Tesina SIS: Scopri la relazione tra calore e temperatura

SIS Torino a.a. 2004-2005

Tesi di fisica

Classe di abilitazione A038

Calore e temperatura

Supervisore: prof. Pierluigi Pezzini

Relatore: Bruno Mannini

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Indice

1 Introduzione................................................................................................................................... 1-5

1.1 La matematica..................................................................................................................................................1-5

1.2 La fisica ...........................................................................................................................................................1-6

2 Modello didattico – metodologico scelto come riferimento .......................... 2-7

2.1 Scelte didattiche generali .................................................................................................................................2-7

2.2 Attività di laboratorio.......................................................................................................................................2-7

2.2.1 Laboratorio di matematica ...................................................................................................................2-7

2.2.2 Laboratorio di fisica.............................................................................................................................2-8

3 L’intervento didattico di fisica .......................................................................................... 3-9

3.1 La classe...........................................................................................................................................................3-9

3.2 L’argomento: calore e temperatura, introduzione alla calorimetria ...............................................................3-10

3.3 Inserimento dell’argomento nel curriculum...................................................................................................3-10

3.4 Prerequisiti.....................................................................................................................................................3-10

4 Schema dell’intervento didattico.................................................................................. 4-12

5 L’intervento didattico in dettaglio .............................................................................. 5-13

5.1 Lezione 1 .......................................................................................................................................................5-13

5.1.1 Esperienze sensoriali..........................................................................................................................5-13

Esperienza ideale 1 – Le tre bacinelle............................................................................................................5-13

5.1.2 Flussi..................................................................................................................................................5-13

Esperienza ideale 2 – Il blocco di ghiaccio ....................................................................................................5-13

5.1.3 Termoscopi e termometri ...................................................................................................................5-14

Soluzione del Problema 1 ..............................................................................................................................5-14

5.1.4 Struttura microscopica della materia..................................................................................................5-15

Soluzione del Problema 2 ..............................................................................................................................5-15

5.1.5 Scala Kelvin .......................................................................................................................................5-15

5.2 Lezione 2 .......................................................................................................................................................5-17

5.2.1 Riepilogo delle formule e dei concetti fondamentali spiegati nella prima lezione.............................5-17

5.2.2 Unità di misura del calore ..................................................................................................................5-18

5.2.3 Trasmissione del calore per conduzione ............................................................................................5-18

Esperienza sulla conduzione del calore .........................................................................................................5-18

5.2.4 Trasmissione del calore per convezione ............................................................................................5-19

Esperienza sui moti convettivi .......................................................................................................................5-19

5.2.5 Trasmissione del calore per irraggiamento ........................................................................................5-19

Il termosifone.................................................................................................................................................5-19

5.2.6 Effetto serra........................................................................................................................................5-20

5.3 Lezione 3 .......................................................................................................................................................5-21

5.3.1 Capacità termica.................................................................................................................................5-21

Notazioni........................................................................................................................................................5-21

Variazioni di temperatura ..............................................................................................................................5-21

5.3.2 Altre considerazioni sulla capacità termica........................................................................................5-22

Esercizio 1 .....................................................................................................................................................5-22

5.3.3 Calore specifico .................................................................................................................................5-22

Esercizio 2 .....................................................................................................................................................5-22

Esercizio 3 .....................................................................................................................................................5-23

5.4 Lezione 4 .......................................................................................................................................................5-24

5.4.1 Equazione fondamentale della calorimetria .......................................................................................5-24

5.4.2 Difficoltà............................................................................................................................................5-24

5.4.3 Esercizi...............................................................................................................................................5-25

5.5 Lezione 5 .......................................................................................................................................................5-26

5.5.1 Esercizi...............................................................................................................................................5-26

5.6 Lezione 6 .......................................................................................................................................................5-26

5.6.1 Verifica ..............................................................................................................................................5-26

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5.7 Lezione 7 .......................................................................................................................................................5-27

5.7.1 Correzione della verifica....................................................................................................................5-27

5.7.2 Considerazioni conclusive .................................................................................................................5-28

5.7.3 Valutazione e obiettivi didattici .........................................................................................................5-29

6 Allegati ........................................................................................................................................... 6-30

6.1 Fotografie dell’esperimento sulla conduzione del calore...............................................................................6-31

6.2 Fotografie dell’esperimento sui moti convettivi ............................................................................................6-32

6.3 Verifica di fisica.............................................................................................................................................6-33

6.4 Soluzioni ........................................................................................................................................................6-34

6.5 Griglia di valutazione per la fisica .................................................................................................................6-35

7 Conclusioni.................................................................................................................................... 7-36

8 Bibliografia................................................................................................................................... 8-37

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1 Introduzione

Il policentrismo formativo che caratterizza le società moderne, forse discutibile ma innegabile, ha tolto alla scuola il ruolo di unica agenzia formativa dei cittadini; questi sono posti di fronte alla necessità di leggere criticamente, per comprendere efficacemente, i numerosi stimoli che arrivano loro da più direzioni contemporaneamente.

Non per questo, però, la scuola ha perso di importanza; il ruolo nuovo che è chiamata ad assumere, rispetto alle altre agenzie, è quello di coordinamento e di guida nell’itinerario di sviluppo culturale e di formazione continua che ogni cittadino deve compiere.

Solo la scuola, infatti, sembra in grado di fornire standard culturali elevati, pluralità di prospettive e linguaggi interpretativi diversi, attraverso i quali può costruirsi la coscienza civile dei cittadini.

Uno dei linguaggi interpretativi della realtà che ci circonda è quello della scienza; la comprensione del metodo scientifico e del ragionamento logico matematico, la conoscenza dell’evoluzione storica di concetti che consideriamo acquisiti, ma che hanno richiesto secoli per essere sviluppati, la consapevolezza della portata e dei limiti delle conquiste della scienza moderna, sono aspetti diversi che contribuiscono a formare un’ampia sensibilità alle problematiche del mondo, fondamento della personalità del cittadino.

1.1 La matematica

La prospettiva attuale dell’insegnamento della matematica può essere sintetizzata in due concetti fondamentali: quello di matematica per il cittadino, e quello di apprendistato cognitivo.

Con l’espressione “matematica per il cittadino” la Commissione Scientifica dell’UMI intende “un corpus di conoscenze e abilità fondamentali, necessarie a tutti coloro che entrano nell’attuale società, da acquisire secondo una scansione organica articolata nei successivi livelli scolastici” (UMI 2003). Il curriculum proposto dall’UMI ha lo scopo di favorire la realizzazione di questa prospettiva.

L’apprendistato cognitivo, secondo la stessa Commissione, “si caratterizza per un approccio variegato e flessibile all’oggetto di studio, e in questo si contrappone all’apprendistato pratico che, invece, si identifica con uno specifico metodo di apprendimento basato sull’osservazione dell’attività dell’esperto, sulla strutturazione graduale e crescente delle abilità e, soprattutto, su una particolare attenzione all’acquisizione di abilità di carattere pratico. La metafora che può ben definire l’apprendistato cognitivo è quella della bottega d’arte del rinascimento, in cui l’allievo impara facendo, ma anche vedendo altri che fanno. L’allievo, quindi, impara anche e soprattutto per imitazione dell’esperto o di altri apprendisti” (UMI 2003).

D’altra parte, “l’apprendistato cognitivo richiede la strutturazione di un ambiente di apprendimento aperto alla discussione, alla condivisione del sapere, che favorisca la produzione personale, ma anche l’osservazione dell’esperto al lavoro” (UMI 2003).

Si tratta, dunque, di un processo, più che di un metodo, che si sviluppa nell’arco dell’intero corso di studi, attraverso progetti didattici di medio–lungo periodo, che deve “garantire a tutti gli studenti di compiere il consolidamento tecnico, l’approfondimento operativo e la riflessione necessari per giungere ad una piena padronanza delle competenze matematiche” (UMI 2003). 1-5

1.2 La fisica

Per la fisica, l’obiettivo da raggiungere è quello di procedere “all’acquisizione di una consapevolezza diretta e fenomenologia degli aspetti fisici del mondo, a una loro gestione efficace in termini di enti astratti: grandezze fisiche astratte basate su relazioni invarianti tra le variabili osservate; sistemi fisici astratti basati sulla loro efficacia come modelli intercontestuali; metodi di formalizzazione che offrono il supporto essenziale all’intero processo di concettualizzazione fisica” (AIF).

La fisica è una parte essenziale della scienza, e contribuisce insieme alle altre discipline a formare il cittadino attraverso una comprensione della realtà per modelli, i quali “permettono di descrivere, interpretare e indirizzare l’esperienza quotidiana, di costruire e progressivamente approfondire un’interpretazione strutturata dei fatti, e di progettare efficaci interventi mirati e strumenti tecnologici” (AIF).

Su questa base vengono definiti gli Obiettivi Specifici di Apprendimento (OSA) per la fisica, che si basano su due presupposti.

A) La formazione in fisica è parte integrante dell’educazione scientifica del cittadino che deve avere inizio nella scuola primaria, procedere nella scuola secondaria inferiore e vedere nei licei il suo completamento concettuale e finale.

B) Conoscenze e abilità debbono includere scoperte e problemi della fisica contemporanea affinché la formazione scolastica possa rendere i cittadini attori consapevoli delle scelte scientifiche e tecnologiche richieste alla società d’oggi.

Sono evidenti, quindi, gli elementi di continuità tra i vari ordini scolastici, ma anche una progressività nell’approfondimento dei temi fondamentali; la scuola superiore deve completare il processo di formazione consapevole del cittadino.

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2 Modello didattico – metodologico scelto come riferimento

Ho cercato di impostare il mio intervento didattico in matematica e in fisica secondo quanto esposto nella premessa.

La programmazione di un intervento didattico non può prescindere da un’analisi della classe e della scuola nella quale si deve attuarlo; per le due classi nelle quali ho lavorato ho tenuto conto della loro composizione, delle strutture che la scuola metteva a disposizione e della programmazione annuale dell’insegnante tutor.

I dettagli degli interventi sono descritti in seguito; qui ho sintetizzato i criteri fondamentali che ho ritenuto di seguire.

2.1 Scelte didattiche generali

Ho scelto di stimolare gli studenti attraverso una didattica articolata per scoperta, per problemi, per concetti,

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basata su “attività didattiche significative” .

Gli studenti hanno progressivamente “scoperto” gli argomenti di cui volevo parlare loro risolvendo problemi concreti o affrontando le situazioni che ho posto alla loro attenzione; in misura minore mi hanno sottoposto quesiti, ai quali ho risposto stimolando nel contempo una loro riflessione, evitando di dare risposte “chiuse”.

Al termine di ogni attività ho anche cercato di sottolineare i concetti fondamentali di cui si era trattato.

Il lavoro è stato svolto individualmente o in piccoli gruppi eterogenei, sotto la guida mia e dei tutor, in alcuni casi sulla base di schede di lavoro molto sintetiche, che lasciassero spazio all’iniziativa dei singoli; ho

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organizzato i gruppi secondo il modello del collaborative learning .

Ho usato molto anche la discussione matematica, intesa come “polifonia di voci articolate su un oggetto matematico (concetto, problema, procedura, ecc.) che costituisce un motivo dell’attività di insegnamento – apprendimento” (UMI 2003).

In generale ho cercato di fare attenzione ai segnali provenienti dalla classe e dai singoli, positivi o negativi che fossero, per variare il progetto iniziale di conseguenza.

2.2 Attività di laboratorio

Ho predisposto, per quanto possibile, attività di laboratorio che coinvolgessero gli studenti, svolte in classe o in laboratorio; i laboratori di matematica e fisica sono naturalmente concepiti e attuati in modo diverso.

2.2.1 Laboratorio di matematica

Il laboratorio di matematica non è un luogo fisico diverso dalla classe, almeno non necessariamente, quanto

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un insieme di attività volte alla costruzione di significati degli oggetti matematici .

Ho quindi basato il mio approccio al laboratorio di matematica, cioè alle attività svolte nell’aula scolastica e in quella di informatica, sulla “concretizzazione” di concetti matematici in oggetti che li rappresentano, per poi introdurre un certo grado di astrazione, passando dall’analisi di un fatto concreto alla individuazione di una regolarità astratta.

1 Secondo le indicazioni metodologiche UMI 2003.