FIIS012007_intorno alla legge di charles

Prodotto realizzato con il contributo della Regione Toscana
nell'ambito dell'azione regionale di sistema
Laboratori del
Sapere Scientifico
Intorno alla legge di Charles:
Il percorso è stato svolto in 6 classi prime
dell' Istituto Tecnico
“IIS G.Ferraris-F.Brunelleschi”
Empoli
Inserimento nel curriculum verticale
Il percorso viene affrontato nel secondo
quadrimestre della classe prima dopo la
trattazione delle leggi ponderali e rientra nel
modulo riguardante le leggi dei gas
Obiettivi essenziali di apprendimento
Risolvere problematiche concrete legate allo stato gassoso
Riportare un esperimento in maniera alternativa alla relazione
utilizzando strumenti multimediali
Conoscere il significato della scala di temperatura assoluta
Conoscere la legge di Charles
Conoscere le altre leggi dei gas
Saper eseguire calcoli con le leggi dei gas
Definire l'equazione generale di stato dei gas (senza il termine n)
Saper prevedere l'influenza della variazione di una variabile di un
gas (T, V, P sulle altre)
Elementi salienti dell'approccio metodologico
Gli studenti sono posti di fronte al problema di progettare un sistema che
consenta di indagare cosa accade al volume di un gas al variare della
temperatura
Viene chiesto loro di eseguire a casa una trasformazione di un volume di gas
variando la sua temperatura e di riportare alla classe cosa osservato
qualitativamente
In classe sono descritte le esperienze ed individuate le criticità
Si ripropone l'attività a casa chiedendo di fornire dati quantitativi
Si esaminano i dati forniti e la classe sceglie il metodo che ritiene migliore
Si introduce la temperatura assoluta
Si calcola il rapporto V/T e si arriva alla legge di Charles
Si effettuano esercizi di calcolo con il controllo predittivo del risultato
Si introducono le leggi di Boyle e di Gay Lussac
Si introduce l'equazione generale di stato dei gas (forma semplificata PV=kT
senza n)
Materiali utilizzati
Palloncini
Barattoli della marmellata o
della conserva
Bottiglie in plastica
Sacchetti di plastica per alimenti
Sacchetti di plastica per
immondizia
Termometro da esterni o da
frigo
Frigo
Forno
Righello
Compressore
Nastro isolante
Bottiglia di plastica
Calcolatrice
Spago
Videocamera
Fotocamera
Software per montaggio video
Tempi impiegati
2 ore per la messa a punto preliminare nel Gruppo
LSS
1 ora per la progettazione specifica e dettagliata nelle
classi
1 ora per il confronto dei risultati intermedi e la loro
valutazione
1 ora per la valutazione dei risultati didattici
Tempo-scuola di sviluppo del percorso 3 settimane
(9 ore) compresa la verifica sui gas che comprende
una parte specifica sulla legge di Charles.
1. In classe
Si introducono i gas partendo dalla domanda:
“Quali gas conoscete e quali caratteristiche
comuni hanno?”
Gli studenti elencano CO2; O2; azoto; NOx (gas
a loro noto dai telefilm polizieschi) ; metano
Per essi individuano le seguenti caratteristiche
mancanza di “visibilità” (non si vedono)
mancanza di un volume preciso
alcuni sono nelle bombole
Segue una seconda domanda stimolo:
Quali sono le proprietà che caratterizzano un gas?
Vengono individuate inizialmente :
Volume
Odore
Colore
Dopo discussione vengono aggiunte alla lista
Pressione
Temperatura
Viene chiesto
“Quali di esse sono grandezze?”
vengono individuate soltanto T,V,P
La pressione di un gas
Da che cosa è data la pressione di un gas?
Ci si rifa alla definizione (trattata nel corso di
fisica) P=F/S.
Si chiede quale forza esercita la pressione e qual
è la superficie su cui è esercitata.
Il gas è fatto da particelle.
Si arriva alla conclusione che la pressione è
generata dalle particelle del gas che urtano sulla
superficie del contenitore.
Seguono altre domande stimolo, per esempio:
Perchè in una stanza chiusa ermeticamente
non si sopravvive a lungo?
Attraverso le quali si riesce a far aggiungere alle
grandezze anche la
Quantità di gas
A questo punto si chiede agli studenti
Come posso verificare se le grandezze
individuate sono collegate tra loro da una
relazione-legge?
Dopo discussione essi propongono di variarle e
di osservare di conseguenza cosa accade
Si discute quindi sul fatto che le variabili sono
quattro chiedendo:
Quali vario ?
Quali osservo?
Se ne vario una variano tutte?
Dalla discussione emerge la proposta di tenere
fisse due grandezze e di variare le altre due.
Poichè abbiamo precedentemente deciso di far
lavorare i ragazzi sulla dipendenza del volume
dalla temperatura li portiamo a proporre di
partire da osservare cosa accade al volume
variando la temperatura.
Domandiamo come possiamo tenere fissa la
quantità di gas.
Gli studenti suggeriscono recipienti chiusi:
inizialmente scatole e barattoli, poi palloncini.
Si chiede loro di verificare personalmente a casa
cosa accade ad un volume di un gas
a) se la temperatura aumenta
b) se la temperatura diminuisce
La prima analisi è qualitativa, ma chiediamo
loro anche una riflessione riguardante la
possibilità di ricavare dati numerici
dall'esperimento progettato
2. In classe
Gli studenti riferiscono riguardo alle loro prove,
documentandole con descrizioni e foto che
vengono mostrate ai compagni
Sono stati utilizzati palloncini che hanno messo
in frigorifero e sul radiatore (o addirittura in
forno)
Tutti hanno osservato un aumento del volume
in corrispondenza dell'aumento della
temperatura (nei casi del forno i palloncini sono
scoppiati) ed una diminuzione nel caso del
frigorifero/ congelatore
Esperimento di Niccolò:
Ha messo il palloncino in una bottiglia (per
osservare la diminuzione di volume in relazione
alla bottiglia)
Data la difficoltà a riempire il palloncino nella
bottiglia lo ha riempito con aria tramite un
compressore
Ha chiuso la bottiglia col tappo e del nastro
isolante
Dopo 5 ore in freezer ha osservato la
variazione avvenuta
Lavoro di Niccolò IB chimica
Si gonfia il palloncino
Il palloncino estratto dal freezer
Niccolò racconta di aver osservato una
diminuzione del volume al diminuire della
temperatura, che si vede “meglio controluce”.
Dice che il volume del palloncino è tornato
apparentemente ad essere quello di partenza
una volta che la bottiglia è tornata a
temperatura ambiente.
Niccolò racconta di aver osservato una
diminuzione del volume al diminuire della
temperatura, che si vede “meglio controluce”.
Dice che il volume del palloncino è tornato
apparentemente ad essere quello di partenza
una volta che la bottiglia è tornata a
temperatura ambiente.
Deborah ha utilizzato un palloncino fatto con un
sacchetto di plastica per freezer, una “scatola”
artigianale che contenesse il palloncino appena
gonfiato ed ha posto il palloncino nel freezer del
frigorifero
Lavoro di Deborah (1 A ch)
Lavoro di
Christian 1 A Ele
Ha contenuto il
palloncino in una
bottiglia tagliata
Matteo (1 B ele) ha posto il palloncino in forno
perché riteneva di poterne leggere la
temperatura dal termostato, ma il palloncino è
scoppiato per due volte
Ne ha dedotto che all'aumentare della
temperatura è evidente che il volume aumenti.
Viene a questo punto chiesto
“Che relazione c'è secondo voi tra volume e
temperatura?”
Inizialmente gli studenti dicono che se cresce la
temperatura il volume cresce e viceversa.
Qualcuno poi dice che secondo lui temperatura
e volume sono direttamente proporzionali
Si fanno quindi riflettere su cosa dovrebbe accadere a
0°C
La retta temperatura volume passa per l'origine?
Gli studenti dicono di sì.
Alcuni dicono che a zero gradi il volume non è zero.
Infatti in frigorifero a -18 il volume non era 0!
Si introduce la scala Kelvin introducendo lo zero
assoluto come estrapolazione di una retta volume
/temperatura
Viene chiesto agli studenti di eseguire altre prove
fornendo dei dati, riportando le temperature in
Kelvin
Si discute sul metodo più opportuno per
contenere il gas e sulle eventuali difficoltà nella
misura.
Gli studenti dicono di aver visto recuperare
velocemente la forma iniziale ai palloncini
utilizzati e suggeriscono di misurare il volume
del gas raffreddato direttamente in frigo o molto
velocemente subito dopo l'estrazione.
Si discute su come può essere possibile
misurare in maniera attendibile il volume di un
palloncino.
Inizialmente gli alunni propongono di misurare la
circonferenza, poi pensano che “lo spago può
“scorrere”.
Si pensa all'opportunità di contenere il volume
in una scatola (vedi idea di Deborah), o in un
barattolo.
3.In classe
Gabriele 1 B ch
Ha posto un palloncino resistente in un barattolo da
conserva e ha fatto un foro nel tappo. Ha gonfiato il
palloncino in modo da riempire completamente il
barattolo aiutandosi con una cannuccia messa di
fianco che ha fatto fuoriuscire l'aria dal barattolo
durante la gonfiatura del palloncino.
Ha misurato il volume perso introducendo acqua nel
barattolo una volta estratto il barattolo dal freezer.
Ha rifatto la prova per due volte con due diversi
palloncini.
Dispositivo con cannuccia
Barattolo con palloncino riempito
Il palloncino appenna estratto dal freezer
Con una siringa viene aggiunta e
misurata l'acqua per colmare il
volume
Dati sperimentali
T1= 20°C = 293 K
V1=340 mL
V/T =1,16 (mL/K)
T1'=-18°C =255 K
V1'=320 mL
V/T = 1,25 (mL/K)
T2=20°C =293 K
V2=345 mL
V/T = 1,17 (mL/K)
T2'= -18°C = 255 K
V2'= 330 mL
V/T =1,29 (mL/K)
Primo palloncino
Secondo palloncino
La difficoltà maggiore incontrata da Gabriele è stata nel momento della misurazione del
volume mancante con l'acqua.
Il procedimento è lento e nel frattempo il palloncino si gonfia.
Difficile anche determinare con accuratezza il volume del palloncino iniziale
Altri due studenti hanno misurato la massima
circonferenza possibile del palloncino con uno
spago e da questa hanno ricavato il volume del
palloncino associandolo ad una sfera.
Le misurazioni sono state fatte in freezer, a
temperatura ambiente e su un radiatore
Altri studenti hanno utilizzato un sacchetto
ponendolo in una scatola di cartone con il
coperchio tagliato in modo da poter essere
abbassato tipo stantuffo
Il sacchetto è stato riempito a misura del volume
della scatola.
Tolto dal freezer con un segno sul lato della
scatola premendo sul coperchio, è stato
possibile calcolare il volume occupato dal gas.
Dei metodi 2 e 3 è stato prodotto un filmato
Per il metodo della scatola sono stati fatti i
calcoli in tutte le classi e sono riportati di
seguito alcune elaborazioni.
LAVORO DI ANDREA 1 A ELE
LAVORO DI ANDREA IA ele
Preparazione
della scatola
prima
Dopo aver
raffreddato
Andrea 1 B informatica
4. In classe
Si analizzano i risultati.
In tutti i lavori la pressione è stata considerata
costante, ma si discute risguardo alla possibile
variazione della pressione in relazione alla
variazione di temperatura.
Nei casi in cui il gas non è stato introdotto in
recipienti rigidi si può considerare che la
pressione interna al recipiente sia uguale alla
pressione atmosferica.
Si arriva alla conclusione che i lavori di Andrea e
di Deborah sono sicuramente validi.
Nel caso dei lavori con i palloncini i risultati sono
validi dal punto di vista qualitativo, ma non sono
del tutto attendibili dal punto di vista
quantitativo, specialmente nei casi in cui il
palloncino viene riscaldato.
Si rielaborano i dati trovati.
Dall'analisi dei dati di lavori analoghi a quello di
Andrea si osserva che il rapporto V/T può
essere considerato costante nei diversi casi.
Ciò conferma l'ipotesi di proporzionalità diretta
tra V e T.
Si introduce la legge di Charles
Si propongono ora semplici problemi di tipo
numerico dei quali è prevedibile il risultato senza
calcolo
Esempio:
“Il volume di un gas chiuso in un palloncino a 250 K
è 200 mL quale sarà il volume del gas a 125 K,
se si mantiene costante la pressione?”
Nella seconda parte della lezione sono proposti
problemi più complessi per i quali è necessario il
calcolo.
5. In laboratorio
Si eseguono misure P/V con il classico
esperimento della siringa.
Vengono utilizzate masse da 1 Kg ed una siringa
da 50 mL in plastica.
Durante l'esecuzione delle operazioni di misura
gli studenti osservano la differenza della
dipendenza del volume dalla temperatura e
dalla pressione.
6. In classe
Si rielaborano i dati di laboratorio e si ricava la
legge di Boyle.
PV=K'
Si eseguono calcoli semplici su casi per i quali
non è necessaria la calcolatrice: cosa accade
alla pressione raddoppiando il volume o
viceversa.
Si introducono problemi per i quali è necessario
l'uso della calcolatrice.
7. In classe
Non disponendo per motivi di sicurezza di mercurio
nei nostri laboratori, non possiamo effettuare prove
di relazione P/T a scuola.
Si discute con gli studenti della ipotetica relazione
che lega P a T, si forniscono dati da riportare
in un grafico e si confronta questo grafico con quello
di V/T.
Si introduce la legge di Gay-Lussac
(per analogia con la legge di Charles)
P=K'' T
Nella seconda parte della lezione seguono
esercizi alla lavagna riguardanti:
Applicazione delle leggi (da una variabile
ottenere l'altra in una trasformazione isoterma,
isobara o isocora)
Discussione e costruzione di schema
riassuntivo delle tre leggi dalle quali si ricava
per sostituzione l'equazione:
PV=KT
8. In classe
Si correggono e discutono esercizi assegnati per
casa e si riepiloga quanto elaborato nelle lezioni
precedenti anche attraverso l'esecuzione di
mappe concettuali.
Gli studenti in gruppi elaborano il testo di
problemi che vengono letti e ne viene discussa
la traccia per l'esecuzione.
9 Verifica finale
Un gas possiede alla temperatura di 70 °C un volume di 30 L. Quale sarà il suo volume se la stessa quantità di gas viene riscaldata
fino a 200 °C, mantenendo costante la pressione?
(2)
Il volume di un gas è di 40 L e la sua pressione è di 400 KPa. Se lo stesso gas viene posto in un recipiente il cui volume è di 20 L,
mantenendo costante la temperatura, calcolare la nuova pressione.
(2)
Un gas alla temperatura di 130 K possiede una pressione di 1,4 atm. Qual è la sua pressione se il gas viene riscaldato a 300 K
mantenendo costante il volume?
( 2)
Perchè è stata introdotta la scala K? A cosa corrisponde la temperatura di 0 K?
(1)
5) Descrivi come è possibile verificare la legge di Charles con un semplice esperimento
(1)
6) Spiega il significato di proporzionalità diretta ed inversa riferendoti alle leggi dei gas
(1)
Tempo assegnato 60 minuti. Voto= punteggio +1
Risultati della verifica
Risultati gravemente insufficienti in media nelle
sei classi 10%.
Il risultato è migliore della media degli ultimi
anni in verifiche analoghe sui gas (17%).
Valutazione del gruppo LSS
Le condizioni di lavoro proposte non consentono
di ottenere sempre valori ben riproducibili
D'altro canto i concetti e le leggi si sono
saldamente ancorati attraverso la
sperimentazione e la discussione dei dati e dei
problemi connessi alla manipolazione dei gas
Si ritiene importante la valenza del percorso per
quello che riguarda la progettualità e la
partecipazione attiva degli studenti nel creare il
contesto di senso.
Valutazione del percorso proposto
Il lavoro ha portato ad un miglioramento nei livelli
di apprendimento relativi ai gas, sviluppando
anche competenze trasversali.