Per fare scienze by Rosario Prencipe

FISICA E CHIMICA PREREQUISITI Conoscere il sistema di numerazione decimale Saper operare con i numeri naturali e decimali

OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Il significato di “scienze” e di “fare scienze” Il metodo scientifico I campi di studio delle scienze Che cosa sono ideogrammi, istogrammi, areogrammi e diagrammi cartesiani Il sistema metrico decimale

Per fare scienze

Ciò che saprai fare Applicare il metodo scientifico Rappresentare dati Misurare grandezze nel sistema metrico decimale

Percorso di studio Il mio professore ci ha detto che prima di iniziare a studiare dobbiamo imparare a fare gli “scienziati”. Sarà interessante, ma che significa? Non c’è una sola scienza: diciamo infatti “le scienze”. Ma perché?

E poi potremo allestire un laboratorio scientifico. Che cosa ci servirà?

Fare scienze significa...

Scienze e non scienza

Misurare una grandezza

Raccogliere e rappresentare dati

Strumenti per misurare

Il laboratorio scientifico

I sistemi di misura anglosassoni Segnali di sicurezza

FISICA E CHIMICA

Fare scienze significa… Che cosa significa fare scienze? Per rispondere incominciamo a osservare che:

Fa scienze un bambino iniziando l’incessante attività di scoperta del mondo che lo circonda e cercando di capire con curiosità ciò che accade.

Fai scienze tu quando, osservando un fenomeno, ad esempio il palloncino che ti è scappato dalle mani volare sempre più in alto, curioso ti chiedi il “perché” cercando di scoprirlo.

Fa scienze uno qualsiasi di noi quando, osservando un fenomeno, si chiede “perché” accade e ne scopre la causa.

Queste considerazioni ci portano a dedurre che quando cerchiamo di non subire un fenomeno ma di scoprire perché e come accade, “facciamo scienze”, ovvero ci trasformiamo in “scienziati” capaci di superare la fase di conoscenza passiva per arrivare alla fase di conoscenza scientifica. Ciò che ci permetterà di scoprire e spiegare quanto succede attorno a noi da “scienziati” è l’atteggiamento scientifico che, di fronte a un problema, porta a porsi delle domande e a cercare una risposta esauriente e dimostrabile.

Per fare scienze

In altre parole, l’atteggiamento scientifico è la capacità di affrontare un qualsiasi problema secondo il metodo scientifico sperimentale, il metodo introdotto da uno fra i più grandi scienziati della storia, Galileo Galilei (1564-1642), che ha dato l’avvio alle “scienze sperimentali”, ponendo alla base di una qualsiasi acquisizione scientifica il metodo sperimentale, cioè il metodo di lavoro di un qualunque scienziato. In che cosa consiste? Per Galileo, un vero scienziato deve: osservare attentamente il fenomeno, porsi delle domande e raccogliere tutti i dati e le informazioni necessarie; dare delle risposte alle sue domande formulando un’ipotesi; verificare sperimentalmente la sua ipotesi; trarre le conclusioni arrivando alla conoscenza scientifica, cioè alla legge o regola che spiega il fenomeno. Osserva le fasi del metodo sperimentale che ti guiderà alla scoperta del meraviglioso mondo delle scienze.

Ritratto di Galileo Galilei.

Osservare il fenomeno raccogliendo tutti i dati e le informazioni possibili

Formulare un’ipotesi di spiegazione

Formulare un’altra ipotesi

Formulare la legge o la regola che spiega il fenomeno

SÌ

Verificare l’ipotesi sperimentalmente

L’ipotesi è confermata?

FISICA E CHIMICA

Scienze e non scienza Perché parliamo di “scienze” e non di “scienza”? CHIMICA Studia le sostanze e le loro reazioni.

ASTRONOMIA Studia i corpi celesti.

Nella realtà, come sai e come capirai meglio andando avanti in questo tuo viaggio, i fenomeni di cui si occupa la “scienza” sono numerosi e differenti. Nel corso della storia, infatti, i fenomeni che man mano colpivano l’attenzione degli scienziati sono diventati talmente numerosi e tra loro differenti che il campo di studio della scienza è diventato sempre più vasto e misto.

FISICA Studia i fenomeni naturali.

BIOLOGIA Studia gli esseri viventi.

Per fare scienze

L’originaria scienza è diventata sempre più un insieme di “discipline scientifiche” e oggi quindi si parla di “scienze” o, più esattamente, di diverse “branche della scienza”, ciascuna delle quali spesso è suddivisa in vari settori che, pur in collegamento tra di loro, si occupano di argomenti specifici e circoscritti. Ecco in queste due pagine le principali branche della scienza. GEOLOGIA Studia l’origine, la morfologia e l’evoluzione della Terra.

METEOROLOGIA Studia l’atmosfera terrestre e i suoi effetti sul clima.

ECOLOGIA Settore della biologia che studia i rapporti tra gli esseri viventi e l’ambiente.

ETOLOGIA Settore della biologia che studia il comportamento animale.

VULCANOLOGIA Settore della geologia che studia la natura, le caratteristiche fisiche e la distribuzione dei fenomeni vulcanici.

FISICA E CHIMICA

Raccogliere e rappresentare dati Ai fini di una perfetta informazione scientifica può essere necessario saper raccogliere e rappresentare dati. I dati ottenuti da una ricerca si raccolgono in tabelle e si rappresentano graficamente mediante ideogrammi, istogrammi, areogrammi e diagrammi cartesiani. L’ideogramma è un grafico per “idea”: i dati vengono visualizzati infatti da una figura che ne dà effettivamente l’idea e il numero di volte in cui essa viene ripetuta esprime la grandezza numerica dei dati che si vogliono rappresentare. Osserviamolo con un esempio. Se vogliamo rappresentare con un ideogramma i dati relativi al “consumo di energia elettrica per un’ora di utilizzo di alcuni elettrodomestici”, scegliamo, ad esempio, una lampadina come “idea-grafico” e, assegnando ad essa il valore di 100 Watt di consumo di energia per ogni ora di utilizzo, avremo il seguente ideogramma:

elettrodomestico Asciugacapelli Televisore Radio Registratore Frigorifero

consumo energetico (W/h) 1000 300 50 100 650

asciugacapelli televisore radio registratore

= 100 W/h

frigorifero

L’istogramma è una rappresentazione grafica nella quale i dati sono rappresentati con rettangoli o parallelepipedi, disposti orizzontalmente o verticalmente, aventi tutti uguale base e la cui lunghezza o altezza rappresenta i dati in questione. Osserviamolo con un esempio. kg

150 120 90 75

Belgio

Portogallo

Italia

60 Francia

Se vogliamo rappresentare con un istogramma i dati relativi al “consumo pro capite annuo di carne in alcune nazioni”, disegniamo sei parallelepipedi (quanti sono i dati) aventi la stessa base e stabilendo che 1 cm di altezza equivale a un consumo annuo di 30 kg di carne pro capite (cioè a testa), avremo l’istogramma a fianco.

Grecia

Spagna Grecia Francia Italia Portogallo Belgio

consumo di carne (kg) 90 60 120 75 90 150

Spagna

nazione

Per fare scienze

L’areogramma è la rappresentazione grafica mediante la quale si mette in evidenza la suddivisione di un certo fenomeno in alcuni suoi aspetti generalmente espressi in percentuale, ad esempio una popolazione suddivisa in fasce di età, un territorio suddiviso in zone altimetriche (montagna, collina, pianura) o il verde di una città suddiviso nei vari tipi di alberi presenti. Osserviamolo con un esempio. Se vogliamo rappresentare con un areogramma i dati relativi alla “superficie territoriale dell’Italia suddivisa in montagna, collina e pianura”, avremo l’areogramma a fianco:

territorio Montagna Collina Pianura ITALIA

superficie (m2) 105 000 126 000 69 000 300 000

percentuale (%) 35 42 23 100

collina 42% pianura 23%

montagna 35%

Il diagramma cartesiano è la rappresentazione grafica sul piano cartesiano ortogonale di due grandezze che dipendono in qualche modo l’una dall’altra, ad esempio le ore della giornata e la temperatura atmosferica, il numero di matrimoni celebrati in una città nei vari mesi dell’anno o l’affluenza di persone in un supermercato nelle varie ore di apertura di una giornata. Osserviamo con un esempio come si procede per disegnare un diagramma cartesiano (un discorso che riprenderai più approfonditamente nello studio della matematica). Consideriamo “la temperatura registrata ogni due ore fra le 4 e le 18 di una giornata”e supponiamo di aver registrato i seguenti dati:

tempo (in h) temperatura (in °C)

4 6

6 8

8 9

10 12

12 15

14 16

16 11

1. Disegniamo due semirette perpendicolari, che si chiamano assi cartesiani ortogonali, e indichiamo con O l’origine delle due semirette che sarà anche l’origine degli assi cartesiani. 2. Su questi assi riportiamo i nostri dati (il tempo t sull’asse orizzontale da O verso destra e la temperatura T sull’asse verticale da O verso l’alto) a intervalli regolari. 3. Disegniamo i punti di incontro di tutti i dati corrispondenti (4-6 °C, 6-8 °C,…), tracciando per essi le parallele agli assi. 4. Uniamo con una spezzata tutti i punti di incontro che abbiamo disegnato. La spezzata che abbiamo ottenuto è il diagramma cartesiano che rappresenta il variare della temperatura nell’intervallo di tempo considerato.

18 7

T (°C) 16 15 12 11 9 8 7 6

10 12 14 16 18 t (h)

FISICA E CHIMICA

Misurare una grandezza Per avere informazioni e conoscenze scientifiche spesso è necessario descrivere il fenomeno in termini matematici e quindi serve anche saper misurare grandezze. Come sai: si chiama grandezza qualsiasi caratteristica che può essere misurata; misurare una grandezza vuol dire confrontarla con un’altra omogenea, fissata come unità di misura, per stabilire quante volte questa è contenuta in quella da misurare; il numero, naturale o decimale, che esprime quante volte l’unità di misura è contenuta nella grandezza da misurare si dice misura di quella grandezza. Per misurare lunghezze, superfici, volumi, capacità e massa si usa il Sistema Metrico Decimale, chiamato metrico dal termine greco metron (cioè “misura”) e decimale perché le varie unità di misura sono multipli e sottomultipli del numero 10. Nelle tabelle seguenti rivediamo le unità di misura del Sistema Metrico Decimale.

Le unità di misura della lunghezza MULTIPLI × 1000

× 100

× 10

dam

1000 m

100 m

10 m

UNITÀ DI MISURA m

SOTTOMULTIPLI : 10

: 100

: 1000

0,1 m

0,01 m

0,001 m

Le unità di misura della superficie MULTIPLI × 1 000 000

× 10 000

× 100

km2

hm2

dam2

1 000 000 m2

10 000 m2

100 m2

UNITÀ DI MISURA m2

SOTTOMULTIPLI : 100

: 10 000

: 1 000 000

dm2

cm2

mm2

0,01 m2

0,0001 m2

0,000001 m2

Le unità di misura del volume MULTIPLI

×1 000 000 000

× 1 000 000

× 1000

km3

hm3

dam3

1000000000m3

1 000 000 m3

1000 m3

UNITÀ DI MISURA m3

SOTTOMULTIPLI : 1000

: 1 000 000

:1 000 000 000

dm3

cm3

mm3

0,001 m3

0,000001 m3

0,000000001 m3

Per fare scienze

Gli attuali sistemi di misura fanno parte del Sistema Internazionale di Misura (S.I.), nato per l’esigenza di utilizzare misure universali. Esso stabilisce le sette grandezze fondamentali e, per ciascuna di esse, l’unità di misura fondamentale con il suo simbolo.

grandezza Lunghezza Massa Tempo Intensità di corrente elettrica Temperatura termodinamica Quantità di materia Intensità luminosa

unità metro chilogrammo secondo ampere kelvin mole candela

simbolo m kg s A K mol cd

Le unità di misura della massa MULTIPLI × 1000

× 100

× 10

100 kg

10 kg

1000 kg

–

UNITÀ DI MISURA kg

SOTTOMULTIPLI : 10

: 100

: 1000

dag

0,1 kg

0,01 kg

0,001 kg

SOTTOMULTIPLI DEL GRAMMO

GRAMMO : 1000

: 10

: 100

: 1000

0,001 kg

0,1 g

0,01 g

0,001 g

Le unità di misura della capacità MULTIPLI × 100

× 10

dal

100 <l

10 <l

UNITÀ DI MISURA

SOTTOMULTIPLI : 10

: 100

: 1000

0,1 <l

0,01 <l

0,001 <l

Qualcosa di più

I sistemi di misura anglosassoni I n Gran Bretagna l’introduzione del Sistema Metrico Decimale è abbastanza recente e ancora oggi sono in uso vecchie unità di misura. Osserva.

misure di lunghezza inch (pollice) MISURE foot (piede) CORRENTI yard (iarda) mile (miglio terrestre) cable (cavo) MISURE nautical mile (miglio marino) NAUTICHE nautical league (lega marina)

= 2,539 cm = 0,3048 m = 0,9144 m = 1609,34 m = 182,88 m = 1853,26 m = 5559,78 m

misure di superficie square inch (pollice quadrato) square foot (piede quadrato) square yard (iarda quadrata) square mile (miglio quadrato)

= 6,4465 cm2 = 928,88 cm2 = 0,833 m2 = 2,5899 km2

misure di volume cubic inch (pollice cubico) cubic foot (piede cubico) cubic yard (iarda cubica)

= 16,38 cm3 = 0,0283 m3 = 0,746 m3

misure di capacità gallon(gallone) pint (pinta) quart (boccale - quarto di gallone) hogshead (botte) bushel (staio)

= 4,54 l = 0,56 l = 1,13 l = 572,491 l = 36,34 l

1 piede = 12 pollici 1 iarda = 3 piedi = 36 pollici

1 lega marina = 3 miglia marine

1 iarda quadrata = 9 piedi quadrati

Gallone.

P er le misure di peso, nell’uso commerciale, si utilizza il sistema Avoirdupois. sistema Avoirdupois grain (grani) ounce (oncia) imperial standard pound (libbra) stone (botte) short ton (tonnellata minore) long ton (tonnellata maggiore)

= 0,064 g = 28,33 g = 0,453 kg = 6,35 kg = 907,18 kg = 1016,04 kg

1 libbra.

Once.

Per fare scienze

Strumenti per misurare Nel campo delle misure, come forse sai già, possiamo avere misure dirette e indirette: si dice diretta una misura ottenuta per confronto diretto con l’opportuna unità di misura, si dice indiretta una misura ottenuta attraverso calcoli su altre grandezze.

Ho la misura diretta delle basi e dell’altezza. (B+b)xh Se applico la formula A = 2 ottengo la misura indiretta dell’area di questo trapezio.

Di fondamentale importanza per le misure dirette sono gli strumenti di misura. Osserva quelli più comunemente usati.

Per misurare lunghezze calibro metro a nastro

Per misurare masse o pesi

riga

bilancia a molla

squadra

metro da muratore stadera

Per misurare capacità

bilancia elettronica pipette graduate

contagocce becher

bilancia a due bracci

FISICA E CHIMICA

Il laboratorio scientifico Per poter eseguire gli esperimenti di fisica, chimica e biologia è necessario avere un laboratorio. Molto probabilmente la tua scuola è già attrezzata ma, nel caso non lo fosse, è semplice procurarsi l’attrezzatura di base per poter allestire un piccolo laboratorio. L’attrezzatura di base è facilmente reperibile presso negozi specializzati, nelle farmacie, nei supermercati o anche in casa. Gli esperimenti che ti verranno proposti, organizzati e allestiti con materiale di facile consumo, saranno più semplici e divertenti, ma soprattutto più sicuri, se osservi le seguenti regole.

Il laboratorio deve essere un ambiente luminoso e tranquillo. Gli attrezzi e i materiali vanno tenuti in ordine per essere facilmente trovati da tutti. Non mescolare mai sostanze chimiche, non annusare, né tanto meno assaggiare. Prima di eseguire un esperimento leggi bene le istruzioni e non modificare alcuna fase. Prepara prima e con cura gli strumenti e i materiali necessari. Effettua qualunque operazione lentamente e con la massima attenzione. Durante il riscaldamento tieni le provette con pinze di legno, agitale lentamente e non tenerle mai con l’apertura rivolta verso di te o verso i compagni. Non indossare medaglie o ciondoli pendenti e tieni legati i capelli se sono lunghi. Rivolgi molta attenzione ai simboli presenti sui prodotti chimici: essi indicano gradi diversi di pericolosità.

Indica sostanze nocive e irritanti

Indica sostanze corrosive e prescrive l’uso di guanti

Indica sostanze infiammabili da non usare vicino a fiamme libere

Indica sostanze velenose da usare solo in presenza di un adulto

Per fare scienze

Ecco che cosa serve per allestire un laboratorio scientifico dove effettuare i semplici esperimenti che ti verranno proposti in seguito. sostegno provette

matraccio beuta piastra elettrica

bacchette per mescolare pipetta becher contagocce cilindro graduato

portaprovette

crogioli di porcellana

bilancia a pesi

0 1 2 3

-20

-10

bilancia di precisione

termometro da laboratorio

5 6

dinamometro

7 8 9

termometro per ambienti

microscopio

lavandino

treppiede fornello ad alcol

reticella

bombola a gas

pinze di legno

becco Bunsen

Salute e sicurezza

Segnali di sicurezza A bbiamo visto come, per lavorare con sicurezza in un laboratorio scientifico, Ă¨ bene attenersi a certe regole quale quella di prestare molta attenzione ai segnali presenti sui prodotti chimici che indicano la pericolositĂ delle sostanze che si usano.

In materia di sicurezza tantissimi altri segnali ci aiutano a evitare dei pericoli se rimaniamo consapevoli e attenti; impariamo a prenderli in seria considerazione. A questo scopo Ă¨ importante quindi conoscerli: eccotene alcuni.

Segnali antincendio

Estintori

Lancia antincendio

Scala antincendio

Pulsante da premere in caso di emergenza

Direzione da seguire

Telefono per interventi antincendio

Divieto di fumare o usare fiamme libere

Divieto di sostanze alimentari

Divieto di gettare rifiuti negli scarichi

Non toccare

Segnali di divieto

Divieto di spegnere con acqua

Divieto di fumare

Segnali di pericolo

Tossico

Esplosivo

Nocivo e/o irritante

Pericolo per lâ&#x20AC;&#x2122;ambiente

Comburente

Infiammabile

Corrosivo

Per fare scienze

Segnali di emergenza

Percorso / uscita di emergenza

Percorso da seguire

Doccia di sicurezza

Lavaggio oculare

Pronto soccorso

Telefono emergenza

Barella

Segnali di avvertenza

Rischio biologico

Materiale radioattivo

Bassa temperatura

Campo magnetico intenso

Guanti di protezione obbligatoria

Protezione obbligatoria del corpo

Radiazioni laser

Radiazioni non ionizzate

Segnali di prevenzione

Protezione obbligatoria degli occhi

Protezione obbligatoria delle vie respiratorie

FISICA E CHIMICA

asciugacapelli televisore radio registratore frigorifero

= 100 W/h

kg 150 120 90

Belgio

Portogallo

Italia

Francia

pianura 23%

75 collina 42% 60 Grecia

Secondo il metodo sperimentale di Galileo, il lavoro di un qualunque scienziato si basa sui seguenti punti: • osservare attentamente il fenomeno, porsi delle domande e raccogliere tutti i dati e le informazioni necessarie; • dare delle risposte alle proprie domande formulando un’ipotesi; • verificare sperimentalmente la propria ipotesi; • trarre le conclusioni arrivando alla conoscenza scientifica, cioè alla legge o regola che spiega il fenomeno.

Ai fini di una perfetta informazione scientifica è necessario saper raccogliere e rappresentare dati. I dati ottenuti da una ricerca si raccolgono in tabelle e si rappresentano graficamente mediante ideogrammi, istogrammi, areogrammi e diagrammi cartesiani.

Spagna

Quando ci mettiamo nelle condizioni di non subire un fenomeno ma di volerne essere consapevoli scoprendo perché e come esso accade, “facciamo scienze”, ovvero ci trasformiamo in “scienziati” capaci di superare la fase di conoscenza passiva per arrivare alla fase di conoscenza scientifica.

montagna 35%

T (°C) 16 15 12 11 9 8 7 6

Nel corso dei secoli l’originaria scienza è diventata sempre più un insieme di "discipline scientifiche" e oggi quindi si parla di "scienze" o, più esattamente, di diverse "branche della scienza", ciascuna delle quali spesso è suddivisa in vari settori che si occupano di argomenti specifici e circoscritti.

10 12 14 16 18 t (h)

Si chiama grandezza qualsiasi caratteristica che può essere misurata. Misurare una grandezza vuol dire confrontarla con un’altra omogenea, fissata come unità di misura, per stabilire quante volte questa è contenuta in quella da misurare. Il numero, naturale o decimale, che esprime quante volte l’unità di misura è contenuta nella grandezza da misurare si dice misura di quella grandezza.

Per fare scienze

Parole chiave Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Metodo sperimentale Ideogramma Istogramma

Areogramma Diagramma cartesiano Grandezza

Misura Sistema Internazionale di Misura Sistema Metrico Decimale

Verifica Ciò che Cio sai

1. Spiega con parole tue il significato di “fa-

4. Segna il completamento esatto.

re scienze”. Se in un ideogramma = 100 m2 di verde, 250 m2 di verde sono rappresentati da: a

5. Segna il completamento esatto. 2. Che

cosa si intende per metodo sperimentale? Descrivine le fasi.

3. Completa. a) La biologia studia

Se in un istogramma 100 persone sono rappresentate da un rettangolo alto 2 cm, 50 persone sono rappresentate da un rettangolo alto: a 0,5 cm

b 1 cm

c 2,5 cm

6. Completa. a) Si chiama grandezza qualsiasi

b) L’astronomia studia

b) Misurare una grandezza significa c) Si chiama misura di una grandezza

c) La fisica studia

7. Completa. d) La chimica studia

a) L’unità di misura principale della lunghezza è

, il cui simbolo è

b) I multipli dell’unità di misura principale della e) L’ecologia studia

lunghezza sono c) I sottomultipli dell’unità di misura principale della lunghezza sono

FISICA E CHIMICA

8. Completa.

9. Completa.

a) L’unità di misura principale della massa è il

massa sono c) I sottomultipli dell’unità di misura principale della massa sono

, il cui simbolo è b) I multipli dell’unità di misura principale della capacità sono c) I sottomultipli dell’unità di misura principale della capacità sono

10. Rappresenta con un ideogramma i dati re-

13. Rappresenta con un diagramma cartesia-

lativi al consumo medio annuo di patate in alcune regioni italiane, basandoti sulla tabella.

no i dati relativi al numero di persone presenti in un supermercato dalle 9 alle 13.

b) I multipli dell’unità di misura principale della

Ciò che Cio sai fare

a) L’unità di misura principale della capacità è il

regione Liguria Piemonte Umbria Calabria Sicilia

consumo in kg 9 8 10 15 20

11. Rappresenta con un istogramma i dati relativi al numero giornaliero di visitatori di un museo, basandoti sulla seguente tabella.

giorno Martedì Mercoledì Giovedì Venerdì Sabato Domenica

n. visitatori 20 25 10 15 30 50

ora n°

9 20

10 80

11 100

12 120

14. Completa le uguaglianze date nei seguenti esercizi. a) 39 m =

390 hm = 7,245 km = b) 4380 dam2 =

2,091 m2 = 467 dam2 = c) 1598,7 dm3 =

0,251 km3 = 760 823 mm3 =

cm km dm m2 dam2 dm2 m3 hm3 dm3

12. Rappresenta con un areogramma i dati relativi al numero di alberi (per tipo) presenti in un parco, basandoti sulla seguente tabella.

alberi Pini Abeti Faggi Querce

n. alberi 111 51 75 63

13 60

d) 2900 cl =

0,0041 <l = 58 000 ml = e) 0,63 kg =

34 752 g = 0,818 kg =

dl ml dl dag kg g