UN LAVORO DI DIDATTICA
LABORATORIALE ED INTEGRATA
Le meteoriti per…… conoscere alcune grandezze fisiche
fondamentali, parlare di tettonica globale e di Sistema
Solare senza trascurare i passaggi del metodo scientifico
Premessa
L’ adesione del nostro Liceo al PLS ha reso
possibile attuare nelle classi del terzo anno
C e D il progetto “Laboratorio itinerante
di meteoriti-PLS”.
L’attività è stata coordinata dal prof. Aldo
Altamore del Dipartimento di Fisica
dell’Università RomaTRE ed organizzata
grazie alla collaborazione fra i docenti di
area scientifica dei tre istituiti superiori
partecipanti ( Liceo Classico SOCRATE,
Liceo delle Scienze applicate PEANO, Itis
ARMELLINI), coadiuvati dal dott. Paolo
Aloe e dal dott. Federico Di Paolo del
Dipartimento di Fisica RomaTRE.
Il lavoro, oltre a corrispondere alle
indicazioni previste dal PLS, verrà
presentato dal prof. Aldo Altamore al
European Week of Astronomy and Space
Science (Saint Petersburg, 4-8 July
2011) Session: Astronomy Education and
Public Outreach in Europe.
Fasi del Progetto
Piano didattico presentato in conformità con le
specifiche nazionali
Scuola: LICEO CLASSICO SOCRATE
Classi: Terzo anno C e D
N. studenti che partecipano: 48 alla 1° lezione, 14 alle attività successive
Insegnante: prof.ssa Claudia Moretti
Piano didattico presentato in conformità con le
specifiche nazionali
Piano didattico presentato in conformità con le
specifiche nazionali
Le attività si sono svolte in orario extracurricolare, ad
eccezione del primo seminario-lezione che ha potuto così
essere rivolto alle due classi intere.
Gli allievi che hanno partecipato alle attività pomeridiane sono:
Terzo anno sezione C: Brigida Luca, de Angelis Anna, Fatale
Federica, Mariani Alessandra, Mari Giulia, Ruffini Giulia,
Siciliano Chiara.
Terzo anno sezione D: Di Buduo Flavia , Lombardo Ludovica,
Malitesta Francesco, Messina Monica, Poli Rosanna, Moschin
Piergiorgio, Sabene Lorenzo.
Al termine delle attività e del monitoraggio previsto, gli
studenti ricevono un attestato dal MIUR – USR Lazio
Questo lavoro è stato curato da:
Fatale Federica, Mariani Alessandra, Mari Giulia, Siciliano
Chiara, Messina Monica, Lombardo Ludovica.
Seminario
METEOROIDE
Qualunque corpo che, provenendo dallo spazio esterno,
penetra in atmosfera, viaggiano a velocità dell’ordine di
alcune decine di km/s
METEORA
Effetto visuale (traccia, lampo, scia) provocato da
meteoroide nell’attraversare l’atmosfera, dovuto alla
ionizzazione per attrito sia dei materiali dell’atmosfera
che del meteoroide. Tale fenomeno si origina intorno a 100
km di altezza e in genere si esaurisce intorno a 50 km.
METEORITE
Meteoroidi di dimensioni (oltre 50 m) tali da non consumarsi
completamente in atmosfera e cadere sulla superficie
determinando la formazione di un cratere di impatto.
Luogo di origine
Zone di ritrovamento
La maggior parte dei meteoriti sono frammenti di collisioni di
asteroidi, corpi di forma irregolare che orbitano intorno al sole
concentrati nella Cintura degli Asteroidi, tra le orbite di Marte e
Giove.
Esiste anche una piccola parte di meteoriti provenienti dalla Luna e
da Marte. In entrambi i casi la loro provenienza è stata appurata
grazie alla somiglianza tra la composizione chimica e mineralogica
del meteorite e il suolo e le rocce dei due corpi celesti.
La superficie terrestre per il 70% è coperta da acqua, la maggior
parte dei meteoriti cade quindi in alto mare rendendo molto
difficoltoso o spesso impossibile il ritrovamento.
I meteoriti sono più facilmente reperibili in zone desertiche calde e
fredde, in cui il particolare clima secco e l’assenza di vegetazione
ne evita il deperimento.
Riconoscimento delle meteoriti
Non sempre è facile distinguere le rocce terrestri dalle meteoriti,
soprattutto quando si ha a che fare con meteoriti molto antiche che con
il tempo hanno perso le loro particolari caratteristiche.
Esistono però vari parametri che ci permettono di effettuare questa
distinzione:
La crosta di fusione, causata dalla fusione della superficie della
meteorite e dal successivo raffreddamento. Questa è una delle
caratteristiche che si perdono con il tempo e con i processi di erosione.
Regmaglipti: si tratta del risultato dei vorticosi movimenti dell’aria con
cui le meteoriti vengono a contatto durante l’attraversamento
dell’atmosfera. Questo fenomeno provoca la formazione di cavità, simili
a impronte lasciate dalle dita sulla creta.
Figure di Widmanstatten: caratteristica presente nella maggior parte
dei meteoriti metallici, le figure sono costituite da un concrescimento di
due diverse leghe ferro-nichel che si formano nel raffreddamento.
Condrule: piccoli oggetti sferoidali di pochi millimetri immersi in una
matrice a grana più fine. La presenza di questi elementi permette il
riconoscimento dei condriti.
QUALCHE ESEMPIO
Figure di Widmanstatten
Regmaglipti
Crosta di fusione
Condrule
Classificazione generale dei meteoriti
Meteoriti rocciose/Aeroliti
Condriti
Acondriti
Meteoriti ferrose/Sideriti
Atassiti
Ottaedriti
Esaedriti
Meteoriti ferro-rocciose/Sideroliti
Mesoderiti
Pallasiti
Condriti, Acondriti, Mesosideriti
Meritano una definizione più particolareggiata:
Condriti: meteoriti rocciose caratterizzate da
condri,composte da piccole sferette di silicati.
A loro volta si dividono in ordinarie, carbonacee e
enstatiti.
Acondriti:meteoriti di composizione simile alle rocce
magmatiche (silicati) caratterizzate da assenza di
condri.
Mesoderiti:meteoriti ferro-rocciose con struttura
cristallina spesso caratterizzate dalla presenza di
figure di Widmanstatten.
QUALCHE ESEMPIO
pallasite
acondrite
ottaedrite
condrite
mesosiderite
atassite
2° Lezione
Meteoriti e crateri d’impatto
Ogni giorno un gran numero di meteoroidi entra nell'atmosfera
terrestre, per un ammontare di parecchie centinaia di tonnellate
di materiale. Ma essi sono quasi tutti molto piccoli, solo alcuni
milligrammi ciascuno. Soltanto i più grandi riescono a raggiungere
la superficie terrestre e diventare così meteoriti. La meteorite
più grande che sia mai stata trovata (Hoba, in Namibia) pesa 60
tonnellate.
La velocità media alla quale i meteoroidi entrano
nell'atmosfera à compresa tra 10 e 70 km/sec. Ma tutti, eccetto
quelli davvero molto grandi, vengono rapidamente rallentati a
poche centinaia di chilometri orari dall'attrito con l'atmosfera e
colpiscono la superficie terrestre senza molto strepito. Tuttavia
i meteoroidi più grandi di alcune centinaia di tonnellate sono
rallentati molto poco: solo questi meteoroidi giganti,
fortunatamente rari, producono dei crateri.
Crateri di impatto
Qualsiasi oggetto, meteoroide o cometa, che entra nel campo
gravitazionale della Terra e non si distrugge nel passaggio in
atmosfera arriva sulla superficie determinando un cratere di
impatto.
Questi eventi si registrano non solo sulla Terra ma anche su tutti
i corpi celesti che hanno una superficie solida, il diametro del
cratere dipende principalmente dalle dimensioni del meteorite e
dalla sua velocità.
Questo fenomeno è oggi un evento raro ma ha giocato un ruolo
importante nei primordi di vita del Sistema Solare e quindi anche
della Terra, ecco perché lo studio dei meteoriti fornisce
informazioni sull’origine del sistema solare.
Crateri di impatto
Un corpo che impatta sulla superficie terrestre ha una velocità compresa
tra 10-70 km/s e determina uno shock che si propaga con onde circolari sul
terreno, mentre il corpo impattante si fonde e vaporizza insieme a parte
delle rocce colpite.
L’onda d’urto dovuta all’impatto determina la formazione del cratere e i
materiali vengono proiettati intorno e verso l’alto a notevole velocità. Alla
fine il bordo del cratere collassa all’interno riempiendo in parte il fondo.
Questo processo ha una durata di pochi minuti.
Il Meteor Crater in Arizona (1,2 km di diametro, profondità circa
170 m) si è originato circa 50 000 anni fa in seguito all’impatto
con un asteroide metallico di 25-30 m e che viaggiava a circa 20
km/s.
Roter Kamm è un cratere da impatto situato nel deserto della
Namibia, a circa 60 km dalla costa e a circa 70 km dal Sudafrica. Ha
un diametro di circa 2,5 km e una profondità di circa 130 m e la sua
età è stimata essere 3,7 Ma. Il fondo è ricoperto da depositi di
sabbia con uno spessore inferiore a 100 m. Il meteorite che lo ha
originato aveva probabilmente un diametro di pochi metri.
Crateri vulcanici
I crateri d’impatto
meteorico non sono
ovviamente i solo
crateri osservabili
sui corpi celesti di
tipo roccioso come
la Terra, sono
infatti presenti
anche crateri
vulcanici.
Il Vulcanismo è un
fenomeno continuo,
forma grandi
strutture, i vulcani
centrali e i vulcani
lineari, distribuite
su area vaste e ben
precise
Crateri vulcanici
Il vulcanismo si manifesta con tipiche eruzioni, fuoriuscita di
materiale fuso molto caldo e ricco di gas detto magma; appena il
magma arriva in superficie perde i componenti gassosi formando la lava
che in tempi brevi si solidifica e forma l’edificio vulcanico o vulcano
(diametro base da poche decine a centinaia di Km, altezze anche oltre
4000 m).
L’eruzione vulcanica è innescata dalla pressione dei gas presenti nel
magma che riescono a vincere la pressione delle rocce sovrastanti.
Vulcanismo, Tettonica, Degradazione meteorica, Crateri da impatto
sono i quattro principali processi che agiscono e modificano
continuamente la superficie della Terra; è una sorta di un privilegio
visto che i pianeti gassosi non conoscono questi fenomeni e quelli
rocciosi non sempre presentano un atmosfera paragonabile a quella
terrestre
Vulcanismo
Fenomeno continuo
Forma grandi strutture
Sono distribuiti su area ben precise
Crateri da impatto
Presentano una bassa frequenza
Oggi ancora più rari rispetto al passato
Sono distribuiti in modo più o meno uniforme
Distribuzione geografica dei quasi 600 vulcani
attivi emersi e dell’attività lineare sottomarina
Il mosaico delle placche e la distribuzione dei vulcani e dei terremoti,
Come è noto c’è una coincidenza tra i due tipi di fenomeni ma questa è
……….un’ altra storia
Confronto fra Meteor Crater e il Vesuvio.
Per distinguere e descrivere un cratere da
impatto dobbiamo prendere in esame
le seguenti caratteristiche:
forma (più o meno circolare)
pareti (poco ripide, levigate e nette oppure con striature dovute allo
scorrimento dell’acqua piovana)
bordo (netto oppure variamente eroso)
fondo (concavo, piatto, con eventuali sedimenti)
ejecta (materiali espulsi al momento dell’impatto che formano una raggiera
più o meno evidente intorno al cratere
Cratere Kamil, si trova in Sudan lat.
22° 01’ 06’’ N long. 26° 05’ 16’’ Est,
si è formato per l’impatto di un corpo
metallico di 1,3m di diametro con
massa di poco inferiore a 10
tonnellate.
LA DENSITÁ
La densità è una grandezza fisica derivata ed esprime il rapporto
tra la massa ed il volume di un corpo, infatti viene anche indicata
come massa volumica. :
m
d
V
La densità è una grandezza intensiva che non dipende dalla forma
e dalle dimensioni del corpo ma dalla sua struttura interna e dalle
condizioni ambientali è infatti considerata a tutti gli effetti la
“carta di identità” del corpo in esame. La densità dà pertanto
indicazioni sulla composizione chimico-fisica del corpo esaminato.
Nel SI si misura in kg/m3
LA RESISTENZA ELETTRICA
La resistenza elettrica è una grandezza fisica scalare che misura la
tendenza di un conduttore ad opporsi al passaggio di una corrente
elettrica quando è sottoposto ad una tensione.
Questa opposizione dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue
dimensioni e dalla sua temperatura.
La relazione R = V / I
si ricava dalla prima legge di Ohm (I = V / R), in cui
R
è la resistenza tra gli estremi del componente, nel S Il'unità di misura della
resistenza è l'ohm, Ω. La resistenza si misura con l’ohmmetro
V è la tensione cioè la causa fisica che spinge le cariche elettriche a passare da
un punto a più alta energia potenziale verso un punto ad energia potenziale più
bassa, generando una corrente elettrica, se tra i due punti è interposto del
materiale conduttore di elettricità. Si misura con il voltmetro e l’unità di misura
nel SI è il volt
I è l'intensità di corrente che attraversa il componente cioè la quantità di
carica elettrica che attraversa una sezione di un conduttore nell'unità di tempo,
è una grandezza fisica misurabile con l’amperometro e l’unità di misura nel Si è
l’ampere).
La seconda legge di Ohm e la resistività
Esiste inoltre la seconda legge di Ohm, che permette di calcolare la
resistenza di un materiale a partire dalle sue caratteristiche fisiche e
geometriche.
Infatti
R = ρ l / S (1)
dove ρ è la resistività del materiale, l la lunghezza (m) ed S la sezione (m
quadrati). Come si vede la resistenza di uno spezzone di filo elettrico (o di
un qualsiasi altro conduttore) è proporzionale alla lunghezza del materiale,
ed è inversamente proporzionale alla sua grossezza o area di taglio o
sezione.
Dalla (1) si può ricavare la resistività o resistenza elettrica specifica
ρ = R x S / l
cioè l'attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle
cariche elettriche. Come la densità, la resistività fornisce indicazioni sulla
natura chimico-fisica di un corpo.
Nella tabella sono riportate le resistività caratteristiche di alcuni
materiali a condizioni normali:
(Ωm = 10-6 Ω·mm²/m)
Materiale
Resistività (Ωm)
Argento
1,62 × 10-8
Rame
1,69 × 10-8
Oro
2,35 × 10-8
Alluminio
2,75 × 10-8
Tungsteno
5,25 × 10-8
Ferro
9,68 × 10-8
Platino
10,6 × 10-8
Silicio puro
2,5 × 103
Vetro
tra 1010 e 1014
Quarzo fuso
circa 1016
E dopo la teoria…
…ecco la pratica !
Nel primo laboratorio ci siamo
divisi in gruppi e abbiamo
lavorato sulla densità. L’attività si
è articolata in due fasi.
Nella prima abbiamo misurato la
densità di una barretta di acciaio,
di una barretta di rame e di una
barretta di ottone.
Nella seconda abbiamo misurato
la densità di alcuni frammenti di
rocce terrestri e di alcuni
frammenti di meteoriti.
Per farlo, abbiamo prima ottenuto
la massa dei campioni con bilancia
di precisione.
Per misurare il volume il
procedimento è stato un po’ più
complesso.
Primo laboratorio
Misure di densità
Un cilindro graduato è stato in
parte riempito d’acqua, abbiamo
preso nota del livello scelto.
Abbiamo immerso
delicatamente nell’acqua il
campione da esaminare e abbiamo
preso nota del nuovo livello
a cui era arrivata l’acqua.
Con una semplice differenza tra il
volume iniziale dell’acqua e quello
finale abbiamo ottenuto il volume
del campione.
Questo procedimento è quello
standard quando l’oggetto ha una
forma irregolare che non consente
un calcolo di volume di tipo
geometrico.
DATI e RISULTATI
La densità dei tre campioni metallici,usati come controllo del lavoro, sono
risultati per i diversi gruppi di lavoro tutti molto riproducibili, abbiamo
ritenuto perciò di elaborare un solo grafico per metallo e non uno per
gruppo. I dati ottenuti sono inoltre corrispondenti a quelli teorici,
confermando la natura chimica dei campioni esaminati
ACCIAIO
Volume
Massa
Densità
0
0
0
5
41,95
8,39
10
83,9
8,4
RAME
Volume
Massa
0
0
Densità
5
47,11
9,4
10
94,22
9,4
OTTONE
Volume
Massa
Densità
0
0
0
5
44,33
8,86
10
88,7
8,87
I dati ottenuti dai diversi gruppi per i 6 frammenti rocciosi
presentato una discordanza del tutto trascurabile per i frammenti R1,
R2, R3, R4 come evidenziato nelle due serie del grafico. La densità dei
frammenti rocciosi oscilla tra 1 e 2 g/ml, indicando una composizione
diversa da quella dei frammenti meteoritici a disposizione.
Densità frammenti rocciosi
3
1,08
1,16
roccia
1,2
1,24
roccia
1,24
1,23
roccia
1,9
1,93
roccia
2,5
1,91
roccia
2
2,46
roccia
Serie1
1,5
Serie2
1
0,5
0
1
2
3
4
5
6
I dati ottenuti dai diversi gruppi per le 6 meteoriti esaminate hanno
presentato una discordanza del tutto trascurabile per i frammenti
M4 ed M5, come evidenziato nelle due serie del grafico.
La densità dei meteoriti esaminati oscilla intorno a 3 g/ml indicando la
presenza dn ferro nei frammenti esaminati.
Densità frammenti meteoritici
4
3
2,8
meteorite
3,1
meteorite
3,11
3,12
meteorite
3,16
3,22
meteorite
3,32
3,51
meteorite
3,36
Serie1
2
Serie2
1
0
1
2
3
4
5
6
meteorite
Secondo laboratorio
Resistenza e Resistività
Nel secondo laboratorio
abbiamo lavorato sulla
caratteristiche elettriche dei
frammenti meteoritici,
inserendoli in semplici circuiti
e verificando l’eventuale il
passaggio di corrente. I
frammenti meteorici
contenenti ferro e nichel sono
risultati conduttori, anche
particolari punti di frammenti
rocciosi, i nodi ferrosi,
risultano conduttori al
contrario del resto del
frammento.
La misura di resistività invece
è stata effettuata utilizzando
le mine in grafite di alcune
matite. Le matite incise in
punti diversi (lunghezza del
conduttore) sono inserite in
piccoli circuiti e testate per
ricavare la resistenza in
funzione delle varie lunghezze
delle incisioni.
Considerando fissa la sezione
della mina, dalle resistenze
misurate e dalle relative
lunghezze, abbiamo ricavato la
resistività.
Secondo laboratorio
Resistenza e Resistività
DATI e RISULTATI
I dati raccolti dai tre gruppi di lavoro danno valori paragonabili al crescere della
lunghezza della mina e quindi della resistenza. Per la prima incisione invece i dati
raccolti risultano troppo discordanti, probabilmente per la poca sensibilità del
tester o per la diversa sezione della mina incisa. Ne consegue che per la
resistività non abbiamo ottenute rette passanti per 0 come per la densità.
Resistività Grafite 1
12
Gruppo 1
Resistenza
10
8
Serie1
6
Lineare (Serie1)
4
2
0
0
5
10
15
20
Lunghezza
Lunghezza
Resistenza
Resistività
4
6
0,45
7,5
8
0,32
11,3
9
0,24
15
10
0,2
Gruppo 2
Resisitività Grafite 2
16
14
Resistenza
12
10
Serie1
8
Lineare (Serie1)
6
4
2
0
0
5
10
15
20
Lunghezza
Lunghezza
Resistenza
Resistività
3,5
8
0,68
7
9
0,39
10,5
11
0,31
14,5
13
0,27
Gruppo 3
Resistività Grafite 3
14
12
Resistenza
10
8
Serie1
6
Lineare (Serie1)
4
2
0
0
5
10
15
20
Lunghezza
Lunghezza
Resistenza
Resistività
3,5
7
0,6
7,5
8
0,32
10,5
9
0,26
14,5
13
0,27
Terzo laboratorio
Impatti e forma dei crateri
PROTOCOLLO ESPERIENZA
Materiali
recipienti in alluminio
sabbia
sabbia colorata o farina
sasso o biglie di varie dimensioni
vecchi giornali
Meccanismo dell’impatto e forma del cratere
Procedimento
porre il recipiente su fogli di giornale
livellare la sabbia nel recipiente
cospargere sopra un sottile strato di farina
lasciare cadere il sasso da circa 1,5 m in verticale
togliere delicatamente il sasso senza toccare la sabbia
valutare il cratere ottenuto (forma, bordo, ejecta)
ripetere i lanci con angoli di 10°e di 45°
Impatti radenti e
verticali
I nostri impatti radenti e
verticali
e il cratere
lunare Copernico
dovuto ad un
impatto ad
angolo elevato
Impatti radenti
ancora i nostri lanci
e la realtà: il cratere lunare Messier è dovuto ad un impatto radente con direzione
Est-Ovest
E per finire altre immagini dallo spazio: il cratere Daedalus A, 93 km di
diametro, è localizzato sull’emisfero nascosto della Luna (Apollo 11).
Daedalus A
Daedalus B
La
sonda
Messenger,
lanciata dalla NASA nel
2004, si è stabilizzata
nell’orbita di
Mercurio
nel
marzo
2011.
Le
immagini
inviate
dalla
sonda mostrano i crateri
mercuriani. Su Mercurio,
come sulla Luna, mancano
fenomeni atmosferici e
tettonici significativi in
grado di modificarne la
superficie, pertanto anche
i crateri d’impatto non
subiscono l’erosione, come
avviene invece sul nostro
pianeta.
Anche su piccoli corpi celesti non mancano crateri d’impatto:
Phobos (26,6 km nel suo punto più largo, segnato da numerosi crateri
tra cui Stickney) e Deimos (poco craterizzato, 15 km su asse maggiore)
scoperti da Hall nel 1877, sono probabilmente asteroidi catturati dalla
gravità di Marte.
Il meteorite ALH 84001
(recuperato nella zona di Allan Hills nel dicembre 1984)
è stato espulso da Marte circa 17 milioni di anni fa e
circa 13.000 anni fa un frammento è caduto in Antartide
Solo analisi approfondite nel 1994 lo riconoscono come marziano e
individuano nel suo interno strutture a catena di carbonato di
diametro inferiore al mm, chiaro segno di un origine sedimentaria
della roccia di partenza. Nel 1996 David McKay avanza l’ipotesi
dell’origine biologica di tali strutture: nanobatteri fossili.
Recentemente il campione è stato oggetto di nuove tecniche di
indagine i cui risultati sono però ancora controversi
Giove non è un corpo
solido ed ovviamente
non presenta crateri
d’impatto
