Il ruolo dell’esperimento

Coca Cola o Coca Cola light?

Diario di Bordo

Presentazione della classe

La classe in cui si vuole effettuare la sperimentazione relativa al Progetto PON 1.4 è la classe 1 dell’ indirizzo Scientifico formata da 20 alunni provenienti da Salerno e dai paesi limitrofi. La risposta che ho ricevuto, al momento della proposta di questa attività, è stata positiva e i ragazzi hanno gradito soprattutto l’approccio innovativo e inusuale con cui il nuovo argomento di fisica veniva loro proposto.

Lo spunto per verificare il principio di Archimede viene offerto agli alunni dalla lettura, in lingua inglese, di una storia verosimile. Una ragazza ha, per motivi di salute, l’esigenza di scoprire quale, tra due bottiglie di coca cola, fosse light.

Gli alunni hanno discusso per cercare di suggerire alla ragazza un espediente e dare una risposta al suo problema.
Un alunno ha suggerito di affidarsi alle formiche (la coca cola light non le avrebbe attirate);
Un altro ha proposto di salire su un albero, buttare giù le bottiglie e misurarne il tempo di caduta (quella light sarebbe arrivata a terra dopo quella normale)
Infine un alunno ha suggerito di buttarle in mare e osservare appunto quale delle due galleggiasse.

Prova d’ingresso

Prima di dare inizio alla sperimentazione, è stato somministrato agli alunni un test d’ ingresso in italiano su argomenti propedeutici al tema che ci si apprestava a trattare e, dall’ analisi delle risposte, è emerso che i ragazzi hanno risposto correttamente a quasi tutte le domande.

Test d’ ingresso

1) Quale fra i seguenti gruppi di grandezze fisiche è interamente costituita da vettori?

a) Densità, volume, velocità, forza.

b) Spostamento, velocità, accelerazione, peso.

c) Momento, massa, temperatura, tempo.

d) Forza, peso, massa, velocità.

2) Due forze parallele discordi e di modulo diverso sono applicate a un corpo rigido. L’intensità della risultante è sempre:

a) Uguale alla differenza tra i moduli delle due forze.

b) Nulla.

c) Uguale alla somma dei moduli delle due forze.

d) Uguale al modulo.

3) Quali sono le condizioni di equilibrio di un corpo rigido?

a) La forza risultante e il momento risultante devono essere uguali a zero.

b) La forza risultante e il momento risultante devono essere paralleli

c) La forza risultante deve essere uguale a zero.

d) Il momento risultante deve essere uguale a zero.

4) L’ unità di misura della pressione nel SI, il Pascal, è definita come:

a) N/cm3.

b) Kg/Km.

c) Kg/dm2.

d) N/m2.

5) Indica la definizione corretta di densità:

a) E’ il prodotto tra la forza peso del corpo e il suo volume.

b) E’ il rapporto tra la massa del corpo e il suo volume.

c) E’ il rapporto tra la pressione agente sul corpo e la costante g per la profondità.

d) E’ il prodotto tra la pressione atmosferica e la superficie esterna del corpo su cui essa agisce .

6) Individua tra i seguenti enunciati quello relativo al principio di Pascal:

a) La pressione su una superficie all’ interno di un fluido è massima quando la superficie è orizzontale.

b) La spinta che un corpo immerso in un fluido riceve verso l’ alto dipende in modo direttamente proporzionale dalla profondità.

c) La pressione all’ interno di un fluido è direttamente proporzionale alla densità del fluido stesso.

d) La pressione entro un fluido si trasmette invariata in tutte le direzioni.

7) La legge di Stevino mette in relazione:

a) La pressione con la densità del fluido e la profondità.

b) La densità con la massa e il volume del fluido.

c) La forza con la profondità e la superficie unitaria.

d) La costante elastica di una molla con il peso applicato.

8) Nei vasi comunicanti è uguale:

a) Il volume di fluido contenuto in ogni vaso.

b) Il volume dei vasi, indipendentemente dal livello raggiunto dal fluido nei vasi stessi.

c) Il livello raggiunto dai fluidi, ma solo se forma e dimensioni dei vasi sono le stesse.

d) Il livello raggiunto dai fluidi, qualunque sia la forma dei vasi.

9) Qual è lo strumento con il quale si può misurare la pressione atmosferica?

a) Barometro.

b) Termometro.

c) Sfigmomanometro.

d) Altimetro.

10) Quale relazione fra le seguenti unità di misura della pressione è corretta?

a) 1 Pa =1,013.105 atm

b) 1 atm = 105 Pa.

c) 1 atm = 1,013 bar.

d) 1 bar = 10 -5 Pa.

A questo punto abbiamo fatto l’ esperimento in laboratorio usando un acquario e due bottiglie di coca cola private delle etichette.
Abbiamo osservato che una di esse galleggiava mentre l’ altra si è adagiata sul fondo della vasca.

Si è avviata una discussione e il docente ha rivolto agli alunni alcune domande come:
Il galleggiamento dipende dal peso di un oggetto?
Dalla sua forma?
Dal suo volume?
E se l’ oggetto fosse immerso in un fluido diverso dall’ acqua cosa cambierebbe?
Ad alcune di queste domande gli alunni hanno risposto esattamente ma il docente non ha fornito, in questa fase del lavoro, le risposte corrette perché ha preferito che le tali risposte scaturissero da semplici esperimenti.

Per eseguire il primo esperimento e’ stato usato

un dinamometro,
una vasca piena di acqua,
due oggetti dello stesso volume ma di peso diverso.

Gli oggetti sono stati pesati prima in aria e poi in acqua.

Dopo aver sospeso l’ oggetto al dinamometro, e rilevato il suo peso, lo stesso è stato immerso in acqua e gli alunni, stupiti, hanno rilevato una sorta di “dimagrimento” dello stesso perché sul dinamometro si leggeva un valore inferiore rispetto al primo.

Poiché l’ oggetto in acqua non aveva subito nessuna trasformazione i ragazzi hanno spiegato l’ evento dicendo che l’ acqua avesse spinto verso l’ alto l’ oggetto intervenendo a favore del dinamometro e riducendone lo sforzo.

Gli alunni, costruendo il diagramma delle forze in gioco e facendo considerazioni sull’ equilibrio del corpo , si sono convinti che tale spinta potesse essere data dalla differenza dei due pesi quello in aria e quello in acqua.

Per calcolare la spinta di Archimede si può eseguire, inoltre, un esperimento che prevede l’utilizzo della bilancia idrostatica

Essa presenta, ad un lato dei bracci, un piatto per l’ adagiamento dei pesi, mentre all’altra estremità, presenta sospesi due cilindri uno cavo e l’ altro pieno e le loro dimensioni sono tali che quello pieno è contenuto perfettamente in quello vuoto.

Le fasi dell’ esperimento sono:

Pesare i due cilindri mettendo sul piatto tanti pesi fino a raggiungere l’ equilibrio.
Immergere il cilindro pieno in acqua e notare che i bracci della bilancia non sono più in equilibrio.
Verificare che il nuovo equilibrio viene raggiunto solo quando il cilindro cavo viene riempito di acqua.

Dall’ esperimento si comprende che la spinta di Archimede è proprio uguale al peso del volume del liquido spostato

Da un punto di vista matematico, la forza di Archimede può essere espressa nel modo seguente:

FA= ρ_flu V g

essendo ρ_flu la densità (massa volumica) del fluido, g l‘accelerazione di gravità e V il volume spostato (che in questo caso è uguale al volume del corpo).

Allo stesso modo, il peso del corpo è dato da

P= ρ_sol V g

essendo ρ_sol la densità media del solido immerso.

Possono darsi tre casi:

aIl corpo tende a cadere fino a raggiungere il fondo se la forza di Archimede è minore del peso, F_A < F_p, ovvero se ρ_flu < ρ_sol.
b)Il corpo si trova in una situazione di equilibrio se la forza di Archimede è uguale al peso, F_A= F_p, ovvero se ρ_flu= ρ_sol. Questo significa che se il corpo era in quiete rimarrà in quiete, mentre se era in moto si muoverà di moto decelerato fino a fermarsi per effetto dell’ attrito.
Il corpo tende a risalire fino alla superficie dove galleggia se la forza di Archimede è maggiore del peso, F_A > F_p, ovvero se ρ_flu > ρ_sol.

Scoperta la natura e il valore della spinta, si è cercato di capire se la spinta potesse dipendere dal peso dell’oggetto. I risultati sono stati raccolti in una prima tabella e, come si evince dai dati, la spinta di Archimede non dipende dal peso degli oggetti

Peso in aria	Peso in acqua	Spinta di Archimede P_{in aria} - P_{in acqua}
(2,0±0,1) N	(0,6±0,1) N	(1,4 ±0,1)N
(2,7 ±0,1)N	(1,3 ±0,1) N	(1,4 ± 0,1)N

Un ulteriore esperimento è stato condotto per scoprire se la densità del fluido avesse influito sulla spinta di Archimede.

Gli oggetti sono stati pesati in aria, in olio e in acqua.

I dati sono stati raccolti nella tabella e da una loro analisi è emerso che la spinta dipende dal fluido considerato.

Peso in aria	Peso in acqua	Spinta di Archimede P_{in aria} - P_{in acqua}	Peso in aria	Peso in olio	Spinta di Archimede P_{in aria} - P_{in acqua}
(2,0±0,1) N	(0,6±0,1) N	(1,4 ±0,1)N	(2,0± 0,1)N	(0,7±0,1) N	(1,3±0,1)N
(2,7 ±0,1)N	(1,3 ±0,1) N	(1,4 ± 0,1)N	(2,7 ± 0,1)N	(1,4 ± 0,1)N	(1,3± 0,1)N

Inoltre si vuole controllare se la spinta di Archimede dipende dalla forma degli oggetti. In questo caso sono stati usati oggetti di forma diversa ma con lo stesso volume.

I dati sono stati raccolti nella tabella e da essi si evince che la Spinta di Archimede è indipendente dalla forma dell’oggetto

Peso in aria	Peso in acqua	Spinta di Archimede P_{in aria} - P_{in acqua}	Peso in aria	Peso in olio	Spinta di Archimede P_{in aria} - P_{in acqua}
(2,0±0,1) N	(0,6±0,1) N	(1,4 ±0,1)N	(2,0± 0,1)N	(0,7±0,1) N	(1,3±0,1)N
(2,0±0,1) N	(0,6±0,1) N	(1,4 ±0,1)N	(2,0± 0,1)N	(0,7±0,1) N	(1,3±0,1)N

Per concludere il percorso si è ritenuto opportuno proporre agli alunni un Test Finale per verificare il grado di comprensione dell’ argomento scientifico in lingua inglese e i risultati ottenuti sono stati buoni.

Sulla superficie dell’acqua posta in un recipiente vengono appoggiati due dischetti di superficie, massa e natura diversa. Dei due galleggerà:

Quello che ha una superficie d’appoggio più ampia
Quello più leggero
Quello di massa minore
Quello la cui densità è inferiore a quella dell’acqua

Come si sa, un cubetto di ghiaccio galleggia sull’acqua.Se il recipiente con l’acqua e il ghiaccio si trovasse sulla Luna succederebbe che la spinta di Archimede:

Aumenterebbe
Diminuirebbe
Resterebbe uguale
Non ci sarebbe alcuna spinta

Due corpi aventi entrambi il volume di 60 cm3, hanno il primo una massa di 40g, il secondo di 80g. Se fossero posti in acqua, succederebbe che:

Il primo galleggia e il secondo affonda
Il primo affonda e il secondo galleggia
Galleggiano entrambi
Affondano entrambi

Quale fra i seguenti enunciati è falso?

La pressione entro un fluido si trasmette invariata in tutte le direzioni
La pressione entro un fluido aumenta all’ aumentare della densità
La spinta di Archimede è diretta verso l’alto
La pressione entro un fluido dipende unicamente dalla profondità