“Faccio, gioco… comprendo”

“Faccio, gioco… comprendo”
Angela Turricchia
laboratorio della mostra di astronomia
“Dal Cielo all’Universo. Il messaggio della Luce”
costruzioni e suggerimenti per insegnanti
Anno scolastico 2003-2004
Nelle pagine seguenti sono descritte le costruzioni relative agli strumenti che
hanno costituito la parte fondamentale dei laboratori “Faccio, gioco…
comprendo” collegati alla mostra “Dal Cielo all’Universo. Il messaggio della
Luce” allestita a Strà (VE) nel periodo 23 Marzo 2004 – 17 Ottobre 2004.
Nell’ideare il laboratorio ho tenuto conto del contesto della mostra e quindi del
filo conduttore della mostra stessa: la luce.
Proprio per questo ho scelto la
costruzione dei due strumenti
precedentemente descritti per analizzare la luce proveniente dai corpi celesti.
Col cannocchiale raccogliamo la forma esterna del corpo celeste, con lo
spettroscopio scomponiamo la luce e quindi la interpretiamo (questo strumento
era anche presente fisicamente all’interno della mostra). Tra gli altri motivi,
quando i ragazzi guardano all’interno dello spettroscopio costruito vedono
anche la fenditura attraverso cui passa la luce e quindi sono visibili i due
fenomeni contemporaneamente.
Ho scelto anche di “far costruire” gli stessi strumenti a tutte le classi
indipendentemente dal livello scolastico in quanto ho ritenuto che importante
fosse non tanto la costruzione, ma il calarla nel contesto educativo degli
studenti. Per questo si è rivelata importante la scelta degli animatori che
dovevano comprendere “al volo” le necessità delle singole classi e quindi come
proporre gli argomenti e fino a che punto spingere gli approfondimenti. Un
compito sicuramente non facile soprattutto tenendo conto dei tempi
ristrettissimi concessi per ogni singolo intervento. In questa ottica perciò sono
state scelte e appositamente preparate le persone che hanno svolto i
laboratori: due laureate1 una in Astronomia e una in Scienze della Formazione
Primaria e che avevano già collaborato con me e tra di loro. Questo ha
permesso la costituzione di un team affiatato consentendomi di rimanere
all’esterno dell’esperienza con le classi per mantenere un ruolo di
coordinamento, di controllo e di discussione sia in itinere che a fine esperienza.
Mi è stato facile quindi intervenire immediatamente in momenti di difficoltà e
tamponare eventuali richieste degli insegnanti. Per verificare che lo
svolgimento dei laboratori fosse sempre di buon livello ho effettuato telefonate
personali a campione ad alcune scuole che avevano partecipato all’esperienza.
Lo stretto collegamento mostra-laboratorio si è rivelato sicuramente vincente:
il fare riferimento a quanto visto nella mostra per poi rielaborarlo ha permesso
che ci fosse un consolidamento di alcune
informazioni attraverso la
costruzione pratica.
Il proposito di dare concretezza alla mostra e di lasciare suggerimenti didattici
che gli insegnanti potessero poi rielaborare e/o approfondire oltre il momento
della visita, è stato ampiamente raggiunto anche grazie agli strumenti di lavoro
che hanno accompagnato lo svolgimento dei laboratori. Alle animatrici è stata
richiesta la compilazione di una scheda (Scheda 1) sulla conduzione dei
1
Paola Zorzi- laureata in Astronomia con tesi in didattica
Marianne Morelli- laureata in Scienze della Formazione Primaria (major scientifico).
laboratori, agli insegnanti partecipanti una scheda di valutazione del
laboratorio (Scheda 2) inviatemi per posta elettronica a termine giornata.
Oltre gli strumenti delle pagine precedenti, erano stati ideati anche due giochi
che potevano costituire un momento ulteriore di approfondimento qualora le
animatrici avessero ritenuto importante e temporalmente possibile il loro
utilizzo.
In realtà i tempi limitati non ne hanno permesso l’uso nonostante fossero stati
ampiamente testati precedentemente.
L’attività realizzata ha interessato un centinaio di classi così suddivise: 40
elementari, 34 medie e 25 superiori, per un totale di circa 2000 studenti.
Costruzione di un cannocchiale2
Il cannocchiale è il tipico strumento da “astronomi” che permette di raccogliere la luce
(radiazione elettromagnetica visibile). La luce proveniente da un corpo celeste entra nella
lente, attraversa il tubo del cannocchiale, esce dalla lente sulla parte opposta dove viene
raccolta dall’occhio dell’osservatore. L’obiettivo è proprio quello di osservare il cielo con un
semplice strumento e contemporaneamente avvicinare i ragazzi alle prime leggi dell’ottica
geometrica.
Materiali occorrenti:
•
•
•
•
•
2
due tubi di cartone lunghi circa 70 cm e di diametro di circa 62 mm
(può essere utilizzato il cartone che serve per tenere raccolte tele o
tessuti);
una lente da occhiali da 1.5 diottrie e diametro 6 cm (questa ha una
distanza focale 1/1,5 cioè circa 66 cm) che costituirà l’obiettivo;
una lente di circa 2 cm di distanza focale (può essere l’obiettivo di una
macchina fotografica usa e getta dopo essere stata utilizzata). Questa
lente costituirà la lente dell’oculare;
un pezzo di canalina da elettricista cilindrica (o un tubo di cartone) di
circa 20 cm di lunghezza e diametro 2 cm;
un taglierino; una riga, una matita, un po’ di colla e di nastro adesivo
nero.
L’idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica (www.polare.it
modulo 3) quando lavorando con i bambini si rese necessaria la semplice costruzione di un cannocchiale che servisse
per una prima osservazione. Nella Scheda 1 sono presenti suggerimenti per gli insegnanti che desiderino ripercorrere
questa esperienza. L’idea della lente da macchina fotografica è stata presa da
http://www.funsci.com/fun3_it/cann/cann.htm#1 .
A. Costruzione del corpo del cannocchiale:
Uno dei due tubi da 70 cm costituirà il corpo del cannocchiale, l’altro invece servirà per
costruire delle ghiere da inserire all’interno per tenere ferma la lente. Per fare questo basta
tagliarne due pezzi di 3-4 cm di altezza. Andranno successivamente tagliati in verticale e ne
andrà tagliato, sempre in verticale, una piccola fetta: in questo modo il cartone potrà essere
stretto ed inserito all’interno del tubo costituendo così una specie di molla.
Visibili in basso, vicino alle mani del ragazzo in primo piano, due ghiere così costruite.
Una di queste ghiere va fissata con la colla ad una estremità del tubo, lasciando lo spazio
sufficiente per la lente e per la seconda ghiera (quest’ultima serve ad impedire la caduta della
lente).
Appoggiarvi sopra la lente e incollare la seconda ghiera.
Un momento del lavoro: visibile in basso a destra il tubicino nero dell’oculare.
B. Costruzione dell’oculare:
Costruire un tubo di cartoncino nero di diametro leggermente più piccolo della lente rimasta. Il
bordo della lente deve essere incollato sul bordo del tubo (questo piccolo tubetto va inserito
all’interno della canalina). Portare a dimensioni corrette il tubetto arrotolandovi attorno del
cartoncino nero finché non risulta essere perfettamente inserito nella canalina.
Due momenti di preparazione dell’oculare: a sinistra il primo tubetto interno
e a destra invece l’oculare già terminato.
A questo punto occorre tornare a costruire pezzi di tubo come nel punto precedente, ma più
lunghi fino a far sì che la canalina sia perfettamente inserita nel corpo del cannocchiale.
L’oculare deve poter scorrere all’interno.
Occorre prestare molta attenzione a che le due lenti risultino perfettamente allineate,
altrimenti le immagini non sono buone. Si può procedere al miglioramento dell’osservazione
coprendo con carta adesiva vellutata nera tutte le parti interne del cannocchiale in modo da
evitare riflessi.
Il momento di verifica: dopo tutta questa costruzione, dal cannocchiale riusciremo a vedere?
Uso del cannocchiale:
Puntare un oggetto lontano ed osservare; far discutere gli studenti su quello
che vedono. Tra tutti gli studenti che hanno costruito il cannocchiale è stata
rilevata una notevole difficoltà a vedere. La difficoltà è stata superata quando
si è suggerito di osservare qualcosa di terminale: o il bordo del tetto della
casa, o la cima di un albero: in questo modo risulta particolarmente evidente
che l’immagine è rovesciata. Questo fenomeno (una semplice applicazione
dell’ottica geometrica) ha meravigliato tutti i ragazzi di più piccoli a quelli delle
superiori e tutti sono rimasti stupiti dalla difficoltà che si ha a “vedere” cose
che non ci si aspetta.
Scheda 1- Suggerimenti per gli insegnanti.
L’esperienza può essere facilmente riproposta nelle classi utilizzando
contenitori da carte geografiche o rotoli interni dei tessuti.
•
dei
Fare il calcolo della distanza focale per avere una idea delle dimensioni
del corpo del cannocchiale.
Per fare questo basta porre la lente obiettivo sotto una lampada e cercare la
posizione in cui la lampada stessa viene nitida, cioè “messa a fuoco”. La
distanza tra la lente e lo schermo su cui abbiamo visto l’immagine a fuoco si
chiama distanza focale ed è la massima dimensione del nostro cannocchiale.
•
Se si utilizzano, come nel nostro caso, delle piccole lenti delle macchine
fotografiche usa e getta occorre ricordarsi di cercare delle macchine
senza flash o, in caso contrario, stare molto attenti alle forti scosse
elettriche cui si può essere soggetti.
•
Se non si vogliono utilizzare lenti da macchina fotografica è possibile
usare lenti da -5 diottrie, questo permetterà di riprodurre un
cannocchiale di tipo galileiano grazie a cui si potranno aprire piste
didattiche di tipo storico.
Dopo aver calcolato la distanza focale si può procedere alla costruzione dello
strumento. Ricordare di non usare l’attack per incollare le lenti: al di là del
rischio che l’uso di questa colla comporta per i bambini, le lenti ne risultano
opacizzate.
Attenzione particolare va posta al momento dell’osservazione:
•
invitare i ragazzi ad osservare il medesimo oggetto che deve avere
alcune caratteristiche specifiche; su di esso deve essere individuabile
facilmente la parte superiore dalla parte inferiore in modo che si rendano
conto che l’immagine è rovesciata;
•
ricordare che i corpi da osservare devono essere molto lontani, altrimenti
non si apprezzano i particolari e quanto essi appaiano più grandi.
Occorre comunque tener presente che lo strumento deve essere tenuto ben
stabile (eventualmente appoggiandolo su un cavalletto per macchina
fotografica o sulle spalle di un compagno) per poter eseguire
una buona
osservazione.
Costruzione di uno spettroscopio3
Lo spettroscopio è uno strumento utilizzato dagli astronomi per scomporre la
luce (radiazione luminosa visibile). Un fascio luminoso viene fatto passare
attraverso una fenditura e colpisce un prisma o un reticolo di diffrazione; la
luce si scompone originando così lo “spettro”. Esaminando lo spettro così
ottenuto si riescono ad identificare gli elementi che lo hanno prodotto.4
Materiali occorrenti:
• il cartone interno cilindrico di un rotolo di carta igienica;
• due quadrati di cartone nero leggermente più grandi del diametro del
cilindro sopra detto (quindi circa 7 cm di lato);
• colla, un cutter;
• forbici, nastro adesivo nero, un pezzetto di CD (che possa essere
tagliato).
Costruzione:
In un quadrato di cartone nero tagliare esattamente al centro una fenditura
larga 0.4 cm e lunga 1.5 cm. La fenditura deve essere molto nitida e può
essere migliorata incollando due pezzi di nastro adesivo nero ai lati lunghi della
fenditura in modo da restringerla ulteriormente; oppure, come nella foto sotto,
si possono usare due mezze lamette. Il cartoncino, così preparato, può essere
incollato al rotolo cilindrico in cartone.
3
L’idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica(www.polare.it
modulo 7) e dalle schede di costruzione di uno spettroscopio visibile sul sito http://asdwww.larc.nasa.gov/edu_act/simple_spec.html e successivamente rielaborata per problemi di costi complessivi dello
strumento stesso.
4
Una scheda di suggerimenti per insegnanti che desiderino ripetere l’esperienza (Scheda 1) è inserita in fondo alla
scheda di costruzione.
La scelta di utilizzare il cartone di forma quadrata è stata dettata da un problema di
tempi di asciugatura della colla. I ragazzi taglieranno soltanto successivamente i cartoncini
della stessa forma del tubo eventualmente coprendo il bordo con nastro adesivo nero per
impedire l’entrata di luce che disturba l’osservazione.
Nell’immagine una ragazza sta inserendo le due mezze lamette per rendere la
fenditura nitida e senza sbavature.
Nel secondo quadrato esattamente al centro tagliare una finestrella quadrata di
1 cm di lato come si vede nella figura sotto.
Su questa finestrella quadrata deve essere appoggiato il reticolo di diffrazione
che può essere facilmente trovato nei CD ormai inutilizzati. In particolare il
reticolo è inserito nel supporto in plastica dei CD. Basta tagliare un CD (deve
essere un CD a bassissimo costo in quanto la parte alluminata potrà essere
levata rapidamente, evitare accuratamente i CD riscrivibili e quelli a doppia
protezione) e prenderne un pezzetto quadrato di lato 2 cm; per questa
operazione di taglio si possono tranquillamente utilizzare normalissime forbici.
Il reticolo non deve essere danneggiato, occorre pertanto levare la pellicola
argentata senza “grattare” la parte plastica. Per fare ciò basta appoggiare
sulla parte di alluminio un pezzetto di nastro adesivo e sollevarlo poi
rapidamente; sul nastro adesivo rimane l’argentatura che va gettata, a noi
serve la parte plastica trasparente.
Un momento di quella che i ragazzi stessi hanno definito “la depilazione” del CD.
Questo pezzetto di plastica va appoggiato sulla finestrella e fissato con adesivo
nero.
Adesso il secondo cerchio di cartone è pronto e deve essere incollato sul rotolo
cilindrico che risulta essere oscurato alle due parti: noi porremo l’occhio per
guardare dalla parte del reticolo mentre la fenditura deve essere rivolta verso
la luce.
Il momento della incollatura finale.
Modo d’uso:
Si osservino, attraverso lo strumento, gli spettri della luce prodotta da lampade
diverse. I ragazzi possono disegnare ciò che vedono.
•
Lo spettro di una lampada a filamento (lampada ad incandescenza)
•
Lo spettro di quella che possiamo considerare una “normalissima
lampada “ di un’aula, quella che chiamiamo comunemente una lampada al
neon.
•
Lo spettro di una lampada a filamento, ma con copertura colorata.
•
Lo spettro di un “tubo di Plucker”, visibile nella foto. Ma possiamo anche
invitare gli studenti ad andare in giro per la città a cercare diversi tipi di
lampade.
Momento di osservazione di un tubo di Plucker: visibile la luce rossa verticale sotto la mano destra dell’animatrice. A
sinistra due ragazzi stanno osservando con lo strumento appena costruito.
Il discorso finale è diverso a seconda degli studenti, può essere a livello
qualitativo o invece più di misura a seconda delle età dei ragazzi e della loro
preparazione in fisica, ma l’obiettivo comune è quello di portarli a rispondere
ad una domanda che spesso rimane non espressa “ma come fanno gli
astronomi a sapere di che cosa è fatto il Sole?”.
I ragazzi hanno confrontato lo spettro della lampada con una serie di schede5
contenenti gli spettri di elementi diversi sia in emissione che in assorbimento e
sono stati invitati a riconoscere lo spettro più simile a quello visto e quindi a
dedurre l’elemento contenuto all’interno della lampada. In questo modo gli
studenti stessi hanno compreso, almeno qualitativamente, come si procede
all’individuazione degli elementi che compongono un oggetto luminoso lontano.
Nelle schede preparate era contenuto uno spettro in emissione diverso dal
corrispondente spettro in assorbimento dello stesso elemento (azoto): questo
ha permesso di utilizzare il classico gioco “individua l’errore” per ottenere una
verifica indiretta della acquisizione delle informazioni da parte degli studenti
stessi.
5
Due pagine contenenti gli spettri degli elementi più interessanti per il lavoro in classe sono contenute nella Scheda 2
che deve essere assolutamente a colori e, se possibile, stampata su carta fotografica per una buona resa delle
immagini.
Un momento di discussione nel gruppo osservando le schede fornite dall’animatrice:
di quale elemento avremo visto lo spettro?
Scheda 1 – Suggerimenti per gli insegnanti.
L’esperienza si presta ad essere fatta nelle singole classi dagli insegnanti, di
seguito i punti fondamentali ed alcune domande stimolo che possono essere
rivolte ai ragazzi e che possono costituire punti nodali dell’attività stessa.
Ricordare che dalle stelle, ad esempio il Sole, riceviamo la luce che vediamo
con i nostri occhi, cioè la radiazione visibile. Si tratta pertanto di interpretare
ciò che la luce ci dice attraverso una analisi attenta, anche attraverso l’uso di
strumenti.
•
Osservare attraverso lo spettroscopio la luce di diverse lampade ed
evidenziare la differenza tra i diversi spettri ottenuti.
Classificare i diversi spettri in spettri continui e spettri a righe: sono tutti
spettri di emissione in quanto il riscaldamento del filamento della lampada o
del gas interno alla lampada conduce all’emissione di radiazione e quindi nel
nostro caso particolare di luce visibile. E’ importante ricordare che il sensore
che “raccoglie” la luce emessa dalle lampade è il nostro occhio e quindi quello
che stiamo osservando è la luce visibile.
All’interno di questa grande classificazione si possono evidenziare gli spettri di
assorbimento che sono ben visibili qualora si utilizzino lampade con copertura
colorata. In quest’ultimo caso la “copertura” assorbe una parte della luce
emessa ed in corrispondenza sono visibili delle bande scure.
•
Si possono raggruppare tutti gli spettri osservati in categorie? Che
caratteristiche hanno queste categorie?
Fare una corrispondenza tra tipo di spettro e tipo di lampada, ad esempio la
luce prodotta da lampade a filamento ha uno spettro continuo; quella prodotta
da una lampada a doppio tubo (le lampade a risparmio energetico) ha uno
spettro a righe luminose.
•
Si può estendere il ragionamento e ipotizzare di quale tipo sia lo spettro
del Sole? Quale tra gli spettri che si sono osservati si può ritenere essere
più simile a quello del Sole?
In genere i ragazzi danno risposte egualmente divise tra spettro della lampada
a filamento e spettro della lampada “al neon”. Il tipo di risposta dipende dal
livello scolare dei ragazzi: la prima risposta è data dai ragazzi delle elementari,
la seconda da quelli delle ultime classi superiori.
Ma l’osservazione dello spettro del Sole è importante, anche perché permette
di evidenziare, al suo interno un numero enorme di linee grigio scure. Occorre
invitare i ragazzi a prestare molta attenzione a quello che si vede. Sono infatti
visibili sottilissime linee scure, ma poiché sono sottilissime spesso non vengono
evidenziate se l’osservazione è superficiale.
Momento di osservazione della luce solare. Basta guardare verso il cielo,
ovviamente non direttamente in direzione del Sole.
Scheda 2 – Gli spettri di alcuni elementi.
Argon – spettro di emissione
4000
6800
Argon - spettro di assorbimento
4000
6800
Elio - spettro di emissione
4000
6800
Elio - spettro di assorbimento
4000
6800
Azoto – spettro di emissione
4000
6800
Azoto – spettro di assorbimento
4000
6800
4000
6800
Elio – spettro di emissione
4000
6800
Elio – spettro di assorbimento
4000
6800
Idrogeno – spettro di assorbimento
4000
6800
Neon – spettro di emissione
4000
6800
Sodio – spettro di emissione
4000
6800
Sodio – spettro di assorbimento
4000
6800
Gli elementi inseriti in questa scheda sono stati scelti per i seguenti motivi:
• idrogeno ed elio sono due elementi particolarmente presenti nelle stelle;
• il sodio ha la linea gialla nello spettro di emissione molto nota (facilmente
visibile durante le esercitazioni del saggio alla fiamma nei laboratori di
chimica) ma può essere facilmente ottenibile bruciando del normale sale
da cucina;
• il neon ci permette di confrontare lo spettro delle lampade comunemente
note come lampade al neon e di verificare che lo spettro in emissione
non è esattamente lo stesso di quello visto dai ragazzi. Questa analisi
dovrebbe permettere ai ragazzi stessi di definire che, all’interno di quello
chiamato tubo “al neon” molto probabilmente sono contenuti altri gas.
Proprio per far porre attenzione allo spettro di emissione del neon, non è
stato inserito nella tabella quello di assorbimento.
Spettri di altri elementi possono essere trovati nel sito sotto indicato dove è
presente la tabella degli elementi e tutti gli spettri sia in emissione sia in
assorbimento:
http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html
Se si osservano gli spettri della scheda si vede chiaramente che gli spettri di
assorbimento sono gli esatti “negativi” degli spettri di emissione: dove nello
spettro di emissione c’è una linea luminosa, nello spettro di assorbimento
vediamo la corrispondente linea scura. Questo non è però vero per l’Azoto
dove spettro di emissione e spettro di assorbimento sono molto diversi (e’ un
errore voluto) proprio per creare su questa differenza una esperienza di
valutazione sia delle capacità osservative dei ragazzi che delle loro abilità di
sintesi dei problemi.
Scheda 1
Data ________ Scuola_______________________ Classe___________________
Numero di studenti_________ Numero gruppi ________ Numero insegnanti________
1. Cannocchiale
2. Spettroscopio
Difficoltà incontrate dagli studenti dal punto di vista “pratico”.
‰ Manualità fine (avvicinare lamette, stendere colla per lenti...).
‰ Manualità (tagliare, incollare cartoni, usare il seghetto...).
‰ Misurare distanza focale di lenti.
‰ Uso dello strumento costruito.
Difficoltà incontrate da te per seguire
‰ Tutti i gruppi.
‰ Solo alcuni gruppi......................................................
‰ Singoli individui.
Nella classe sono presenti ragazzi disabili certificati?
Si
No
Tipologia di disabilità ______________________________________________________
Difficoltà incontrate nello spiegare argomenti teorici:
‰ Distanza focale.
‰ Spettroscopia.
‰ Sistema di lenti.
‰ Reticolo.
‰ Prisma.
Approccio iniziale
‰ Con ricordo di ciò che hanno visto in mostra e discussione
‰ Ponendo sul tavolo tutti gli oggetti possibili e facendo scegliere a loro cosa costruire.
‰ Discutendo prima con gli insegnanti e proponendo quello che gli insegnanti hanno
scelto.
‰ Discutendo prima con gli insegnanti, ma facendo poi scegliere ai ragazzi.
Conduzione del laboratorio __________________________________________________
Impressioni sulla classe ____________________________________________________
Atteggiamento dell’insegnante/insegnanti nei confronti dell’attività svolta e nei confronti vostri.
__________________________________________________________________
Scheda 2
Scuola ________________________________
Data
_________________
Classe_________________________
Numero di studenti___________________
Cannocchiale
Spettroscopio
Secondo lei, la classe ha trovato difficoltà nella costruzione dello strumento?
Si
No
Se sì, quali?
Come ha trovato la figura dell’animatore didattico che ha lavorato con la sua classe?
Ha suggerimenti da dare per migliorare il servizio di questi laboratori didattici?
Ci sono argomenti ulteriori che avrebbe desiderato fossero trattati?
Pensa di riprendere in classe l'attività proposta per eventuali approfondimenti
chiarimenti?_____________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Se desidera ricevere a fine mostra i risultati statistici dei questionari compilati dai docenti la
preghiamo di scrivere il suo indirizzo mail o quello della sua scuola.
La ringraziamo per la cortesia.
e/o