Untitled - Cineca - Lauree scientifiche
annuncio pubblicitario
2 Intervento del Dirigente Scolastico del Convitto Cutelli Prof. S. Bresmes Come è noto, ormai da quindici anni ci occupiamo di educazione scientifica sul territorio. Sostenuti dall’ U.S.P di Catania, nella persona del Dott. R. Zanoli e della funzionaria Dott.ssa R. D’Orsi, dalla Prof.ssa J. Immè responsabile Nazionale del P.L.S.-Fisica, anche quest’anno abbiamo realizzato una settimana di “vera scienza” per giovani curiosi e talenti in erba. Numerose, come gli anni precedenti, le visite di studenti di vari gradi di scuola e numerosi i giovani divulgatori che hanno collaborato alla realizzazione dell’ esposizione. Un grazie particolare ai docenti che hanno pensato, sostenuto e realizzato l’evento e a tutti gli allievi che con entusiasmo ci hanno collaborato. Il Dirigente Scolastico Prof. S. Bresmes 3 Intervento del Dirigente U.S.P. Dott. Raffaele Zanoli La mostra interattiva di fisica, realizzata in occasione della settimana della cultura scientifica nazionale 2010, è giunta alla sua quinta edizione. Essa è vanto per l’USP di Catania per tre fondamentali motivi: è un esempio di lavoro di gruppo trasversale tra allievi e docenti dei tre ordini di scuola del territorio catanese; è un evento che “fa scienza”; è il filo di collegamento tra scuole superiori e università. Numerose le Scuole che collaborano e di qualità l’evento realizzato anche grazie alla scuola capofila, il Liceo Classico Europeo Convitto Cutelli di Catania, che offre spazi, coordina i materiali con le scuole in rete e funge da anello di congiunzione con il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Catania. Per una settimana gli studenti del territorio si “riempiono di Scienza” cercando di assaporarla ed anche scoprire i propri talenti scientifici. Grazie a tutti per l’entusiasmo e la professionalità con cui si è lavorato. Dirigente U.S.P. Dott. R. Zanoli 4 Intervento del Coordinatore Nazionale PLS-Fisica Prof.ssa J. Immé Il Progetto Lauree Scientifiche (PLS), giunto ormai alla sua terza edizione, è sempre più sostenuto dal MIUR che, visti i successi raggiunti, lo ha convertito in Piano nazionale. Le attività che il PLS mette in campo sul territorio nazionale, finalizzate a sviluppare le “vocazioni scientifiche”, sono rivolte a studenti e docenti delle Scuole Superiori a sostegno della formazione scientifica e in particolare per far percepire il valore culturale della Fisica, sia per la costruzione del pensiero scientifico che per il progresso tecnologico. L’Ateneo catanese, capofila per il PLS-Fisica, avvalendosi di un forte raccordo locale con la Scuola, ha realizzato e sostenuto negli anni diverse iniziative con lo scopo di interessare i giovani alla Fisica. Una delle iniziative che va in questa direzione è sicuramente la mostra allestita presso il Liceo Classico Europeo Convitto Cutelli, organizzata con grande impegno dalla Prof.ssa M. L. Lizzio, cui va un ringraziamento particolare per l’entusiasmo con cui riesce a coinvolgere docenti e studenti, che, partecipando attivamente all’allestimento degli “esperimenti”, riescono a percepire il lato piacevole della Fisica. Ringraziamenti vanno anche ai docenti e agli studenti, ai primi per l’interesse che suscitano nei giovani verso la Fisica e agli studenti che con piacere si fanno coinvolgere. In essi è riposta la speranza del nostro paese, il cui progresso e sviluppo saranno tanto più efficaci quanto più si investirà oggi in cultura scientifica. Coordinatore Nazionale PLS-Fisica Dip.Fisica e Astronomia-UNI-CT Prof.ssa J. Immé 5 Il progetto L’evento è alla sua quattordicesima edizione e da cinque anni fa parte dalle iniziative ritenute a ricaduta provinciale dalle U.S.P di Catania. La mostra interattiva, allestita in occasione della XX Settimana della Cultura Scientifica, è il risultato di collaborazioni di studio e progettazione tra numerose scuole del territorio. Hanno collaborato: L.C.E. Convitto Cutelli (CT) capafila dell’iniziativa (referenti Prof.sse M. L. Lizzio e S. Selvaggio); L.S. G. Galilei (referente Prof.ssa C. Amato); I.S.S. Brunelleschi Acireale (referente Prof. M. Castorina); L.S. Majorana S. G. La Punta (referenti Prof.ssa A. Cassarino e Prof.re G. Lamartina); L.S. Vittorini Lentini (referente Prof.ssa G. Nicosia); la sezione AIF di Catania; circa 800 allievi che hanno collaborato come creatori dei dispositivi, espositori e divulgatori; e circa 2000 ospiti che hanno visitato la mostra. Referente del progetto Prof.ssa M. L. Lizzio 6 Indice Esperienze di fisica pag 09 1, 2 … 100 Riflessioni A luce di candela Avanti o indietro Che botto Dal respiro un’onda Disco di Benham Effetto cascata Eppur crolla Il gioco della luce Il naso: che molla!! Il topo di campagna La leva La luce a vapore L’allegria del pendolino L’angolo dispettoso L’aria che va in pallone Laser. Interferenza di onde luminose L’equilibrio impossibile L’ombra armonica Motore elettrico Nastri di alluminio Non credo ai miei occhi Palline del deserto Pallone gonfiato Salto in alto Su per il tubo Tanto io non cado Un corpo senza peso Un elastico è davvero elastico? Un palloncino che non scoppia Una bussola per domarle tutte Vola il cappello pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Esperienze di chimica pag 43 7 Acqua invadente Bolle di nebbia Candele che si spengono da sole Dentro un bicchiere Distillazione in corrente di vapore di oli essenziali Ghiaccio secco e indicatori La mousse scientifica Nuvole fredde di diossido di carbonio Soluzione blu che diventa bianca pag pag pag pag pag pag pag pag pag 44 45 46 47 48 49 50 51 52 Ringraziamenti pag 53 8 Esperienze di Fisica 9 1,2 … 100 Riflessioni Materiali utilizzati 2 specchi; una pedana; goniometro. Realizzazione Abbiamo realizzato due specchi incernierati l’uno all’atro in modo tale da poter fare variare l’angolo formato tra essi. Li abbiamo posizionati facendo coincidere il cardine con il centro del goniometro che abbiamo disegnato su una tavola di legno. Vogliamo verificare che al variare dell’angolo tra i due specchi,varia anche il numero di riflessioni. Si verifica infatti che, detto α l’angolo formato dai due specchi, il numero di immagini riflesse sarà uguale al rapporto tra un angolo giro e il suddetto angolo α, meno uno. Numero di immagini = [(360/ α)-1]. 10 A luce di candela Materiali utilizzati supporto di legno; un nastro di alluminio fissato ben teso al supporto; candele di varie altezze. Realizzazione Posizionate le candele sotto il nastro e accendetele. Dopo pochi minuti il nastro si dilata (si allunga) abbassandosi vistosamente al centro. Allontanando le candele il nastro riprende la sua posizione di partenza. L’evento trova spiegazione nel fenomeno della dilatazione termica lineare: un corpo (più lungo che largo) subisce un allungamento, se riscaldato, proporzionale al suo coefficiente di dilatazione secondo la relazione: = (1+α∆t) 11 Avanti o indietro Materiali utilizzati un carrello; un tubo ricurvo pieno d’acqua con una bolla d’aria solidale con esso. Realizzazione Obiettivo dell’esperimento è realizzare un dispositivo capace di riconoscere la differenza fra velocità costante e velocità variabile. Se il carrello viene sottoposto ad una accelerazione, attraverso una forza costante, l’acqua nel tubo subisce anch’essa una forza però contraria, per il terzo principio di azione e reazione, e tenderà a spostarsi nel verso opposto all’accelerazione. Precisiamo che tale spostamento avviene solo perché nel tubo vi è una bolla d’aria e questa permette all’acqua di cambiare posto (impenetrabilità dei corpi: l’acqua prende il posto dell’aria e l’aria prende il posto dell’acqua). Contemporaneamente la bolla si sposta nello stesso verso del moto del carrello e rimane in quella posizione decentrata fino a quando agisce la forza. Appena il moto diventa costante la bolla risale al centro e riprende la posizione di equilibrio. Questo comportamento inaspettato, visto che il carrello continua a muoversi, indica che in realtà la bolla funge da accelerometro ed è in azione solo nella fase di accelerazione e in quella di decelerazione. 12 Che botto!! Materiali utilizzati una campana di vetro, all’interno della quale si può creare il vuoto con una pompa aspirante, un palloncino di gomma. Realizzazione Posizionare sotto la campana il palloncino, sollevato dal piatto per impedire che durante l’aspirazione dell’aria possa bloccare l’apertura del canale, incollare quindi su una parete della campana una puntina da disegno. Man a mano che si pratica il vuoto sotto la campana il palloncino si gonfia. Raggiunta la posizione nella quale è posta la puntina il palloncino scoppia. Ma non si sente alcun rumore! Il fenomeno si può spiegare considerando che il suono è un’onda meccanica e non si può propagare nel vuoto. Come tutte le onde meccaniche per propagarsi ha bisogno di un mezzo nel quale solo per urti successivi l’onda si propaga. 13 Dal respiro un’onda Materiali utilizzati una sonda di respiro; un’interfaccia; PC sul quale, con un software dedicato, possiamo registrare gli eventi respiratori. Realizzazione Posizionata la sonda attorno al torace del visitatore dare lo start all’acquisizione dei dati. Sul monitor si registrerà un’onda periodica: 1. dal numero dei massimi si può dedurre la frequenza 2. dall’altezza dei picchi la capienza polmonare. Dall’analisi del grafico si può evincere lo stato respiratorio della persona: 1. regolare :andamento periodico dell’onda 2. affannato:frequenza elevata 3. apnea: grafico piatto. 14 Disco di Benham Un disco in bianco e nero produce l’illusione del colore quando ruota Quando si fa ruotare il disco in bianco e nero alla velocità giusta, si vedrà apparire al suo interno anelli colorati. I colori che si vedono dipendono dal fatto che i diversi recettori di colore nell’occhio rispondono a velocità differenti. Quali colori si vedono al centro? Si vari anche la velocità di rotazione e la dimensione del disegno e si confrontino i risultati con le osservazioni di prima. Persone diverse vedono diverse intensità di colore sul disco rotante. Non si è del tutto capito perché si vede il colore, ma si sa che nell’illusione ottica sono coinvolte le cellule della visione del colore chiamate “coni”, che si trovano nell’occhio. Vi sono tre tipi di coni. Uno è molto sensibile alla luce rossa, uno alla luce verde e uno alla luce blu. Ogni tipo di cono ha un differente tempo di latenza a rispondere al colore, e un differente tempo di persistenza di risposta a cominciare da quando lo stimolo è stato rimosso. I coni sensibili al blu, per esempio, sono più lenti a rispondere e rimangono attivi più a lungo. Quando si guarda fissamente un’area del disco rotante, si ricevono alternativamente lampi di bianco e di nero. A un lampo bianco, rispondono tutti e tre tipi di coni. Ma il sistema occhiocervello vede il colore bianco solo quando tutti e tre tipi di coni rispondono allo stesso modo. Il fatto che alcuni tipi di coni rispondano più rapidamente di altri e che alcuni tipi di coni rimangano attivi più a lungo di altri, produce uno squilibrio che, in parte, spiega perché si vedono i colori. I colori variano da un bordo all’altro del disco perché, nelle diverse posizioni radiali, gli archi neri hanno differenti lunghezze, e di conseguenza il ritmo dei lampi che producono sulla retina è anch’esso differente. La spiegazione del fenomeno in realtà è più complessa di quella data, che non dice perché, per esempio gli archi neri corti che stanno su tutti i dischi di Benham devono essere anche sottili, altrimenti non appare nessun colore. 15 Effetto Cascata Materiali utilizzati un disco puntinato e forato al centro per permettere l’inserimento di una punta di trapano. Realizzazione Azionare il trapano in modo che il disco inizi a girare e concentrare lo sguardo per 15 secondi sul centro. Se guardiamo successivamente una mano o un’altra immagine ferma si avrà l’impressione che questa ruoti in senso opposto al disco. Il fenomeno si può spiegare considerando il sistema occhio-cervello che un uomo possiede. Nel cervello vi sono due tipi di rilevatori che emettono impulsi nervosi. Quando ci concentriamo sulla rotazione i rilevatori del moto sono attivi e, spostando lo sguardo su un oggetto fermo, non otteniamo immediatamente la percezione della mancanza di moto. Di conseguenza vedremo un moto apparente chiamato “effetto cascata”. 16 Eppur crolla Muovendo il cartone avanti e indietro con piccole scosse ed aumentando pian piano il ritmo si nota che a certe frequenze uno degli anelli si mette a vibrare molto più energicamente degli altri. L’anello risuona a quella frequenza. Anelli di diametro differente risuonano in corrispondenza di frequenze diverse. Il più grande inizia per primo, seguito da quello immediatamente più corto e così via. Il più piccolo vibra solo alle frequenze più alte (le frequenze di risonanza non sono più le stesse se il cartone subisce movimenti verticali piuttosto che orizzontali). Le frequenze alle quali l’anello vibra più facilmente (le frequenze di risonanza)sono determinate da diversi fattori:tra questi l’inerzia(la massa)e la rigidità dell’anello stesso. Oggetti più rigidi hanno frequenze di risonanza più alte,quelle più pesanti le hanno più basse. L’anello più grande ha massa maggiore e rigidità minore,quindi ha la frequenza di risonanza più bassa. Durante un terremoto,due edifici di differenti dimensioni possono rispondere alle vibrazioni della terra in maniera molto diversa l’uno dall’altro:ciò dipende dalle loro frequenze di risonanza,cioè da quanto queste ultime si avvicinano alle frequenze “sollecitanti” del terremoto. La rigidità dell’edificio (che dipende dalla maniera in cui è stato costruito e dai materiali utilizzati) ha importanza pari a quella della sua dimensione. 17 Il gioco della luce Il dispositivo è costituito da una scatola nella quale è stato realizzato un circuito aperto con una lampadina e del fil di ferro per creare una serpentina. Costruito un circuito elementare che produca l’accensione della lampadina interrompiamo il collegamento e creiamo un anello con manico isolante che possiamo fare scorrere sulla serpentina. Accade che, se abbiamo la mano ferma, percorrendo con l’anello tutta la serpentina la lampadina non si accende. Se invece tocchiamo con l’anello la serpentina avviene il contrario: la lampada si accende. Nel primo caso il circuito è aperto mentre nel secondo è chiuso. 18 Il naso: che molla! Uno strumento sempre più utilizzato per migliorare il flusso d’aria attraverso le narici è la striscia nasale (ENDS external nasal dilator streaps) che non richiede l’utilizzazione di alcun tipo di farmaco, ma è un dispositivo puramente meccanico formato da due molle piatte in poliestere ricoperte da un nastro adesivo. Quando vengono applicate al naso, le molle esercitano una forza verso l’esterno che allarga le narici e riduce la resistenza che il flusso d’aria incontra durante l’inspirazione. Questa striscia può esercitare sul naso una forza verso l’esterno di 0,22 Newton causando una dilatazione della narice di 3,5 mm quindi considerando il naso come una molla elastica ideale la sua costante elastica (K) sarà: K=F/x= 0,22N / 0,0035m = 62 N/m 19 Il topo di campagna Il nostro topo ha una gran fretta di ritornare nella sua casa e lo fa non appena si collega la bobina, che è dentro la casa, ai capi della batteria. Così facendo infatti la bobina produce un intenso campo magnetico che è diretto secondo l’asse della bobina stessa e il topo, che è fatto di ferro, si magnetizza e viene risucchiato all’interno della bobina. Il topo si ferma esattamente al centro della bobina, non esce dall’altro lato, perché il campo magnetico continua ad attirarlo anche nell’altro senso. 20 La Leva Abbiamo costruito una bilancia a braccia uguali tramite un vasetto di marmellata, una molletta per bucato, una decina di graffette e un righello. Essa è un dispositivo che consente di equilibrare una determinata forza resistente con una forza (forza motrice) di minore intensità, o la cui direzione è differente. Le graffette sono i nostri pesi, cioè le nostre forze. Per semplicità chiamiamo le forze resistenti quelle a sinistra e quelle motrici a destra. Per ristabilire l’equilibrio deve essere soddisfatta la seguente formula: Fr x Forza resistente Br = Braccio della forza resistente Fm Forza motrice x Bm Braccio della forza Infatti si nota che: Fm (n° graffette) BR (unità di misura ½) 1 1 2 2 3 3 2 3 4 5 4 6 21 Fm Bm 1 1 1 1 2 2 2 3 8 10 6 9 La luce a vapore Materiali utilizzati Ampolla di vetro; fornellino elettrico; piccola dinamo; led; magneti. Realizzazione Riempire l’ampolla di vetro con dell’acqua e riscaldarla. Il vapore acqueo metterà in moto una turbina che di conseguenza, seguendo il principio di azione-reazione, farà ruotare un magnete. La variazione di flusso del campo magnetico produrrà la rotazione di una dinamo che farà accendere il led. 22 L’allegria del pendolino Materiali utilizzati Due lattine da bibita; un supporto ben isolante ( nel nostro caso poliondulato plastificato); un sostegno isolante (una barretta di plastica); un pendolino di polistirolo rivestito di alluminio (che all’inizio sarà elettricamente neutro). Realizzazione Posizioniamo le due lattine ad una distanza di circa 3-5 cm, e al centro posizioniamo il pendolino. Colleghiamo una delle due lattine ad uno dei poli di una macchina elettrostatica in modo che si carichi in modo ad esso concorde; l’altra lattina si caricherà in modo opposto per induzione elettrostatica, cioè se la precedente è caricata positivamente sul lato dell’altra lattina si sposteranno le cariche negative (saranno attratte da quelle positive per la legge di Coulomb), mentre il lato opposto sarà caricato positivamente perché sguarnito di cariche negative. Il pendolino verrà attratto ora da ora da un’altra lattina, producendo il movimento tipico del pendolo. Questo comportamento misterioso è facilmente spiegabile poiché, dapprima il pendolino si caricherà per induzione, dopodiché, nel momento stesso in cui il pendolino tocca la lattina caricata in modo opposto al lato che tocca, esso si caricherà totalmente della stessa carica della lattina e di conseguenza verrà respinta in direzione opposta. Tale procedimento si ripeterà fintanto che la prima lattina risulterà collegata al generatore di Van Der Graaf. 23 L’angolo dispettoso Quando si inclina lentamente il pianale ribaltabile di un autocarro per scaricare l’oggetto, per piccoli angoli di inclinazione tale oggetto rimane fermo; ma quando l’angolo supera un certo valore dipendente, dal coefficiente d’attrito statico tra la superficie dell’oggetto e il pianale, l’oggetto inizia a scivolare. Allo stesso modo l’angolo che i lati inclinati della sabbia di una clessidra formano con l’orizzontale è determinato dal coefficiente di attrito statico tra i grani di sabbia. Per lo stesso meccanismo i coni detritici di roccia che si formano lungo i versanti delle montagne formano con il piano orizzontale un angolo che dipende dal coefficiente di attrito statico = 24 L’aria che va in pallone Materiali utilizzati una bilancia; una bottiglia di plastica vuota con inserita nel tappo una valvolina; palloncini; una pompa da bicicletta. Realizzazione Riempiamo d’aria la bottiglia con la pompa da bicicletta. Inseriamo sul tappo un palloncino sgonfio e pesiamo il tutto. Apriamo la valvola in modo da far passare un po’ d’aria nel palloncino che si gonfierà. Ripesiamo e osserveremo che la bilancia segnerà un peso minore. 25 Laser Interferenza di onde luminose Quando due onde luminose,di uguale frequenza e differenza di fase costante nel tempo,si propagano nello stesso mezzo,esse interagiscono sovrapponendosi in modo tale che il segnale risultante non risulta distribuito uniformemente nello spazio, ma è massimo in determinati punti e minimo in altri. La condizione essenziale per ottenere l’interferenza è pertanto la realizzazione di un sistema di due sorgenti da cui differenza di fase si mantenga costante nel tempo. Sorgenti siffatte vengono dette coerenti. Un laser costituisce una sorgente di luce monocromatica Due laser identici costituiscono un esempio di sorgenti coerenti; altro modo per ottenerle è quello di inviare il fascio luminoso prodotto dal laser su uno schermo con delle fenditure,in modo che ciascuna di esse diventi (per il principio di HUYGENS) sorgente di onde circolari coerenti. Le onde cosi prodotte si sovrappongono e vengono raccolte su uno schermo, originando una serie di frange alternativamente chiare scure (figura di interferenza). Prendiamo in esame il caso in cui vi siano solo due fenditure S1 e S2, secondo lo schema qui di seguito riprodotto. P r1 y S1 O S2 r2 M H Θ S1S2=d D Le righe scure (interferenza distruttiva) si formano in quei punti la cui differenza di cammino delle onde prodotte da S1 e S2 è pari a un 26 multiplo dispari di mezze lunghezza d’ onda S2H=(n+1/2)λ. Dove si ha un rinforzo del segnale, si ha una marcata intensità luminosa sullo schermo (interferenza costruttiva); essa si ottiene in quei punti la cui differenza di cammino delle onde prodotte da S1 e S2 è pari a un multiplo intero di lunghezza d’onda S2H=nλ. Nella pratica utilizziamo reticoli aventi 300,600 e 1200 fenditure per millimetri. Si evidenzia una correlazione tra il numero di massimi secondari presenti e il numero di fenditure del reticolo. Tale esperimento può essere utilizzato per determinare la lunghezza d’onda della luce laser. Sia y la distanza tra il massimo centrale e il primo massimo secondario. Dalla figura si ricava facilmente y/D=senθ~tgθ. Dall’altra parte S2H=dsenθ=nλ. Ponendo n=1,si ottiene λ=d y/D. 27 L’equilibrio impossibile Materiali utilizzati una bottiglia acqua; tre bacchette di legno; filo; base d’appoggio. Realizzazione Sfruttando le leggi della statica, che regolano l’equilibrio dei corpi, possiamo sostenere una bottiglia piena d’acqua con delle semplici bacchette di legno la cui superficie d’appoggio è di soli pochi millimetri. Infatti, purchè il baricentro rientri nella base d’appoggio del sistema, il corpo è in equilibrio indipendentemente dal peso. Dopo aver legato del filo al collo della bottiglia, si distanziano le due parti del filo con la prima bacchetta di legno. Successivamente si inserisce un’altra bacchetta alla sommità del filo. La terza ed ultima bacchetta verrà posta obliquamente tra le prime due. Così facendo il baricentro del corpo ricadrà all’interno della base d’appoggio e questo ci permetterà di reggere un peso rilevante con un sostegno esiguo. 28 L’ombra armonica Poniamo un oggetto su un giradischi in funzione. Esso avrà un moto circolare uniforme. Illuminiamolo con un fascio di luce in modo che la sua ombra sopra uno schermo, disposto perpendicolarmente ai raggi luminosi, sia nitida. Essa è la proiezione dell’oggetto sullo schermo. Ne segue che l’ombra si muove in moto armonico, oscillando fra i 2 estremi con un periodo T= 29 Motore elettrico Per costruire un esempio di motore elettrico bisogna intanto procurarsi una piccola quantità di filo di rame non troppo sottile e verniciato. Con questo realizzare una bobina di quattro o cinque spire di circa tre centimetri di diametro. A ciascuna estremità della bobina lasciare un paio di centimetri di filo che funge da “asse di rotazione” mettendo la bobina sospesa fra due graffette. Per garantire un contatto elettrico fra le graffette e la bobina si deve procedere ad eliminare la verniciatura dalle estremità del filo di rame. Alimentando con corrente continua la bobina si crea un campo magnetico, nella direzione dell’asse della bobina, che interagisce con il campo magnetico permanente della calamita sottostante. Si determina così una rotazione della bobina che ha come effetto quello di portare nella stessa direzione i due campi magnetici. Dopo di che la rotazione si interromperà. Per consentire invece un proseguimento della rotazione si può ricorrere allo stratagemma di interrompere il contatto elettrico ogni mezzo giro della bobina. Per fare ciò si può utilizzare un pennarello del tipo permanente per colorare metà della superficie laterale di uno dei due fili su cui la bobina gira rendendo così isolata elettricamente tal porzione di superficie. In questo modo quando la bobina è isolata essa continua a girare per inerzia e quando invece in essa scorre una corrente elettrica riceve una nuova spinta per la rotazione. 30 Nastri di alluminio Il dispositivo è costituito da un nastro di alluminio lungo circa 1,5 m, una batteria da sei volt, cavetti e supporto per posizionare in modo pendente il nastro. Realizzato il circuito, facciamo passare corrente. Si osserverà un marcato allontanamento delle due sezioni del nastro. La spiegazione del fenomeno sta nel fatto che un filo percorso da corrente genera un campo magnetico su un piano perpendicolare al filo stesso. In questo caso abbiamo due fili e quindi due campi e poiché le correnti dei due fili circolano in verso opposto, le due forze magnetiche prodotte saranno opposte e i fili si respingeranno. 31 Non credo ai miei occhi Il dispositivo, costituito da due immagini uguali, serve ad evidenziare la proprietà che ha il cervello umano di “vedere” le immagini in modo familiare. Vengono presentate due fotografie che, viste capovolte, sembrano uguali, ma se vengono osservate nella posizione corretta pre-sentano una differenza particolare: in una foto gli occhi sono stati capovolti. In realtà di questa differenza il cervello ha consapevolezza solo se vede le due fotografie non capovolte, in tutti gli altri casi prevale l’esperienza sul fatto osservato. 32 Palline del deserto L’Attrito statico tende ad impedire il movimento relativo di una superficie su un’altra. Il coefficiente di attrito statico, µ, tra due superfici dipende da molti fattori come, per esempio, le microscopiche irregolarità oltre al fatto che queste possano essere asciutte o bagnate. La pallina sulla sabbia asciutta ha bisogno di una forza maggiore rispetto a quella bagnata per essere messa in movimento. 33 Pallone gonfiato Il dispositivo è costituito da una bottiglia di plastica rigida, un tubicino solidale con essa e un palloncino inserito sul collo aperto della bottiglia. Aspirate l’aria dal tubicino: il palloncino, contrariamente alle aspettative, si gonfia anche se l’imboccatura della bottiglia è aperta. Soffiate poi nel tubetto: il palloncino fuoriesce dalla bottiglia e si gonfia come siamo soliti vedere se soffiassimo direttamente sull’imboccatura del pallone. I due fatti si possono così interpretare: il primo fenomeno si può spiegare considerando l’effetto della pressione. Quando viene aspirata l’aria, sulla pellicola elastica del palloncino, prevale la pressione atmosferica e il pallone si gonfia risucchiato all’interno della bottiglia; il secondo fenomeno si può spiegare considerando l’effetto inverso del primo caso. Quando viene soffiata l’aria dentro il tubo, sulla pellicola elastica del palloncino viene vinta la pressione atmosferica e il pallone, solidale con la bottiglia, asseconda questa nuova pressione fuoriuscendo dalla bottiglia e raccogliendo l’aria che viene soffiata. 34 Salto in alto Materiali utilizzati una calamita a ferro di cavallo; un nastro di alluminio; una batteria; cavetti; un supporto dove costruire il circuito. Realizzazione Inserendo il nastro all’interno della calamita (con i due bracci all’insù), e collegando, agli estremi del nastro, i morsetti della batteria osserveremo che il nastro salterà fuori dalla calamita. Capovolgendo la calamita e invertendo le polarità della batteria il nastro si solleverà ma non potrà scavalcare la calamità perché questa è a ferro di cavallo. Il tutto si spiega considerando il fatto che un filo percorso da corrente crea un campo magnetico. Il nastro, che è libero di muoversi, salta perché i campi magnetici prodotti dalla corrente e dalla calamita generano due forze opposte. 35 Su per il tubo Abbiamo riempito un tubo trasparente di acqua in modo tale che in esso resti una piccola bolla d’ aria e lo abbiamo chiuso ermeticamente alle estremità. Inclinando il tubo notiamo che la bolla si mette in moto dal basso verso l’ alto e verifichiamo che il moto della bolla, fatta eccezione per un breve tratto iniziale, è un moto rettilineo uniforme. Qual’ è la causa? Inizialmente la componente della forza peso sommata alla forza di attrito del mezzo è inferiore alla spinta di Archimede per cui per il secondo principio della dinamica il moto della bolla è accelerato. Successivamente, dall’ istante in cui la forza peso e la resistenza del mezzo raggiungono la stessa intensità della spinta di Archimede (ricordiamoci che la forza d’attrito viscoso dipende dalla velocità), l’ accelerazione si annulla e la velocità per il principio di inerzia assume un valore costante, chiamato velocità di regime. 36 Tanto io non cado ! Appoggiamo le estremità di una riga sui due indici. Facciamo scivolare lentamente le dita, l’una verso l’altra, finché non si incontrano. Esse si incontreranno sotto il centro di gravità della riga. Dopo aver attaccato un pezzo di argilla in un punto a piacere per localizzare il nuovo baricentro, si ripete la stessa operazione di prima: le due dita si incontreranno sempre esattamente sotto il centro di gravità. C’è quindi un’ operazione che non si può praticamente fare: far cadere un righello, sostenuto con due dita, quando queste vengono gradualmente avvicinate perché il centro di gravità della riga è il punto dove la si può tenere in equilibrio su un solo dito. La forza di attrito statico tra la riga e il dito è tanto più alta quanto maggiore è il peso poggiante sul dito. Salvo il caso di perfetta simmetria del sistema, l’attrito prima è più forte su una delle due dita, quella più vicina al centro del righello in quanto sostiene un maggior peso: se le dita vengono avvicinate, è sull’altro che avviene lo scivolamento. Man mano che tale dito si avvicina al centro della riga, però, il peso che deve sostenere aumenta e quando il valore del peso che insiste sul primo dito, i ruoli si invertono e lo scivolamento passa a carico di quest’ ultimo. È cosi finché le dita si toccano sotto il baricentro della riga. 37 Un corpo senza peso Materiali utilizzati Due bicchieri; Acqua; Tappo di sughero; Bilancia digitale. Realizzazione Abbiamo due bicchieri A e B, quest’ultimo contenente un tappo di sughero. Aggiungiamo una quantità d’acqua da noi stabilita fino a raggiungere lo stesso livello sia nel primo che nel secondo bicchiere. A questo punto pesiamo il bicchiere A ed il bicchiere B. Noteremo che i due bicchieri avranno lo stesso peso nonostante il bicchiere B contenga il tappo di sughero ( la cui massa è poco meno di 6 gr). Perché ciò avviene? Ciò avviene come verifica della legge di Archimede: un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume del liquido spostato. Nel nostro caso l’acqua esercita sul tappo di sughero una forza; questa forza è uguale al peso del volume di acqua spostata, che è uguale a quello della parte immersa del tappo di sughero ( che pur essendo molto esigua, vi è). Inoltre, il tappo di sughero galleggia nel liquido perché la sua densità media è uguale a quella del liquido nel quale è immerso. Se invece un corpo affonda o sale la sua densità sarà rispettivamente maggiore o minore di quella del liquido in cui è immerso. 38 Un elastico è davvero un elastico? In fisica una forza, il peso P per esempio, produce su un “corpo elastico” un allungamento Δl direttamente proporzionale alla forza applicata (se il valore della forza peso raddoppia o triplica lo stesso avverrà per lo spostamento del corpo) secondo la relazione F= k Δl,dove k è la costante elastica del corpo, la cui unità di misura nel sistema M. K. S. è il Newton/metro. La proporzionalità diretta tra queste grandezze si può rappresentare in un piano cartesiano riportando sulle ascisse lo spostamento del corpo (in metri) e sulle ordinate la forza peso (in Newton). Congiungendo i punti ottenuti si otterrà una retta passante per l’origine degli assi (grafico tipico della proporzionalità diretta) il cui coefficiente angolare (indicativo della pendenza della retta) è proprio k (la costante elastica). Per tutti i corpi elastici, come le molle, è possibile determinare il valore della costante elastica k=P/Δl, cioè si riscontrerà un andamento non variabile della costante elastica, che è dovuto alle proprietà elastiche del materiale. Invece per l’elastico si otterrà un andamento decrescente della costante elastica per valori crescenti di P; cioè l’elastico tende a perdere le sue capacità elastiche, infatti maggiore è il peso al quale l’elastico deve sottoporsi, minore sarà la sua costante elastica. Non appena cesserà la forza applicata, il corpo elastico ritornerà nella posizione iniziale poiché su di esso, a causa del terzo principio della Dinamica, agirà una forza: F=-k Δl (legge di Hooke). 39 Un palloncino che non scoppia Il dispositivo è costituito da un palloncino, un ago e del nastro adesivo. Riempito il palloncino con aria, collocare in un punto centrale del palloncino un pezzo di nastro adesivo e poi al centro di esso inserire un ago e successivamente estrarlo. Il palloncino non scoppia nonostante il foro sia ben visibile. Se continuiamo a gonfiare il foro si allarga, se lo facciamo sgonfiare il foro diminuisce. I 3 fenomeni si possono così spiegare: 1. il palloncino non scoppia per la natura stessa della gomma: è un insieme di catene elastiche. Quando sgonfiamo il palloncino, le catene vengono stirate. Se si buca il palloncino in un punto in cui le catene sono più stirate e trattenute dal nastro adesivo sarà possibile oltrepassarle senza romperle e quindi senza scoppio; 2. il foro si dilata se continuiamo a gonfiare il palloncino perché si favorisce un allargamento materiale delle catene; 3. il foro si restringe perché sgonfiandolo si avvicinano le catene elastiche. 40 Una bussola per domarle tutte.. Avendo organizzato un sistema formato da cinque bussole poste in linea retta una di seguito all’ altra applichiamo un moto oscillatorio (intorno alla posizione di equilibrio) ad una di quelle presenti alle estremità. Si noterà che sottoponendo il campo magnetico generato da questo singolo ago magnetico ad un moto, esso influenzerà gli altri quattro secondo l’ effetto domino. Il fenomeno verificatosi fu spiegato da Ampère (1775-1836) il quale sostenne che l’ origine di un campo magnetico consiste nell’ orientamento risultante dei campi magnetici generati da ogni singolo elettrone in moto nella propria orbita (come se fosse assimilabile ad una piccola spira percorsa da corrente elettrica); pertanto modificando la direzione del campo magnetico generato da un aghetto magnetico per via dell’ oscillazione (e dunque quello generato da un singolo elettrone a livello atomico) esso influenzerà i campi magnetici dovuti alla presenza degli altri aghi magnetici. In modo ridotto, blando, e molto meno duraturo lo stesso fenomeno avviene quando il campo magnetico della prima bussola “domina” e sospinge al moto gli aghi delle altre bussole. 41 Vola il cappello Materiali utilizzati un generatore di tensione van der graaf; quadratini di carta alluminio e carta velina che fungono da cappelli per le due calotte del generatore. Realizzazione Posizionate i primi due cappelli di alluminio sulle calotte. Distanziate di 10 cm e accendete il generatore. Dopo circa 15 sec il cappello sulla calotta grande, quasi per magia, comincia a volare e dopo altri 30 sec vola anche l’altro. Scambiando i cappelli e riprovando, si ha lo stesso effetto con un tempo decisamente inferiore al precedente. Cambiando invece la distanza e riprovando con i cappelli di alluminio l’effetto sarà lo stesso ma il tempo si allungherà rispetto al primo caso. 42 Esperienze di Chimica 43 Acqua invadente Materiali utilizzati una candela; un vassoio; un bicchiere; acqua. Realizzazione Tagliate la candela di circa 4,5 cm, lasciando un po’ di stoppino. Accendetela ed attaccatela al centro del piatto per mezzo di qualche goccia di cera fusa e spegnetela. Mettete dell’acqua nel piatto fino a raggiungere un livello di 15 mm circa, riaccendete la candela e aspettate che la fiamma si stabilizzi. A questo punto coprite la candela con il bicchiere capovolto. Appena la fiamma si spegnerà si vedrà una quantità d’acqua risalire tumultuosamente nel bicchiere. Da queste analisi risulta che la risalita dell’acqua nel bicchiere sarebbe dovuta per oltre quattro quinti alla contrazione termica del gas (variazione di pressione) intrappolato nel bicchiere e per circa un quinto alla sottrazione di ossigeno (gassoso) per formare acqua (liquida). Quelli che molti non si aspettano è che il consumo dell’ossigeno per produrre anidride carbonica sia invece ininfluente sulla variazione del volume del gas nel becker. Riassumendo: i fattori principali della risalita dell’acqua nel becker sono la - contrazione termica dei gas intrappolati nel becker; - consumo di ossigeno per formare acqua (questa “sottrazione” di ossigeno è oltre 4 volte meno importante della contrazione termica dei gas nel becker; -consumo di ossigeno per formare anidride carbonica. Questa reazione è ininfluente. 44 Bolle di nebbia Materiali utilizzati una beuta codata da 2 litri con tappo; tubo di gomma collegato alla beuta; reagenti: glicerina liquida, sapone per piatti, acqua demineralizzata, ghiaccio secco. Preparazione Un paio di giorni prima della presentazione preparare una soluzione, mescolando due parti di glicerina liquida, con tre parti di acqua calda, aggiungere poi una parte di sapone per i piatti e mescolare. Esecuzione Mettere nella beuta almeno 800 ml di acqua calda, e aggiungere del ghiaccio secco in modo da ottenere un fumo molto lento. Chiudere col tappo. Immergere la parte finale del tubo nella soluzione di sapone e formare le bolle, che possono resistere per qualche minuto e che scoppiando liberano una piccola nuvoletta di nebbia. 45 Candele che si spengono da sole Materiali utilizzati Un contenitore rettangolare con coperchio; reagenti: candele di varia altezza, ghiaccio secco. Preparazione Attaccare al fondo del contenitore le candele dalla più corta alla più lunga. Esecuzione Accendere le candele, mettere sul fondo del contenitore alcuni pezzi di ghiaccio secco. Coprire. Si vedranno le candele spegnersi ad una ad una. Spiegazione Il diossido di carbonio è un gas molto denso e, sublimando, tende ad accumularsi sul fondo del recipiente e a salire verso l’alto molto lentamente. 46 Dentro un bicchiere Materiali utilizzati un calice; un piccolo piano inclinato; acqua saponata calda. Realizzazione Se immergiamo il bicchiere nella saponata calda e lo versiamo, come per farlo asciugare, sul piano osserviamo che il bicchiere comincerà a scivolare lentamente verso il basso. Mano a mano che scivola, l’aria calda, che è dentro il bicchiere, si raffredda e le bollicine di sapone che stanno sul bordo tentano di entrare nel bicchiere producendo anche un lieve sollevamento del bicchiere stesso. Ripetiamo l’ esperimento con della saponata molto calda, vedremo in un primo momento le bollicine che cercheranno di uscire, per effetto della evaporazione dell’aria calda, dal bicchiere e, successivamente, formare un cuscinetto sul quale il bicchiere potrà scorrere senza attrito. 47 Distillazione in corrente di vapore di oli essenziali La distillazione in corrente di vapore da buoni risultati con materiale ricco di oli essenziali e sfrutta l’elevata tensione di vapore degli stessi che vengono trascinati dal vapore. Generalmente le piante aromatiche si distillano allo stato fresco perché una loro conservazione, anche per poche ore, può innescare processi fermentativi capaci di distruggere in parte l’essenza o di alterare la fragranza del profumo. La distillazione con il vapor d’acqua ha il vantaggio di far distillare le essenze ad una temperatura più bassa di quella che avrebbe se fossero riscaldati senza vapore. Se si distilla una miscela di liquidi immiscibili, alla pressione atmosferica, il suo punto di ebollizione sarà dato dalla temperatura alla quale la somma delle tensioni di vapore, dei vari componenti, è uguale alla pressione atmosferica. La pressione di vapore alla quale si distilla una miscela di liquidi immiscibili è proporzionale alle moli dei singoli componenti. Al contrario, per i liquidi miscibili, la pressione di vapore della soluzione è proporzionale alla frazione molare del solvente. La parte della pianta da distillare cede al vapore le sue sostanze odorose e volatili, che dopo la refrigerazione, sono presenti nell’acqua distillata in due frazioni: oli essenziali insolubili in acqua e parti idrosolubili. La separazione delle due fasi potrà farsi mediante imbuto separatore. La distillazione in corrente di vapore è, forse, il miglior metodo per ottenere un olio essenziale di altissima qualità ma permette di ottenerne piccolissime quantità. In questa esperienza non potendo utilizzare un distillatore in corrente di vapore abbiamo trasformato una normale pentola per la cucina a vapore, che certamente non permette una estrazione ottimale, ma che comunque spiega didatticamente il processo pur estraendo piccolissime quantità di oli in acqua distillata profumata. Le parti della pianta devono essere frammentate e poste sulla griglia apposita; il coperchio viene ricoperto di ghiaccio per permettere la condensazione dei vapori nel piccolo recipiente sottostante. 48 Ghiaccio secco e indicatori Materiali utilizzati Tre becher da 800 ml; due cilindri graduati reagenti: fenoftaleina, rosso metile, rosso fenolo, NaOH 0,1 M, ghiaccio secco, etanolo per uso alimentare; Preparazione: Preparare tre soluzioni: 1. Sciogliere 0,05g di fenoftaleina in 50 ml di etanolo e portare a 100ml con aggiunta di acqua; 2. Sciogliere 0,02 g di rosso metile in 60 ml di etanolo e portare a 100ml con aggiunta di acqua; 3. Sciogliere 0,04g di rosso fenolo in 11 ml di NaOH 0,1 M, portare a 100 ml aggiungendo acqua. Esecuzione Prima della presentazione, mettere nei becher 600 ml di acqua di rubinetto, aggiungere rispettivamente 5 ml della terza soluzione e 5 ml di NaOH 0,1 M. Al momento opportuno aggiungere 2 o 3 pezzi di ghiaccio secco nel primo becher. Aspettare che la soluzione cambi colore, e poi mettere il ghiaccio negli altri contenitori, evidenziando i cambiamenti di colore. I viraggi di colore sono: Fenoftaleina Viola ―› Incolore Rosso metile Giallo ―› Rosso Rosso fenolo Rosso ―› Giallo Spiegazione L’acido carbonico prodotto dalla reazione dell’anidride carbonica con l’acqua, scindendosi produce protoni che fanno diminuire il pH della soluzione e fanno virare gli indicatori. 49 La mousse scientifica Le mousse sono preparazioni soffici, a volte persino spumose, ottenute unendo l’ingrediente caratterizzante, il sapone, ad uno o più ingredienti montati che ne determinano la consistenza. Spesso è impiegata la panna montata, ma si può far ricorso anche all’albume montato a neve, al tuorlo montato o altro. La nostra mousse invece si avvale solamente dell’aggiunta agli ingredienti di base di un pizzico di lecitina di soia che per le sue proprietà chimico-fisiche, conferisce al nostro preparato la giusta consistenza e ci permette di alleggerirne notevolmente il contenuto calorico. Ingredienti: 100gr di cioccolato fondente al 70% 115gr di acqua 1 cucchiaino di lecitina di soia se è necessario Preparazione: Sciogliete a bagnomaria il cioccolato, ricordando che la sua temperatura di fusione è molto bassa, intorno ai 50°, aggiungete dell’acqua amalgamando bene fino ad ottenere una miscela liquida di acqua e cioccolato. Ora mescolate bene, a fuoco spento, fino a quando il cioccolato è completamente emulsionato. Date qualche minuto alla lecitina di agire. Quando il cioccolato è bene emulsionato versate la miscela in una bacinella raffreddata esternamente con del ghiaccio. Un paio di minuti di frullatore e se lo ritenete opportuno aggiungete un cucchiaino di lecitina per dare più spumosità alla mousse. Poiché non sono stati aggiunti aromi estranei (uova,panna…)il gusto sarà quello del cioccolato puro, ma con consistenza di mousse, una vera delizia per chi ama il fondente . Il segreto sta proprio nel leggere l’etichetta nutrizionale del cioccolato che usiamo, i grassi dovrebbero essere circa il 35%, il contenuto di cacao 70-60%, il contenuto di lecitina di soia e insieme alle nostre conoscenze scientifiche il risultato è assicurato. 50 Nuvole fredde di Diossido di carbonio Materiali utilizzati tre coppe a bocca larga; termometro; reagenti: acqua a temperature diverse, ghiaccio secco. Preparazione Mettere nelle tre coppe la stessa quantità d’acqua a temperature diverse, calda a 80 gradi, ambiente a 25 gradi, e fredda a 10 gradi. Esecuzione Aggiungere la stessa quantità di ghiaccio secco. Si osserverà la formazione di una diversa quantità di CO 2 gassosa che tenderà ad andare verso il basso perché più densa rispetto agli altri gas dell’atmosfera. Spiegazione La sublimazione è termodinamicamente favorita dalla temperatura più alta dell’ acqua; rallenta quando la temperatura si avvicina allo zero. Si può aggiungere acqua calda per far riprendere la sublimazione nelle tre coppe. 51 Soluzione blu che diventa bianca Materiali utilizzati Un barattolo; un pallone a bocca larga munito di coperchio o di tappo reagenti: etanolo di uso alimentare, soluzione all’1% di timo ftaleina, soluzione di NaOH 0,001 M. Preaparazione: Mettere nel contenitore 300 ml di etanolo,10 o più gocce di indicatore e tante gocce di NaOH fino ad ottenere una soluzione blu chiara. Tappare e mettere sul bancone. Esecuzione: Al momento della presentazione,i ragazzi soffieranno nel contenitore alternativamente,chiudendolo e agitandolo ogni volta fino a rendere la soluzione incolore. Spiegazione: L’anidride carbonica contenuta nell’aria espirata acidifica la soluzione permettendo all’indicatore di cambiare colore dal blu al bianco. Consigli: 1. Evitare di far diventare troppo blu la soluzione iniziale, perché richiederebbe troppo fiato per sbiancare; 2. Soffiare ma non aspirare: c’è alcool puro dentro!; 3. Indossare occhiali protettivi; 4. Evidenziare il colore che cambia mettendo il contenitore su uno sfondo bianco; 5. La soluzione può essere conservata e riciclata,basta aggiungere altro idrossido. 52 Ringraziamenti In questo quinquennio abbiamo realizzato numerose mostre interattive tutte diverse tra loro e tutte coinvolgenti come mai potevamo aspettarci. All’inizio di ogni anno scolastico ci siamo sempre detti: “forse questo è l’ultimo, non possiamo fare cose ripetitive!” Poi ci siamo ritrovati, anche quest’ anno a Marzo, con tante idee nuove,con tanti materiali curiosi, con un progetto insomma così diverso da quello dell’anno precedente da lasciare stupiti noi stessi. Ma chi siamo questi noi? I Professori: Simonetta Selvaggio, Caterina Poliziotto, Anna Maria Ciancitto, Angela Porto, Kitty Amato, Vito Consolo, A. Bonanno, Mario Castorina, Antonella Cassarino, Pippo Lamartina, Pinuccia Nicosia. Gli Assistenti tecnici: Maria Parisi, Giuseppe Papa, Giuseppe Filetti. I collaboratori scolastici: Marisa Marchese, Giacomo Auditore, Giovanni Corallo. I Dirigenti: Prof. S. Bresmes, Dott. R. Zanoli, Dott.ssa R. D’Orsi, Prof.ssa J. Immè e la Sig.ra Grazia Platania dell’università. Come avete letto la squadra è sostanziosa. Ognuno di noi ha contribuito alla realizzazione del progetto con originalità, creatività, condivisione di idee e sostegno. Grazie a tutti Maria Luisa Lizzio 53
