensation Nuclei, in inglese): la loro superficie funge da centro catalizzatore per la coalescenza delle molecole d’acqua. Da notare anche il riscaldamento della bottiglia durante il pompaggio (nella versione 1) dovuto alla compressione dell’aria (si sente molto bene tenendola per il collo), e il raffreddamento durante l’apertura (in entrambe le versioni). La reazione della polverina, invece, è endotermica (l’acqua si raffredda alquanto). prof. Gabriele Calzà
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ESP. 2/D 2. PRESSIONE E DENSITÀ d) “POMPA DA BICICLETTA PER VUOTO” Pompa da bicicletta modificata per aspirare, e primo piano dello stantuffo invertito Materiali: ‐ una pompa da bicicletta (con pistoncino svitabile) Attrezzatura: ‐ cacciavite (per la vite che fissa il pistoncino) ‐ seghetto per il ferro ‐ (facoltativi) pinza o giratubi Procedura (tempo stimato 10 min.) ‐ Svitare la ghiera di fine‐corsa ed estrarre completamente lo stantuffo; ‐ staccare il pistoncino a tenuta svitando la vite che lo fissa allo stantuffo e rimontarlo invertito: può essere necessario limare il disco di plastica, che originariamente sosteneva la “schiena” del pistoncino, affinché il lato aperto del pistoncino possa stringersi. ‐ svitare la parte terminale e rimuovere l’estremità e il sovra‐cilindro corto; ‐ segare il tubo vicinissimo all’estremità, in modo da liberare completamente la “bocca”, che accoglierà un tappo‐valvola per vuoto (valvola rivolta all’interno della pompa); ‐ rimontare il resto della pompa. Funzionamento La pompa ora aspirerà invece di gonfiare. Va abbinata al tappo‐valvola per vuoto del punto successivo (le valvole da bicicletta usate rovesce non funzionano bene). ESP. 2/E 2. PRESSIONE E DENSITÀ e) “TAPPO‐VALVOLA PER VUOTO” Valvola artigianale per vuoto: la parte con la linguetta va rivolta dal lato della pompa aspirante Materiali: ‐ due tappi di gomma conici bucati, uno che si adatti al contenitore, l’altro alla pompa per vuoto ‐ un raccordo per tubi di gomma, che faccia tenuta nei tappi ‐ un pezzetto di circa 1,5 cm2 di gomma da camera d’aria ‐ colla istantanea (tipo Attack...) ‐ 1 contenitore trasparente con coperchio a tenuta bucato nel centro Attrezzatura: ‐ Trapano con punta diam. 6 mm circa o fustella lunga (per bucare i tappi) Procedura (tempo stimato 15 min.) ‐ Bucare i tappi e incollare il pezzetto di gomma sul lato del tappo da infilare nella pompa, in modo che copra il buco con la parte non incollata; ‐ collegare fra loro i due tappi usando il raccordo e fissarli alle rispettive destinazioni. Il sistema è pronto. Va usato in combinazione con la pompa per vuoto, realizzata al punto precedente. prof. Gabriele Calzà
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ESP. 2/F 2. PRESSIONE E DENSITÀ f) “DIAVOLETTO DI CARTESIO” Diavoletto di Cartesio realizzato con una lampadina bucata Materiali: ‐ una bottiglia di vetro trasparente, meglio se alta e stretta, con tappo sintetico o sughero ‐ una fialetta vuota per medicina o per aromi alimentari, oppure qualcosa di analogo (forato) ‐ acqua ‐ (facoltativa) una siringa da insulina con ago Attrezzatura: ‐ bicchiere Procedura (tempo stimato 15 min.) ‐ Riempire parzialmente di acqua la fialetta (la siringa può essere di aiuto) in modo che, immersa capovolta nell’acqua, galleggi appena (fare le prove nel bicchiere); ‐ riempire d’acqua la bottiglia, lasciando circa 1 ÷ 2 centimetri d’aria al collo; ‐ inserire la fialetta capovolta e tappare. Funzionamento Premendo il tappo la fialetta affonda, rilassando il tappo essa risale (regolare il livello d’acqua nella bottiglia e/o nella fialetta, per ottimizzare l’effetto). Perché succede questo? MISSION IS POSSIBLE? Posizionare il tappo in modo che la fialetta resti ferma indefinitamente a metà strada... prof. Gabriele Calzà
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