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Il Giardino della Scienza
Comune di Ascona
Dipartimento Formazione e Apprendimento
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www.scatoladieinstein.com [email protected]
Versione settembre 2013
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ENERGIA – CHE COS’È? L’energia è un concetto astratto che però diventa molto concreto se si considerano le forme in cui si presenta (elettrica, termica, cinetica...), le trasformazioni da una forma all’altra, le possibilità di calcolarne e misurarne i valori e soprattutto l’importanza che ha assunto nella vita quotidiana e nella politica mondiale. Richard Feynman – premio Nobel nel 1965 la descrive così:
“È importante rendersi conto che in fisica oggi non abbiamo alcuna conoscenza di ciò che l'energia è.”
“L’energia infatti è una cosa astratta perché non ci dice il meccanismo o la ragione delle varie formule.”
Possiamo dire che per qualsiasi cosa noi facciamo o osserviamo ci vuole dell’energia: dal muoversi al pensare, dal crescere di una pianta all’alternarsi del giorno e della notte. Nel corso del tempo sono state trovare delle forme di energia che possiamo esprimere con una formula come ad esempio l’energia cinetica, quella di un corpo in movimento o quella che si ottiene da una lampadina. Considerando che con Giocaenergia ci rivolgiamo principalmente ad allievi delle scuole elementari, o al più dei primi anni di scuola media, non ci interessano ovviamente le formule, ma invece far ben presente un concetto importante che esprimiamo ancora con le parole di Richard Feynman – premio Nobel 1965. LA CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
“C'è un fatto, o se volete, una legge che disciplina tutti i fenomeni naturali che sono noti fino ad oggi. Non c'è eccezione conosciuta a questa legge -‐ è esatta per quanto ne sappiamo. La legge è chiamata conservazione dell'energia. Essa afferma che vi è una certa quantità, che noi chiamiamo "energia", che non cambia nei cambiamenti molteplici che subisce in natura.” Feynman R. (2000), Sei pezzi facili, Milano, Adelphi.
Possiamo quindi parlare di diverse forme di energia, ma per tutte vale lo stesso principio: se una forma sparisce (o aumenta o diminuisce) significa che dall’altra parte ce n’è un’altra nuova (o un’altra che è diminuita o aumentata). Ad esempio se un’auto frena, da una parte diminuisce l’energia di movimento e dall’altra si scaldano i freni; se invece accendiamo una lampadina in casa vuol dire che da qualche parte, in una centrale elettrica, si deve aprire un rubinetto e far scendere più acqua nelle turbine. Nel suo libro, Feynman spiega la conservazione dell’energia considerando il solito Pierino che gioca con un certo numero di cubetti per le costruzioni. Ogni sera la mamma li conta per vedere se ci sono tutti e se non è così, vuol dire che sono nascosti da qualche parte magari sotto il tappeto o in giardino ma il conto deve tornare, e così anche per l’energia.
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GIOCAENERGIA Il nostro progetto sull’energia ha alcuni obiettivi principali: -‐ far riflettere gli allievi su come ci arriva l’energia elettrica in casa, -‐ comprendere che l’energia si può trasformare e che cosa significa questa trasformazione, -‐ studiare insieme in che modo dare un significato concreto a dei termini che sono spesso
utilizzati dai grandi e che i bambini conoscono magari troppo superficialmente. Per raggiungere i nostri obiettivi abbiamo preso in considerazione sei forme di energia ciascuna legata a uno scienziato, e per ciascuna proponiamo alcuni esperimenti. -‐ L’energia idroelettrica con Archimede -‐ L’energia solare con Albert Einstein -‐ L’energia della pila con Alessandro Volta -‐ L’energia eolica con Daniel Bernoulli -‐ L’energia termica con James Watt -‐ L’energia gravitazionale con Isaac Newton Naturalmente, considerato che la proposta viene dal “Giardino della scienza”, non mancano i giocattoli e gli esperimenti fatti con materiali semplici e facilmente reperibili. La scelta delle forme di energia che proponiamo, privilegia quelle rinnovabili ovvero quelle
“prodotte da fonti di energia derivanti da particolari risorse naturali che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano almeno alla stessa velocità con cui vengono consumate o non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le stesse risorse naturali per le generazioni future. Sono dunque forme di energia alternative alle tradizionali fonti fossili (che sono invece parte delle energie non rinnovabili) e molte di esse hanno la peculiarità di essere anche energie pulite ovvero di non immettere in atmosfera sostanze nocive e/o climalteranti quali ad esempio la CO2.” (Wikipedia)
Dobbiamo precisare che mentre l’eolico, il solare e l’idroelettrico sono chiaramente energie rinnovabili, l’energia termica è rinnovabile a dipendenza del combustibile (biomassa) o della fonte di calore (geotermia) utilizzati. L’energia della pila ha un interesse nel futuro per quanto riguarda lo sviluppo delle auto elettriche. Un possibile sviluppo può essere l’introduzione delle cellule a idrogeno per le quali la produzione di energia potrebbe essere ritenuta un po’ misteriosa. L’energia della gravità è stata inclusa sia perché legata a quella idroelettrica sia perché permette di osservare come avvengano le trasformazioni da un tipo di energia dovuta alla posizione (altezza) a un’energia cinetica (di movimento). “Giocaenergia” è nata come percorso didattico con il quale parlare di energia ai bambini. Il primo progetto è stato realizzato per la registrazione di una puntata di Colazione con Peo (RSI 2011) ed è stato poi riproposto a classi di scuola elementare in diverse occasioni. Nei nostri interventi abbiamo diviso le classi in sei gruppi corrispondenti ai sei scienziati delle figure e, con il nostro aiuto, abbiamo proposto di svolgere gli esperimenti riguardanti una delle forme di energia a ognuno dei gruppi. Il risultato è stato finora sempre positivo, l’attenzione e l’entusiasmo non sono mai venuti meno e ci auguriamo che il nostro impegno sia stato poi completato dai docenti con il loro lavoro in classe.
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Archimede Watt
Bernoulli Newton
Einstein Volta
I disegni degli scienziati sono stati fatti da Febe Sillani in occasione delle trasmissioni di Colazione con Peo. La modalità proposta finora si concretizzava in un unico intervento con la classe, in prospettiva noi ci auguriamo che esso possa essere solo uno dei momenti di un percorso costruito dai docenti sul tema dell’energia e comprendente più unità didattiche. Una possibile traccia potrebbe essere composta dalle seguenti tappe:
• Raccolta delle concezioni degli allievi sull’energia • Formazione di gruppi e assegnazione di semplici esperimenti a ciascun gruppo • Attività del “Giardino della scienza” svolta con il materiale in prestito o acquistato dalla
sede (eventualmente con nostri suggerimenti). • Lavoro in classe con gli allievi per sistematizzare tutte le informazioni.
Lo sviluppo successivo potrebbe essere: • Preparare un gioco chiamato, per esempio, “giocaenergia” con domande sulle forme di
energia e sulle trasformazioni con cui si ottengono. • Giocare a “giocaenergia” per valutare l’apprendimento degli allievi.
E infine, magari: • presentare gli esperimenti e il gioco “giocaenergia” ad altre classi o al pubblico.
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ESPERIMENTI INTRODUTTIVI DA SVOLGERE IN CLASSE La raccolta delle concezioni sul tema dell’energia può avvenire in diversi modi come pure la restituzione alla classe di quello che è emerso dagli allievi. Si può partire dalla domanda: “cosa evoca il termine “energia”?” oppure iniziare da situazioni più concrete: “Da dove arriva l’energia nella mia casa?”. Per la restituzione è importante fissare i concetti con una mappa concettuale in cui sia possibile vedere anche i collegamenti tra loro. Dopo questo momento iniziale molto importante, si possono formare dei gruppi e affidare a ciascuno un esperimento riguardante le sei forme di energia di “giocaenergia”. Esempi (questo e altro materiale è descritto nelle pagine successive): Forma di
energia Esperimento Materiale
1 Idroelettrica
Generatore – motore (o mulino ad acqua)
2 Handdinamo http://www.betzold.ch/handdynamo/p-‐83305.html Fr. 23.80
2 Solare
Pannello solare Catalogo Opitec: Centrali di energia Art.Nr.:123987 Fr. 27.50
3 La pila Orologio a patate o Pila rame-‐zinco e LED
Catalogo Opitec: Lemon-‐Clock, Art.Nr.:208394 Fr.6.50 Pezzi di rame e di zinco (scarti lattoniere) e LED
4 Eolica Generatore a vento Catalogo Opitec: Centrali di energia Art.Nr.:123987 Fr. 27.50
5 Termica Termolelettricità o barchetta a vapore
Catalogo Opitec: Centrali di energia Art.Nr.:123987 Fr. 27.50 Catalogo Klangspiel http://www.klangspiel.ch/boat_regular/index.html Fr. 6.25
6 Gravitazionale Sistema solare o razzo ad aria o a CO2
Catalogo Betzold: Sonnensystem zum Aufblasen Fr. 87.90 o sistema solare a palloncini Tubetti delle pastiglie effervescenti o degli yogurt con cappuccio o Opitec 208936
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GLI ESPERIMENTI DI “GIOCAENERGIA” Energia idraulica -‐ Archimede Archimede (Siracusa ca 287 a C. Siracusa, 212 a.C)
La leggenda racconta che Archimede avrebbe iniziato a occuparsi d’idrostatica perché il sovrano Gerone II gli aveva chiesto di determinare se una corona fosse stata realizzata con oro puro oppure utilizzando all’interno altri metalli. Egli avrebbe scoperto come risolvere il problema mentre faceva il bagno, notando che immergendosi nell’acqua provocava un innalzamento del livello del liquido e una spinta verso l’alto corrispondente al volume d’acqua innalzato. Quest’osservazione l’avrebbe reso così felice che sarebbe uscito nudo dall’acqua esclamando “héureka!” “ho trovato”.
L’energia idroelettrica ha un’importanza fondamentale nell’approvvigionamento energetico della Svizzera (56%) e il Ticino è il terzo cantone per produzione idroelettrica.
Lo scopo degli esperimenti è mostrare come si ricava l’energia elettrica dall’acqua e ricordare come in passato si otteneva l’energia per muovere i mulini. In effetti, l’energia dell’acqua di una cascata, di una condotta forzata o di un fiume è dovuta alla gravità, ma in questa fase vogliamo far capire:
• il funzionamento di un bacino di accumulazione e come l’acqua che cade dall’alto ha un’energia che aumenta secondo l’altezza da cui cade.
In seguito: • come si possa trasformare il flusso d’acqua in movimento di una turbina e da questo
ottenere l’energia elettrica. Un altro obiettivo successivo è:
• conoscere il generatore elettrico, l’elemento che trasforma l’energia meccanica di movimento in energia elettrica.
L’elettricità prodotta può far muovere un motore, il quale a sua volta può diventare un generatore e accendere una lampadina o far funzionare una radio. Un approfondimento possibile potrebbe poi essere esaminare come è fatto un generatore, scoprendo che contiene dei fili elettrici e delle calamite e che è il moto reciproco che indice l’elettricità nei circuiti. Esperimenti: (nota: nella casella della descrizione sono indicati i riferimenti in cui possono essere acquistati gli oggetti nel caso non siano di uso comune. I siti delle ditte sono riportati in fondo al documento). Bottiglia con i fori
L’acqua pesa e preme sia sulle pareti sia sul fondo della bottiglia: per questo esce dai buchi con una certa pressione. Questa è maggiore se sul punto di uscita pesa molta acqua, cioè dove è più profonda. La pressione dipende dall’altezza della colonna del liquido, dalla sua densità e dall’accelerazione di gravità de è espressa dalla legge di Stevino P = h ∂ g, Bottiglia rigida, vecchia bottiglia Sodastream con fori
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Gioco di caduta acqua per bambini
Questo gioco da spiaggia per bambini è inserito per mostrare come nelle centrali idroelettriche la caduta dell’acqua si trasformi in rotazione delle turbine. La forza dell’acqua, battendo sui raggi della prima ruota la fa girare. Dalla prima ruota l’acqua passa a un condotto oscillante e in seguito mette in movimento le altre due ruote. Acquistato alla Migros
Generatore a turbina idraulica
Il generatore è collegato a una turbina che si muove grazie alla spinta dell’acqua. Il dispositivo deve essere allacciato con un tubo a un rubinetto con sufficiente pressione. Betzold -‐ Experimentier-‐Set für erneuerbare Energien
Generatore elettrico
Dagli esperimenti di Michael Faraday del 1831 si è riusciti ad ottenere la trasformazione di energia meccanica in energia elettrica. Muovendo reciprocamente un circuito e un magnete è stato possibile indurre nel circuito una corrente elettrica. La corrente dipende dal campo magnetico, dalla forma del circuito (numero di spire) e dalla rapidità con cui avviene il movimento. Il generatore elettrico funziona su questo principio. Questo generatore a mano permette di vedere l’effetto della presenza dei magneti, se non si mettono, non produce elettricità. Betzold: Elektrizität und Magnetismus Experimentier-‐Baukasten
Generatore-‐motore
Si collega un generatore a un altro uguale e si mette in funzione il primo girando la manovella. La corrente prodotta fa girare il secondo generatore come se fosse un motore. Il processo è reversibile perché girando a mano il secondo, si fa girare il primo. Come principio di funzionamento i due dispositivi sono complementari e reversibili tant’è che i treni che scendono dai due versanti della ferrovia del Gottardo immettono nella rete una parte dell’energia che hanno utilizzato per arrivare in altitudine. Betzold: Handdinamo http://www.betzold.ch/handdynamo/p-‐83305.html
Generatore – lampadina
Muovendo il generatore collegato a un circuito, si accende una lampadina. Il circuito deve naturalmente essere chiuso. Si possono accendere più lampadine o diodi collegandoli in serie o in parallelo. Betzold: Elektrizität und Magnetismus Experimentier-‐Baukasten Materiale per circuiti: catalogo Opitec
Questa radio ha due possibilità di funzionamento: a) caricando una molla che poi rilascia l’energia meccanica lentamente producendo elettricità. b) con un pannello solare La radio è stata progettata per funzionare in situazioni in cui non c’è alimentazione di rete. Quando è stata acquistata, una parte del ricavo era destinato all’acquisto di radio da inviare nei paesi dove non c’è l’elettricità domestica. Probabilmente questo modello non è più disponibile ma ve ne sono altri, ad esempio http://lifelinetrading.net/prime-‐radio-‐home/item/prime-‐radio
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Energia solare – Albert Einstein Albert Einstein
(Ulm1879-‐Princeton 1955)
Secondo la rivista Time, Albert Einstein è stato definito l’uomo del XX secolo. Egli rappresenta meglio di tutti i progressi scientifici e tecnologici che hanno cambiato profondamente il modo di vivere dell’uomo nel secolo scorso. L’autore della teoria della relatività, ha rivoluzionato l’idea di spazio e tempo e con le scoperte sull’effetto fotoelettrico ha aperto la strada per la trasformazione di energia luminosa in elettricità.
I pannelli solari sono un elemento ormai famigliare agli allievi. E’ anche l’occasione per studiare la composizione della luce che arriva dal Sole e che non è tutta visibile con i nostri occhi.
Esperimenti: (nota: nella casella della descrizione sono indicati i riferimenti in cui possono essere acquistati gli oggetti nel caso non siano di uso comune. I siti delle ditte sono riportati in fondo al documento). Giochi con i pannelli solari
Questi giochi hanno in comune il fatto che funzionano grazie all’energia solare assorbita dal piccolo pannello solare e trasformata in energia elettrica dalle celle fotovoltaiche contenute nel pannello. Questa energia elettrica viene poi trasformata in energia meccanica in vari modi, ad esempio grazie ad un piccolo “ motorino ” si possono muovere le foglie della mela o lo scarafaggio o far volare la farfalla o l’automobilina. Giochi con pannelli solari si trovano nei negozi di giocattoli e nei grandi magazzini. L’auto solare “Mouvelette” è nel catalogo Naef http://shop.naefspiele.ch/de/mouvelette.html
Che cos’è l’energia solare? L’energia solare è la fonte primaria di energia sulla Terra che rende possibile la vita. L’energia solare è infatti quella normalmente utilizzata dagli organismi autotrofi, cioè quelli che eseguono la fotosintesi, detti anche “vegetali”; gli altri organismi viventi sfruttano invece l’energia chimica ricavata dai vegetali o da altri organismi che a loro volta si nutrono di vegetali e quindi in ultima analisi sfruttano anch’essi l’energia del Sole, seppur indirettamente. Dal punto di vista energetico, si tratta di un’energia pulita. Può essere opportunamente sfruttata attraverso diverse tecnologie. La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, viene realizzata con la cella fotovoltaica. La cella fotovoltaica sfrutta l’effetto fotoelettrico, ovvero l’emissione di elettroni da parte di una sostanza colpita da una radiazione luminosa. Fino ad oggi il maggior materiale utilizzato nella costruzione di celle fotovoltaiche è stato il silicio.
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Lampade da giardino
Questa lampada notturna è munita di una pila ricaricabile. Essa sfrutta, di giorno, l’energia del Sole grazie ad un piccolo pannello formato da celle fotovoltaiche che trasforma in energia elettrica. Quest’energia elettrica carica la pila che, di notte, grazie ad un sensore luminoso, libera l’energia immagazzinata accendendo la lampadina. Negozi Do It
Generatore a pannello solare
L’energia solare assorbita dal pannello solare viene trasformata in energia elettrica dalle celle fotovoltaiche contenute nel pannello. Questa energia elettrica viene poi usata per azionare le lampadine oppure per creare un rumore o per azionare delle ruote incastrate tra di loro. Betzold -‐ Experimentier-‐Set für erneuerbare Energien Opitec -‐ Ventilatore da tavolo alim.ad energia solare art. 124058
Occhiali che scompongono la luce bianca
La luce bianca attraversando la pellicola trasparente di cui sono composte le lenti degli occhiali, viene separata nelle componenti monocromatiche e moltiplicata in immagini spettrali multiple.
Classroom Toys http://www.learnaboutlight.co.uk/DiffractionGlasses/Rave_Spectrum_Firework_Glasses
Ultravioletto e infrarosso
Lo spettro della luce bianca prodotta da una sorgente luminosa comprende oltre ai colori dell’arcobaleno anche una radiazione con maggiore energia, l’ultravioletto e una con minore energia l’infrarosso. La prima può essere mostrata con Laser o un LED ultravioletto ed è in grado di colorare delle apposite perline o di far diventare azzurra l’acqua tonica. L’infrarosso invece è la radiazione emessa da tutti i corpi in ragione della loro temperatura e può essere studiata utilizzando un termometro a infrarosso. Questi termometri sono utilizzati comunemente da coloro che lavorano negli impianti termici per conoscere a distanza le temperature. La luce “infrarossa” è visibile anche con una comune videocamera selezionando la visione all’infrarosso. Perline UV: Educational Innovation www.teachersource.com Termometri a infrarosso: Frigerio Locarno o Termometro a raggi infrarossi Medisana FTN o altri Lampade UV: negozi Do It o Educational Innovation www.teachersource.com
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Energia della pila – Alessandro Volta Alessandro Volta
(Como 1745 -‐ Camnago Volta 1827)
Alessandro Volta è stato uno dei fisici italiani più illustri. La sua più celebre invenzione è la pila elettrica ma a lui si devono molte altre scoperte e invenzioni nel campo dell’elettricità, dello studio dell’aria e in generale dei gas tra cui la scoperta del metano. Il Volt, l’unità di misura della tensione elettrica, prende il nome da Alessandro Volta.
L’energia della pila si ottiene grazie alla conduzione tra due metalli diversi tra cui è posto una soluzione salina. Questo argomento è anche l’occasione per studiare quali corpi conducono l’elettricità. Cos’è l’energia della pila? Una pila è un dispositivo che converte energia chimica in energia elettrica. All’interno di una pila avviene una reazione di ossidoriduzione, in cui una sostanza subisce ossidazione, perdendo elettroni, mentre un’altra sostanza subisce riduzione, acquistandoli. La pila consente di intercettare e sfruttare il flusso di elettroni tra le due sostanze. Tale flusso genera una corrente elettrica continua, il cui potenziale elettrico dipende dalle reazioni di ossidazione e riduzione che vi avvengono. Una pila si scarica quando queste reazioni chimiche raggiungono lo stato di equilibrio. (http://it.wikipedia.org/wiki/Pila_%28elettrotecnica%29) Esperimenti: (nota: nella casella della descrizione sono indicati i riferimenti in cui possono essere acquistati gli oggetti nel caso non siano di uso comune. I siti delle ditte sono riportati in fondo al documento). Orologio a patate
Questo orologio digitale funziona grazie a due “pile di Volta” costituite da due lamine di zinco e due lamine di rame messe in contatto tramite una patata. Collegando le due lamine (rame = polo positivo e zinco = polo negativo) a un display tramite dei fili conduttori, ecco che questo si accende, perché si forma una corrente elettrica che permette il funzionamento dell’orologio. Science Bob Store http://www.sciencebobstore.com/products/Potato-‐Clock.html o Educational Innovation o grandi magazzini kit elettricità kidz-‐labs-‐green-‐science-‐potato-‐clock
Pila con rame-‐zinco e mani che conducono
Il tester è collegato, tramite dei fili conduttori di elettricità, a due placche, una di zinco e una di rame. Appoggiando una mano su ogni placca, si forma una differenza di potenziale tra le due placche che si
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può leggere sul display del tester. Il sudore delle mani permette questa differenza di potenziale. Con le mani bagnate, la differenza di potenziale sarà maggiore, mentre con le mani coperte dai guanti, la differenza di potenziale sarà nulla. E’ possibile creare una catena appoggiando reciprocamente i palmi delle mani. Negozi Do It
Energy stick e Robofish
Questi due giochi funzionano grazie a delle pile, uno si accende quando viene toccato contemporaneamente alle due estremità, il secondo si muove quando è immerso nell’acqua. I circuiti elettrici che li fanno funzionare sono interrotti dall’aria. I contatti del primo sono due anelli di carta argentata alle estremità e quelli del secondo due contatti ai lati del pesciolino. Quando con le mani o con l’acqua si chiudono, può passare la corrente e funzionano. Energy Stick: Science Bob Store http://www.sciencebobstore.com/electrical-‐energy-‐stick/ Robo Fish: gioco novità acquistabile nei grandi magazzini e negozi di giocattoli E’ possibile formare una catena di persone che si danno la mano e fanno funzionare l’energy stick solo quando tutte le mani sono unite e formano un circuito chiuso.
Alessandro Volta ha dato un grande contributo allo sviluppo dello studio dell’elettricità statica ed è quindi opportuno vedere qualche esperimento anche in questo campo. Esperimenti di elettrizzazione
Sollevare dei pezzetti di carta o di polistirolo espanso o i capelli lunghi e sottili dopo aver strofinato un pezzo di plastica o un palloncino è certamente un’esperienza conosciuta e divertente. La struttura degli atomi è tale da permettere ai corpi strofinati di separare una parte degli elettroni esterni e di “caricarli” elettricamente. Un corpo carico tende a far muovere le cariche elettriche vicine e quindi indice uno spostamento di elettroni che rende carichi per induzione i corpi vicini. In questo modo un palloncino strofinato con un pezzo di lana attira oggetti leggeri. Nella figura è rappresentata una bacchetta speciale “Fun Flying Stick www.teachersource.com” che si carica grazie al movimento di una cinghia al suo interno. Educational Innovation http://www.teachersource.com/product/funflystick-‐static-‐electricity-‐demonstration/electricity-‐magnetism o altri
Generatore di scintille
Il generatore elettrostatico si chiama “macchina di Whimshurst” e fu sviluppata nel 1880 dall'inventore britannico James Wimshurst. Due dischi contenenti delle strisce metalliche sono fatto ruotare in senso opposto mente delle spazzole metalliche a contatto con le strisce raccolgono le cariche elettriche e le convogliano in due “bicchieri” detti condensatori. Quando la tensione elettrica tra le due sfere, dovuta alla carica dei condensatori, è sufficiente, avviene la scarica tra le sfere. Se le sfere sono a piccola distanza la scintilla è piccola avviene quasi subito, se sono a grande distanza avviene dopo un po’ di tempo ed è più appariscente. Betzold -‐ Faszination Energie: Blitzmaschine
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Energia eolica – Daniel Bernoulli Daniel Bernoulli
(Groninga 1700-‐ Basilea 1782)
Daniel Bernoulli è stato un matematico svizzero, uno dei più importanti della famiglia Bernoulli. Egli è ricordato in particolar modo per le applicazioni della matematica alla meccanica, specialmente la fluidodinamica e per il suo pionieristico lavoro sulla probabilità e la statistica. Il principio di Bernoulli è largamente utilizzato in aerodinamica e fluidodinamica.
L’energia del vento è trasformata in energia elettrica come quella idroelettrica e come questa fa parte delle energie rinnovabili. Osservare l’aria in moto permette di studiare qualche bel fenomeno.
Cos’è l’energia eolica? L’energia eolica è il prodotto della conversione dell’energia cinetica del vento. Il mulino a vento fu inventato già nel 600 a C. per poter produrre farina anche nei luoghi privi di acqua corrente. Oggi l’energia eolica viene trasformata in energia elettrica grazie a delle turbine eoliche montate su torri alte fino a 30 m. Si tratta di un’energia rinnovabile che oltre a numerosi aspetti positivi ne presenta anche di negativi come l’impatto sul paesaggio.
Esperimenti: (nota: nella casella della descrizione sono indicati i riferimenti in cui possono essere acquistati gli oggetti nel caso non siano di uso comune. I siti delle ditte sono riportati in fondo al documento). Pala eolica con aerogeneratore
L’energia è prodotta dalla conversione dell’energia cinetica dell’aria in energia elettrica grazie ad un generatore. Questa energia elettrica viene poi usata per azionare le lampadine oppure per creare un rumore o per azionare delle ruote incastrate tra di loro. Betzold -‐ Experimentier-‐Set für erneuerbare Energien Opitec -‐ Generatore eolico 103410
Generatore a soffio
L’energia è prodotta dalla conversione dell’energia cinetica dell’aria creata dal soffio in energia elettrica che alimenta una serie di LED colorati. Vedi anche Windmill Generator http://www.cittadelsole.it/customer/product.php?productid=8653&cat=71
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Airzooka
L’Airzooka sembra non lanciare “nulla” ma in realtà lancia dell’aria che si rende visibile quando colpisce un bersaglio leggero come una tenda o dei capelli. Quest’aria impiega qualche secondo prima di raggiungere il bersaglio. L’effetto quindi non è immediato. Questo significa che non si tratta di aria che sposta altra aria come in un’onda sonora, bensì di un pacchetto di aria che, impiegando qualche secondo, raggiunge la superficie desiderata. Questi pacchetti d’aria prendono la forma dell’interno dell’ Airzooka e sono visibili utilizzando la macchina del fumo che permette di vedere chiaramente la forma di un anello. Hawkin’s bazaar http://www.hawkin.com/catalogsearch/result/?q=airzooka In Svizzera 1advd.ch http://www.1advd.ch/DefaultL.asp?idlnk=7345035
Soffiatore e pallone
Il soffiatore può essere utilizzato per fare il vento e far girare l’aerogeneratore, ma non solo: la spinta dell’aria sostiene il peso del pallone. L’aria crea una specie di tubo nel quale la pallina si solleva. Rimane nel “tubo” perché l’aria soffiata che scorre sopra superficie curva della pallina è più veloce dell’aria che passa al di sotto, la pallina perciò riceve una pressione maggiore da sotto che la sostiene, è l’applicazione del principio di Bernoulli. Soffiatore: OBI o altro negozio Do It Palla Mondo: Città del Sole http://www.cittadelsole.it/customer/product.php?productid=2757&cat=72
Energia termica – James Watt James Watt (1736-‐1819)
La macchina a vapore fu il lavoro della sua vita. Il contributo di Watt nello sviluppo della macchina a vapore fu notevole, tanto da trasformare la macchina a vapore in una sorgente di energia che fu uno degli elementi che caratterizzarono la rivoluzione industriale. L’unita di misura della potenza (energia nell’unità di tempo), il Watt, prende il nome da lui.
La combustione produce il vapore che fa muovere le turbine per produrre l’energia elettrica, in passato però il vapore ha permesso la rivoluzione industriale facendo muovere navi, treni e macchine tessili e meccaniche.
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Cos’è l’ energia termica? L’energia termica è la forma di energia posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto. In particolare il calore è la modalità con cui due corpi possono scambiarsi energia termica. L’energia termica può però essere facilmente prodotta in grande quantità attraverso la combustione o per effetto del passaggio della corrente elettrica. L’energia termica si sviluppa anche nelle reazioni nucleari. L’energia termica può trasformarsi in altre forme di energia, ad esempio in energia meccanica per esempio nella macchina a vapore. L’energia del vapore viene oggi utilizzata soprattutto per ottenere energia elettrica. Esperimenti: (nota: nella casella della descrizione sono indicati i riferimenti in cui possono essere acquistati gli oggetti nel caso non siano di uso comune. I siti delle ditte sono riportati in fondo al documento). Barchetta a vapore
Il calore della fiamma produce la rapida vaporizzazione della poca acqua contenuta nella caldaia. La pressione del vapore in aumento produce l’espulsione dell’acqua dalla caldaia attraverso i tubi, lo scatto in fuori della membrana che copre la caldaia e, per reazione, il moto in avanti del motoscafo. Quando tutta l’acqua è vaporizzata, il vapore invade i tubi e simultaneamente la pressione nella caldaia comincia a diminuire. Quando il vapore giunge a contatto con l’acqua fredda esterna condensa. Tale processo produce una brusca diminuzione della pressione interna; acqua fredda inizia a venire aspirata e la condensazione si propaga velocemente a tutto il vapore ancora presente nella caldaia. Nella caldaia ora c’è quasi il vuoto; la membrana scatta verso l’interno e l’acqua fredda ora va a riempire completamente la caldaia. Può iniziare così il ciclo successivo. Da: G. Pegna: “Un motore alternativo a vapore senza parti in movimento”. Klangspiel: http://www.klangspiel.ch/boat_common/index.html
Macchina a vapore
La macchina a vapore comprende: -‐ un generatore di vapore, cioè una caldaia con pareti resistenti, dove si scalda l’acqua a una temperatura tale da ottenere una pressione di diverse atmosfere. -‐ un cilindro dove è introdotto un pistone mobile sottomesso a forti spinte dovute alla pressione del vapore. -‐ un dispositivo che trasforma il movimento alternato del pistone in movimento circolare. Il movimento circolare di una ruota può muovere in avanti una locomotiva o un’auto, oppure può mettere in moto altre apparecchiature industriali. Toyshop http://www.toyshop.ch/dampfmaschine1.htm
Termoelettricità
Facendo passare corrente nell’elemento Peltier, un lato diventa caldo l’altro freddo. Inversamente, scaldando un lato e raffreddando l’altro, l’elemento diventa una termopila. Questi dispositivi sono utilizzati nei frigobox portatili con alimentazione a 12 V per tenere in fresco (o in caldo) gli alimenti Catalogo Opitec Termocoppia Peltier Typ Pke 72A 0020 Modello di funzione 'motore a ghiaccio' 113048
Lovemeter
Il liquido altamente volatile, etere o alcool, sale lentamente lungo il tubo a spirale. Per far salire il liquido lungo il tubo, bisogna creare una differenza di pressione tra i due compartimenti, ampolla bassa e ampolla alta. Questa differenza di pressione corrisponde a una differenza di temperatura tra i
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due compartimenti. La mano, infatti, cede del calore all’ampolla bassa dove quindi la temperatura risulterà maggiore che in quella in alto. Il liquido sale anche se si raffredda la parte superiore, ad esempio inumidendola. L’evaporazione sottrae calore e fa salire il liquido. Klangspiel http://www.klangspiel.ch/liebesthermometer_herz/index.html o Educational Innovation o cercare su web
Tazza magica
Con il calore ricevuto dall’acqua calda, la vernice scura termosensibile della tazza diventa trasparente permettendo di vedere il disegno che sta sotto. Tazza con foto: http://www.smartphoto.ch/fr/produits/cadeaux-‐photos/mug-‐magique
Cucchiaino che si piega
Il cucchiaino non è fatto tutto dello stesso metallo. All’inizio del manico c’è un pezzo fatto di “nitinol” un metallo che può riprendere la forma che aveva quando era stato piegato a caldo. Ecco perché, immergendo questa parte nell’acqua calda, essa si piega. Catalogo Grand Illusion Magic Teaspoon http://www.grand-‐illusions.com/index.html
Tubetti con olio e acqua
Tenendo i due tubetti stretti nelle due mani, si sente una differenza di temperatura. Quello con l’acqua viene percepito più freddo perché il calore specifico dell’acqua è maggiore, infatti occorre più energia per riscaldare l’acqua rispetto all’olio. In questo caso le mani forniscono l’energia, l’acqua inizialmente è più fredda delle mani e la sentiamo più fredda dell’olio perché impiega più tempo a scaldarsi. Tubetti un alluminio ed. es. Supradine
Energia della gravità – Isaac Newton Isaac Newton (Woolsthorpe-‐by-‐Colsterworth 1643 -‐ Londra1727)
Newton diede contributi fondamentali alla matematica e alla fisica. Formulò i 3 principi fondamentali della dinamica (legge d’inerzia, legge: F= m.a, legge di azione e reazione) e la legge di gravitazione universale. Fu il primo a dimostrare che la luce bianca è composta dalla somma di tutti gli altri colori. L’unità di misura della forza è il Newton.
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La gravità e il Sole sono le principali cause fisiche di tutto quello che accade sulla Terra. Newton ha capito che il moto dei pianeti ha la stessa causa del moto degli oggetti che cadono e cerchiamo di trasmettere questo concetto fondamentale ai nostri allievi.
Cos’è l’energia della forza di gravità? La forza di gravità è la forza di attrazione fra tutti i corpi e regola tutti i movimenti dell’intero Universo. L’energia gravitazionale è quella che possiede un corpo a causa della sua posizione. Ad esempio, se un corpo si trova a un metro di altezza ha una certa energia che può trasformare quando è lasciato libero, se l’altezza è doppia l’energia che potrà sviluppare sarà doppia. Questo vale fino a quando l’accelerazione di gravità può essere ritenuta costante.
Esperimenti: (nota: nella casella della descrizione sono indicati i riferimenti in cui possono essere acquistati gli oggetti nel caso non siano di uso comune. I siti delle ditte sono riportati in fondo al documento). Palloni con Sole-‐Terra-‐Luna
L’inizio del tema è l’occasione per verificare le conoscenze sul sistema Sole – Terra – Luna. Come si muovono, chi ruota attorno a chi, come si muove la Luna, i tempi di rotazione e rivoluzione. E’ possibile utilizzare anche semplici palloncini gonfiabili raffiguranti Sole – Terra – Luna. Betzold: Sonnensystem zum Aufblasen
La stazione spaziale ISS
I bambini sono affascinati dai viaggi spaziali e dalle astronavi, ma non tutti sanno che c’è un’astronave che ruota attorno alla Terra con degli astronauti e che si può vedere a occhio nudo la sera quando sorvola il nostro cielo. Si chiama ISS (Stazione spaziale internazionale) vola a 400 km dalla superficie terrestre a 7 km al secondo. Sui siti dell’ESA e della NASA sono presenti numerosi filmati della ISS e si può vedere in ogni istante dove si trova. Modellino Lego: http://www.brickset.com/detail/?Set=7467-‐1
Giochi di biglie in caduta
Le biglie scendono per effetto della forza di gravità e battendo contro le foglie di legno, fanno un suono sempre più cupo man mano che scendono. Questo è dovuto alla struttura del gioco in legno, che presenta delle “foglie colorate” attorno ad un asse, le quali verso il basso diventano sempre più grandi.
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Giochi di biglie di legno: L’angolino (Locarno), Pastorini (Zurigo)
Giochi di biglie in caduta
La biglia scende lungo il gioco rovesciando un bicchiere dopo l’altro. Questo è possibile perché il fondo dei bicchieri non è orizzontale bensì obliquo. La biglia quindi viene “catapultata” sempre nella zona più bassa del bicchiere e con il suo peso lo rovescia, cadendo, per effetto della forza di gravità nel prossimo bicchiere fino a raggiungere il punto più basso possibile. Giochi di biglie di legno: L’angolino (Locarno), Pastorini (Zurigo)
Giochi di biglie in caduta
Questo gioco simula il funzionamento dell’ascensore. Mettendo la biglia nel lift di legno, questo scende perché più pesante del contrappeso. Arrivato in fondo, la biglia esce dal lift che risale mentre il contrappeso scende perché più pesante del lift vuoto. Giochi di biglie di legno: L’angolino (Locarno), Pastorini (Zurigo)
Il picchio
Il picchio con il suo lungo becco lasciato cadere dal punto più alto scende con un movimento alternato. Il movimento in discesa è provocato dalla molla e dal peso del picchio. Il peso del picchio infatti provoca l’oscillazione della molla che fa in modo da bloccare l’anello a ogni periodo. A ogni oscillazione l’anello passa per una posizione in cui non c’è attrito e quindi scende di un certo tratto. Modello grande: Educational Innovation Woodpecker Potential Energy Demo Kit http://www.teachersource.com/product/woodpecker-‐potential-‐energy-‐demo-‐kit/energy Modello piccolo: L’angolino (Locarno), Pastorini (Zurigo)
Razzo a CO2
Come vincere la forza di gravità? La pastiglia effervescente sciolta nell’acqua produce CO2. L’anidride carbonica espandendosi esercita una forza sul tappo, facendo decollare il razzetto. Educational Innovation: http://www.teachersource.com/product/mighty-‐seltzer-‐rocket/air-‐pressure Si può costruire con qualsiasi contenitore con tappo a tenuta, ad esempio quelli degli yogurt da bere o quelli per pastiglie effervescenti.
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Razzi ad aria
L’aria compressa fa partire il razzo quando la pressione vince l’attrito tra il razzo e il tubo lanciarazzi. Giochi estivi: grandi magazzini Oppure Educational Innovation http://www.teachersource.com/product/pump-‐rockets-‐wpump/air-‐pressure
String launcher
La corda è lanciata verso l’alto da due pulegge poste all’interno dell’apparecchio, ma ricade a causa della forza di gravità sulla corda. Mettendo una mano sotto la corda si può equilibrare il peso. Al Technorama di Winterthur ne esiste un esemplare molto più grande. Educational Innovation: http://www.teachersource.com/product/string-‐launcher/energy
Bibliografia Libri recenti con esperimenti e divulgativi Jack Guichard, Guy Simonin (2011). 50 Expériences pour épater vos amis à table. Parigi: Editions Le Pommier. Jack Guichard, Kamil Fadel, Guy Simonin (2012). 50 Expériences pour épater vos amis au jardin. Parigi: Editions Le Pommier. Coero Borga D. (2012). La fisica del giocattolaio. Torino: Codice edizioni. Lewin W. (2013). Per amore della fisica. Bari: Edizioni Dedalo. Marelli M. Ricci E. (2013). La fisica di 007. I segreti della scienza al servizio di Sua Maestà. Trieste: Scienza Express edizioni. I classici: Zanetti V. (1993). I giocattoli e la scienza. AIF. Doherty P. e altri (1996) -‐ Gli esperimenti dell’Exploratorium. Bologna: Zanichelli. Exploratorium di San Francisco (2003) -‐ Tanti esperimenti. Trieste: Editoriale Scienza. Altri libri con esperimenti di scienze: Catalogo Editoriale Scienza – Trieste http://www.editorialescienza.it/ Per l’insegnamento delle scienze: Tecnoscienza.it (2011). Facciamo che eravamo scienziati. Trieste: Scienza Express edizioni. Tecnoscienza.it (2013). Facciamo che eravamo inventori. Trieste: Scienza Express edizioni. Allasia, Montel, Rinaudo (2004). La fisica per maestri. Torino: Cortina Editore. Harlen W. (2004). Enseigner les sciences: comment faire? Parigi: Editions Le Pommier. Masci, Peres, Pulone (2010) -‐ Fisica. Corso di sopravvivenza. Milano: ed. Ponte alle Grazie.
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Sull’educazione scientifica fuori dalla scuola: Alfonsi L, Ghattas R., Gnucci A. (2011). Da qui a Maxwell il passo è breve. Milano: Scienza Express edizioni. Richard Feynman Feynman R. (2000). Sei pezzi facili. Milano: Adelphi. Ottaviani J., Myrick L. (2012). Feynman. Milano: Bao Publishing. La sua biografia a fumetti. Sitografia Alcuni tra i tanti: Steve Spangler Science : http://www.stevespanglerscience.com/ Invito alla natura: http://invitoallanatura.it/ Nasa ISS: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html#.UfoXIVNtHKg Esa ISS: http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/International_Space_Station Green Power Science: http://www.greenpowerscience.com/ Monica Marelli: http://www.monicamarelli.com/ Dove trovare/comperare
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• Amazon www.amazon.com
• Betzold www.betzold.ch
• Classroom Toys www.learnaboutlight.co.uk/
• Educational Innovations www.teachersource.com
• Giochi dei grandi -‐ Milano www.giochideigrandi.com
• Grand IllusionS www.grand-‐illusions.com/
• Hawking Bazar www.hawkin.com
• Klangspiel http://www.klangspiel.ch/
• L’Angolino, Locarno www.angolino.ch
• La Città del Sole www.cittadelsole.com
• Magicflyer www.magicflyer.com
• Natura e… www.natura-‐e.com
• Naef AG www.naefspiele.ch
• Opitec www.opitec.it
• Pastorini -‐ Zurigo www.pastorini.ch
• Science Bob Store www.sciencebobstore.com/
• Science Kit www.sciencekit.com
• Supermagnete www.supermagnete.ch
• Steven Spangler Making Science Fun www.stevespanglerscience.com
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Testo elaborato da Giorgio Häusermann, Agata Filippini e Pamela De Lorenzi – Il giardino della scienza -‐ Agosto 2013 Fotografie degli autori o tratte da web.
Buon lavoro, con tanta energia!