5. Materia e spazio
Quando il tuo zaino è
pieno, non puoi
aggiungere niente altro.
Tutto ciò che è materia
occupa spazio.
6. Materia e massa
Alcuni zaini sono più pesanti…
… altri meno
Poco o tanto, tutti pesano, perché hanno una
certa massa. La massa è una proprietà della
materia che influenza il suo peso.
7. Massa e peso
Attenzione: massa e peso non sono la stessa cosa!
Sulla Terra, il peso
e la massa di questi
astronauti sono uguali.
Nello spazio, gli
astronauti hanno
peso quasi nullo,
ma conservano
la loro massa.
9. I corpi
Una precisa porzione di materia, che si distingue da
altre, viene indicata con il termine corpo.
Ecco alcuni corpi:
10. Le caratteristiche di un corpo
Ogni corpo possiede proprietà fisiche definite da
grandezze fisiche:
volume
massa
densità
11. Il volume
Il volume di
un corpo è la
quantità di spazio
da esso occupata.
Per misurare e
confrontare il volume
dei corpi le unità
di misura utilizzate
sono il metro cubo
(m3) e il litro (l).
12. La massa
La massa di un
corpo è la quantità
di materia che
lo compone.
Si misura utilizzando
la bilancia a bracci
uguali, per confronto
con l’unità di misura:
il kilogrammo (kg).
13. Come si usa la bilancia
Per misurare la massa di un oggetto occorre metterlo su
un piatto della bilancia e appoggiare sull’altro un numero di
pesi-campione adeguato perché la bilancia sia in equilibrio.
Nel caso illustrato, la massa del sasso è pari a 2 kg.
14. Più grande = più pesante?
Osserva: un’arancia è più grande
e pesa di più rispetto a un limone.
Ma ciò sarebbe ancora vero se il
limone fosse fatto di ferro?
15. Un altro confronto
Questi due cubi
hanno la stessa
massa, ma volumi
differenti: uno è di
ferro e l’altro è
di polistirolo.
16. La densità
Queste differenze si
spiegano perché materiali
diversi hanno diversa
densità.
La densità è una grandezza
fisica data
dal rapporto tra
la massa e il volume.
d=m:V
Viene espressa in
kilogrammi su
decimetro cubo (kg/dm3) o
grammi su
centimetro cubo (g/cm3).
18. Come si presenta la materia
La materia si può presentare in tre forme
diverse, cioè in tre stati di aggregazione:
liquido
solido
gassoso
19. Lo stato solido
I solidi hanno
una forma
ben definita,
un volume
ben definito
e non sono
comprimibili.
20. Lo stato liquido
I liquidi hanno
un volume definito,
non sono comprimibili
e non possiedono
una forma definita.
21. Lo stato gassoso
I gas sono comprimibili: non hanno né una forma
né un volume definiti, ma occupano tutto lo
spazio che hanno a disposizione.
22. Riflettiamo insieme
Che cosa possiamo definire come
materia?
Da che cosa dipende la densità di
un corpo?
Perché non possiamo comprimere
l’acqua?
23. Passaggi di stato
•
Le molecole di una sostanza allo stato solido hanno un’energia di
legame molto elevata
•
Nello stato liquido i legami risultano più deboli
•
Nello stato aeriforme non ci sono più legami tra le molecole che
si muovono liberamente
23
24. •
•
Il passaggio dallo stato solido allo stato liquido si chiama fusione
Avviene a temperatura costante:temperatura di fusione
Il passaggio dallo stato liquido a quello solido si chiama solidificazione
•
Avviene alla stessa temperatura a cui avviene la fusione
•
L’evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme
che avviene a qualunque temperatura e riguarda solo gli strati
superficiali del liquido
L’ebollizione invece avviene tumultuosamente all’interno del liquido ed
ad un ben determinato valore di temperatura: la temperatura di
ebollizione
VAPORIZZAZIONE = evaporazione o ebolllizione 24
25. Pressione e passaggi di stato
•
•
Tutti i passaggi di stato dipendono dalla pressione esterna
Ad esempio nel caso della fusione del ghiaccio, un aumento della
pressione esterna favorisce il passaggio di stato
•
Nel caso dell’ebollizione sappiamo che essa avviene quando la
pressione interna al liquido (tensione del vapore saturo) eguaglia la
pressione esterna
26. Se la pressione esterna diminuisce diminuisce anche la
temperatura di ebollizione e viceversa
Se diminuisce la pressione
Se aumenta la pressione
30. 5. I passaggi di stato
Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e
temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in
funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato.
31. DuranteSosta termica estato, la latente
8. un passaggio di calore temperatura rimane
costante anche se si continua a fornire
(o a sottrarre)
calore.
Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi
sostanza pura è molto maggiore del calore latente di
fusione.
Infatti, è più difficile annullare le forze di coesione tra
le particelle di un liquido che indebolire le forze di
coesione di un solido.
Per l’insegnante:
In questa lezione multimediale vengono approfonditi alcuni contenuti proposti nell’unità La materia e le sue proprietà (Esplorando, Volume A, La Materia, pp. 7-32 – Esplorando Visual 1, pp. 7-34).
La presentazione si propone di:
definire che cosa è la materia e quali sono le sue caratteristiche;
operare una prima distinzione tra il concetto di massa e peso;
imparare come misurare la massa e il volume;
definire la densità e imparare a calcolarla;
riconoscere i diversi stati di aggregazione della materia.
Per l’insegnante:
Qualcuno può osservare che, se lo zaino fosse più elastico, si potrebbero aggiungere altri oggetti. Ciò fornirebbe un interessante occasione per precisare che la materia occupa sempre spazio, ma vi sono sostanze che possono essere compresse o espanse (corpi con volume indefinito).
Per l’insegnante:
Una seconda caratteristica fondamentale della materia è quella di possedere una massa. Per far comprendere questo concetto ai ragazzi si potrebbe aggiungere il seguente esempio: dopo aver pesato una mela, il suo peso cambia se viene fatta a pezzi? No, il suo peso non cambia anche se la sua forma è cambiata. La quantità di materia (cioè la massa) di cui è fatta è rimasta la stessa: per questo il suo peso è rimasto invariato.
Per l’insegnante:
La massa indica la quantità di materia di cui è formato un corpo, mentre il peso indica la forza con cui questo corpo viene attratto dalla Terra.
Per spiegare questo concetto è significativo l’esempio dell’astronauta: nello spazio ha un peso quasi nullo perché la Terra è così lontana che non lo attrae più; tuttavia mantiene tutta la sua massa, cioè la quantità di materia che lo compone.
Per l’insegnante:
Potrebbe essere interessante chiedere ai ragazzi come fanno a individuare la materia utilizzando i loro sensi: per esempio, attraverso la vista possono vedere la materia che costituisce una nuvola, oppure possono toccare quella che forma un albero, sentire sulla pelle l’aria che si muove al soffiare del vento o sentire l’odore del gas che esce dai fornelli.
Per l’insegnante:
È importante che i ragazzi comprendano che possiamo definire corpi tutte le porzioni di materia che occupano uno spazio, che hanno una massa e che possono essere distinte da altre parti di materia. Quindi, la definizione di corpo comprende anche ciò che non possiamo vedere o toccare. È facile identificare come corpo una penna, ma può essere più interessante pensare a una goccia d’olio sulla superficie dell’acqua. Si suggerisce di chiedere ai ragazzi di fare qualche esempio di corpi a partire dalla loro esperienza.
Per l’insegnante:
A questo punto della lezione si potrebbe dare una prima definizione di grandezza fisica intesa come proprietà misurabile. Sono misurabili tutte le caratteristiche oggettive di un corpo che possono essere definite con precisione. Esempi di grandezze fisiche sono: la lunghezza, la massa e il volume.
Come materiale di approfondimento del concetto di grandezza fisica intesa come unità misurabile si può utilizzare come testo Il problema della misura, proposto nella la sezione A tu per tu... con le Scienze, contenuta nel volumetto Il mio Scienziario.
Per l’insegnante:
Il volume di un liquido, come l’acqua o il latte, si misura versandolo in un recipiente graduato detto cilindro graduato.
Il volume di un solido si misura, invece, per immersione. Se si vuole misurare il volume di un corpo dalla forma non ben definita, per esempio un sasso, versare in un cilindro graduato un bicchiere d’acqua e prendere nota del suo volume. Mettere poi il corpo nel cilindro in modo che sia completamente coperto dall’acqua e prendere nota del livello raggiunto ora da quest’ultima. Il volume del corpo sarà dato dalla differenza del volume finale e dal volume iniziale dell’acqua.
Vcorpo = Vfinale acqua – Viniziale acqua
Per l’insegnante:
Verso la fine del Settecento Isaac Newton affermò che la massa è la “quantità di materia presente in un corpo”. Questa definizione, accettabile dal punto di vista intuitivo, non esaurisce però il concetto di massa. I fisici, infatti, nel corso degli anni hanno elaborato più definizioni della grandezza “massa”, derivandole dai fenomeni che stavano osservando. Oggi, quindi, esistono diverse accezioni di questa grandezza, tutte ragionevolmente valide.
Come spunto per un’attività di ricerca si potrebbe proporre ai ragazzi di documentarsi sulle altre definizioni di massa date dagli scienziati nel corso degli ultimi secoli.
Per l’insegnante:
Si consiglia di precisare che le bilance più diffuse sono in realtà dinamometri: la misura che se ne ottiene riguarda quindi il peso e, solo indirettamente, la massa.
Per l’insegnante:
A partire dall’osservazione di due oggetti conosciuti, si può iniziare a introdurre il concetto di densità, facendo riflettere i ragazzi sul fatto che non sempre maggiore volume significa anche maggiore massa. A questo proposito si possono moltiplicare gli spunti di riflessione, considerando fissa la variabile volume e modificando la densità. Per esempio, pesa di più un cucchiaio di acciaio o un cucchiaio di plastica? Un litro di aria o un litro di latte? Un litro di farina o un litro d’acqua?
Le ipotesi potranno essere annotate e poi sottoposte a verifica sperimentale.
Per l’insegnante:
In questo caso occorre ragionare tenendo fissa la variabile massa. Per esempio, si può chiedere: è più voluminoso un kilogrammo di farina o un kilogrammo di acqua? Un kilogrammo di gomma piuma o un kilogrammo di legno?
Anche in questo caso si possono registrare le varie ipotesi, rimandando a una successiva verifica sperimentale.
Per l’insegnante:
Per far comprendere meglio il concetto di densità si suggerisce di iniziare dall’osservazione della fotografia. Si potrebbe domandare ai ragazzi perché, secondo loro, gli ingredienti della bevanda non si mescolano. Ogni ingrediente è formato da una sostanza diversa, ed è caratterizzato da una densità specifica. L’ingrediente con densità maggiore si dispone sul fondo, e così via via gli altri fino a quello con densità minore.
Si suggerisce di far notare che le unità di misura della densità sono il rapporto di kg (unità della massa) e dm3 (unità del volume); infine, è opportuno anche far notare che la linea di frazione può essere indicata con il simbolo della sbarra / d = m/V
Per l’insegnante:
I dati riportati nella slide possono essere spunto per una discussione: che cosa succede se versiamo dell’olio di oliva in un bicchiere pieno di acqua. Perché?
Perché l’aria, che è fatta anche di anidride carbonica, ha una densità minore rispetto all’anidride carbonica stessa?
Potrebbe essere interessante proporre ai ragazzi, come attività di approfondimento, di cercare i valori della densità di sostanze a loro familiari, per esempio il latte, l’alcol utilizzato per disinfettare, l’acqua del mare, il vetro, ecc.
Per l’insegnante:
Si tratta di un concetto molto elementare, ma potrebbe essere utile fissarlo chiedendo ai ragazzi di portare esempi per ognuno dei tre stati di aggregazione. Inoltre, come spunto di approfondimento si potrebbe far riflettere i ragazzi sul fatto che una stessa sostanza può cambiare il suo stato di aggregazione a seconda delle condizioni in cui si trova. L’acqua, per esempio, è una sostanza molto particolare perché in natura si può trovare in tutti e tre gli stati di aggregazione. Oppure le rocce che, in condizioni normali si trovano allo stato solido, ma possono fondersi se portate a temperature molto elevate, come accade negli strati più profondi della Terra, o all’interno di un vulcano.
Selezionando con il mouse la casella Visualizza il video, sarà possibile mostrare ai ragazzi una colata di lava. Le rocce che la formano normalmente sono solide, ma le temperature molto elevate presenti all’interno dei vulcani (dagli 800 °C ai 1200 °C) ne provocano la fusione.
Per l’insegnante:
Un approfondimento interessante potrebbe essere soffermarsi sulle diverse proprietà dei corpi:
estensione: proprietà che un corpo ha di occupare spazio;
impenetrabilità: lo spazio occupato da un corpo non può essere occupato contemporaneamente anche da un altro corpo;
divisibilità: proprietà che hanno i corpi di poter essere suddivisi in parti più piccole;
comprimibilità: proprietà dei corpi di subire variazioni di volume;
elasticità: proprietà dei corpi di riprendere la forma iniziale quando viene a mancare la forza che agiva su di essi;
plasticità: proprietà che i corpi hanno di conservare una deformazione.
Uno spunto di ricerca potrebbe essere chiedere ai ragazzi di trovare, tra gli oggetti a loro più comuni, un corpo che descriva al meglio ciascuna delle proprietà descritte.
Per l’insegnante:
Per comprendere meglio le proprietà di questi corpi potrebbe essere utile far notare ai ragazzi che un liquido assume la forma del recipiente che lo contiene fino a raggiungere un certo livello. Mentre la forma dipende dal recipiente, il livello raggiunto dipende dal suo volume. Per questo è comodo misurare la quantità di liquidi in litri (unità di volume).
Uno spunto di approfondimento potrebbe essere svolgere l’attività proposta nella scheda 4, La densità nei liquidi contenuta nel volumetto Il mio Scienziario.
Per l’insegnante:
Per far comprendere meglio ai ragazzi che i gas sono realmente fatti di materia si possono sottolinearne altre proprietà, quali per esempio l’odore e il colore.
A questo punto della lezione, inoltre, si potrebbe approfondire la differenza che esiste tra gas e vapori.
I gas sono sostanze che a temperatura ambiente si trovano allo stato gassoso e, anche se vengono sottoposti a una fortissima compressione, non passano allo stato liquido.
I vapori sono sostanze allo stato gassoso che a temperatura ambiente si possono trovare anche allo stato liquido.
Come approfondimento dell’argomento si consiglia di svolgere l’attività proposta nella scheda 5, Sfida allo stato aeriforme contenuta nel volumetto Il mio Scienziario.
Per l’insegnante:
La discussione ha lo scopo di individuare e porre in rilievo quali sono le caratteristiche fondamentali della materia. L’obiettivo non è dunque verificare l’acquisizione delle conoscenze trasmesse nel corso della lezione: tale verifica potrà essere svolta stampando e distribuendo ai ragazzi il test allegato a questa lezione multimediale.
Di seguito si fornisce una traccia delle possibili risposte ai quesiti della slide.
Che cosa possiamo definire come materia?
La materia non è solo quello che possiamo vedere, toccare, ma è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa. È materia non solo il libro che leggiamo, la penna che usiamo per scrivere, ma anche l’aria che respiriamo e che non possiamo toccare.
Da che cosa è data la densità di un corpo?
La densità è il rapporto tra la sua massa e il suo volume e dipende da vari fattori.
Perché non posso comprimere l’acqua?
L’acqua non si può comprimere perché è un liquido e come tale ha un volume proprio.
