L’aria, elemento essenziale della nostra esistenza, è spesso confusa con il vuoto, poiché non facilmente visibile e tangibile. Tuttavia, possiede proprietà fisiche che influenzano in modo significativo il nostro ambiente quotidiano. Per comprendere meglio alcune di queste proprietà e renderle visibili proponiamo un percorso laboratoriale da svolgere, completamente o in parte, a scuola utilizzando materiali di facile reperibilità.
Il percorso si compone di diverse esperienze che permettono di affrontare alcuni concetti della fisica della materia. In particolare, attraverso attività pratiche e laboratoriali e utilizzando materiali di facile reperibilità il percorso permette di:
- dimostrare che l’aria è materia;
- verificare qualitativamente gli effetti della variazione della pressione sul volume di un gas;
- determinare quantitativamente la densità dell’aria.
Questo esperimento è presente anche nella versione per le scuole secondarie di II grado: La fisica con le bottiglie
Scheda esperimento
| Classi | 1° e 2° anno |
| Tipologia | Laboratorio povero |
| Durata | 2h |
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Scheda sintetica delle attività
Il percorso sperimentale proposto è composto da tre esperienze diverse. Per ognuna la classe viene divisa in gruppi da 4 alunni.
- La prima esperienza permette di dimostrare che l’aria è materia utilizzando una bottiglia di plastica, due cannucce ed un tappo forato con due fori del diametro uguale a quello delle cannucce (forniti dal docente) e prevede i seguenti passaggi:
- riempire una bottiglia di plastica trasparente per ¾ di acqua;
- inserire le cannucce nei due fori presenti sul tappo in maniera tale che una delle due cannucce, quella più lunga, raggiunga il fondo della bottiglia mentre la seconda si trovi al di sopra del pelo libero dell’acqua;
- soffiare nella seconda cannuccia (quella non immersa);
- osservare che l’acqua inizia a fuoriuscire dalla prima cannuccia (quella immersa).
- La seconda esperienza (divisa in 3 prove diverse) permette di valutare gli effetti della variazione della pressione sul volume di un gas utilizzando una bottiglia di plastica con un restringimento centrale e un foro in basso sulla parete laterale, una bottiglia di plastica rigida anche essa con un foro sulla parete laterale, una valvola di una camera d’aria di bicicletta, una pompa da bicicletta, un palloncino di gomma.
Prova 1
- Infilare il palloncino nella bottiglia di plastica con restringimento centrale lasciandone fuori l’estremità aperta
- Gonfiare il palloncino dall’esterno della bottiglia lasciando aperto il foro che si trova sulla parete laterale della bottiglia
- Chiudere il palloncino con un nodino
- Chiudere la bottiglia con il tappo su cui è stata montata la valvola della camera d’aria di bicicletta, mantenere un dito sul buco situato sulla parete della bottiglia e con una pompa far entrare aria nella bottiglia attraverso la valvola
- Osservare la variazione di volume del palloncino, inizialmente bloccato nella parte superiore della bottiglia, che scende verso il fondo della bottiglia, superando la strozzatura
- Fare uscire l’aria dalla bottiglia (dalla valvola del tappo o dal foro laterale sulla bottiglia), e osservare l’aumento di volume del palloncino
Prova 2
- Utilizzare la stessa bottiglia utilizzata nella prova precedente (con il foro sulla parete) e infilare un palloncino di gomma nella bottiglia fissandone l’estremità aperte all’apertura della bottiglia
- Gonfiare il palloncino con la bocca
- Chiudere con un dito il foro presente sulla parete della bottiglia
- Osservare che il palloncino si sgonfia e la bottiglia collassa per effetto della differenza di pressione rispetto alla pressione atmosferica
Prova 3
- Infilare un palloncino di gomma nella bottiglia di plastica rigida forata fissandone l’estremità aperta all’apertura della bottiglia
- Gonfiare il palloncino nella bottiglia con la bocca
- Chiudere con un dito il foro sulla parete della bottiglia e smettere di soffiare nel palloncino
- Allontanare la bocca dalla bottiglia
- Osservare che il palloncino non si sgonfia
- La terza esperienza permette di misurare la densità dell’aria utilizzando una bottiglia di plastica con tappo forato, la valvola di una camera d’aria di bicicletta, una pompa da bicicletta, una siringa da 10 cc senza ago con la punta sigillata e una bilancia con sensibilità di almeno 0,01 g e prevede i seguenti passaggi:
- prendere il tappo forato della bottiglia di plastica (materiale fornito dal docente) e infilare la valvola della camera d’aria di una bicicletta lasciando all’esterno un po’ di gomma in modo che nel richiudere la bottiglia faccia tenuta;
- infilare la siringa sigillata con lo stantuffo sulla tacca 10 cc nella bottiglia e chiudere con il tappo con la valvola;
- pesare la bottiglia con dentro la siringa;
- con la pompa far entrare l’aria attraverso la valvola finché la siringa non segna metà del valore iniziale;
- pesare di nuovo la bottiglia;
- ripetere più volte l’esperimento;
- determinare Il rapporto tra la differenza delle due pesate e il volume della bottiglia per stimare la densità dell’aria a pressione atmosferica.
Risorse necessarie
- Bottiglie di plastica trasparente da 1,5 litri
- Bottiglia di plastica che presenta un restringimento nella zona centrale e un foro laterale (materiale predisposto dal docente).
- Bottiglia di plastica rigida con un foro sulla parete laterale (materiale predisposto dal docente)
- Bottiglia di plastica trasparente da 0,5 litri
- Bottiglia di plastica rigida trasparente
- Tappi con un foro e con due fori (materiale predisposto dal docente)
- Valvola di camera d’aria di bicicletta
- Siringa da 10 cc senza ago con la punta sigillata (materiale predisposto dal docente)
- Pompa da bicicletta
- Bilancia con sensibilità di almeno 0,01 g
- Palloncini di gomma
- Cannucce di diversa lunghezza.
Prerequisiti
- Conoscere il concetto di grandezza fisica
- Conoscere la massa, il peso e la loro differenza
- Conoscere la definizione di forza
- Conoscere la definizione di pressione
- Conoscere i diversi stati di aggregazione della materia e le loro differenze
- Riconoscere quando un corpo è in equilibrio
Obiettivi di apprendimento
- Sviluppare la capacità di interpretare fenomeni della realtà individuando relazioni di causa-effetto
- Verificare concetti teorici in modo pratico e semplice
- Verificare che l’aria è caratterizzata da una massa ed occupa un volume
- Verificare che esiste una relazione tra pressione e volume di un gas
Dotazioni di sicurezza
Nessuna dotazione di sicurezza ma la costante sorveglianza del docente. Tutti i materiali che necessitano di utilizzo di fonti di calore e preparazione saranno predisposti dal docente e messi a disposizione degli alunni già pronti all’uso.
Svolgimento
Premessa
L’aria, elemento essenziale della nostra esistenza, è spesso confusa con il vuoto, poiché non facilmente visibile e tangibile. Tuttavia, possiede proprietà fisiche che influenzano in modo significativo il nostro ambiente quotidiano. Per comprendere meglio queste proprietà e renderle visibili proponiamo diverse attività laboratoriali da svolgere a scuola utilizzando materiali di facile reperibilità, tra cui bottiglie di plastica, cannucce, palloncini, acqua ecc.
Realizzazione
Esperienza 1 – Dimostrare che l’aria è materia
Obiettivo: comprendere che l’aria occupa un volume, pertanto è materia.
Si lavora con la bottiglia da mezzo litro.
Il docente pratica due fori nel tappo della bottiglia del diametro delle cannucce. In classe gli alunni, dopo aver riempito la bottiglia per ¾ di acqua, inseriscono le cannucce nei due fori in maniera tale che una delle due cannucce, quella più lunga raggiunga il fondo della bottiglia, e sia quindi immersa nell’acqua, mentre la seconda viene inserita in modo da trovarsi al di sopra del pelo libero dell’acqua (figura 2)
A questo punto soffiando nella cannuccia corta gli alunni osserveranno che dall’altra cannuccia comincerà a fuoriuscire dell’acqua.
Si stimolano gli alunni a formulare ipotesi per spiegare quanto osservato e insieme si arriva a concludere che quanto si osserva accade perché l’aria occupa spazio all’interno della bottiglia, quindi, anche se invisibile, l’aria ha un volume.
L’acqua che esce dalla bottiglia è la prova visibile e di facile interpretazione del fatto che l’aria occupa spazio.
Esperienza 2: Verificare l’effetto della variazione della pressione sul volume
Obiettivo: creare situazioni sperimentali che permettano di osservare facilmente che esiste una relazione tra pressione e volume di un gas
Prova 1
Si utilizza una bottiglia che presenta un restringimento nella zona centrale e un foro laterale, si infila un palloncino nella bottiglia lasciando fuori l’estremità aperta e si gonfia il palloncino dall’esterno della bottiglia lasciando aperto il foro che si trova sulla parete laterale della bottiglia, e si fa un nodo per chiudere il palloncino lasciandolo cadere nella bottiglia (figura 3A).
Il palloncino, gonfiato si trova nella bottiglia a pressione atmosferica, il suo volume non gli consente il passaggio attraverso la strozzatura della bottiglia. Si chiude la bottiglia con il tappo su cui è stata montata la valvola della camera d’aria di bicicletta, come mostrato in figura 3B.
Figura 3: (A) bottiglia con foro laterale aperta con palloncino interno gonfiato e chiuso;
(B) tappo di bottiglia con valvola di camera d’aria
Con un dito si chiude il buco situato sulla faccia laterale della bottiglia e si comincia a pompare aria nella bottiglia. Si potrà notare che all’aumentare della pressione il volume del palloncino diminuisce.
Pompando aria, infatti, la pressione all’interno della bottiglia aumenta e pertanto il volume dell’aria contenuta nel palloncino (inversamente proporzionale alla pressione) diventa più piccolo, fino a che il palloncino passa attraverso la strozzatura (figura 4).
Aprendo la valvola del tappo (o togliendo il dito dal foro laterale sulla bottiglia), l’aria esce dalla bottiglia e la pressione al suo interno si abbassa fino a riequilibrarsi con alla pressione atmosferica iniziale, così che anche il volume dell’aria contenuta nel palloncino torna alle condizioni iniziali e il palloncino, quindi, non passa più attraverso la strozzatura della bottiglia.
Prova 2
Si utilizza la bottiglia con il foro della prova precedente, si infila un palloncino di gomma nella bottiglia lasciando fuori l’imboccatura aperta che va fissata sulla apertura della bottiglia, eventualmente bloccata con un elastico;
Si chiude la bottiglia con il tappo-dotato di valvola e si pompa aria nella bottiglia in modo da gonfiare il palloncino, senza tappare con il dito il foro sulla parete della bottiglia.
Si chiude con un dito il foro presente sulla parete della bottiglia e si apre la valvola posta sul tappo.
Si osserva che mentre il palloncino si sgonfia, la pressione nella bottiglia diminuisce e la bottiglia collassa per effetto della pressione atmosferica (figura 5).
Prova 3
Si prende una bottiglia di plastica rigida con il foro sulla parete laterale.
Si infila un palloncino di gomma nella bottiglia lasciando fuori l’imboccatura aperta eventualmente bloccandola con un elastico.
Senza tappare con il dito il foro sulla parete della bottiglia, con la bocca si soffia nell’imboccatura in modo da gonfiare il palloncino nella bottiglia.
A questo punto si chiude con un dito il foro sulla parete della bottiglia e si smette di soffiare nel palloncino. Allontanando la bocca dalla bottiglia si osserverà che nonostante il palloncino sia aperto non si sgonfia, perché la pressione all’interno della bottiglia è minore della pressione atmosferica che agisce sul palloncino (figura 6).
Esperienza 3 – Stimare la densità dell’aria
Obiettivo: avvicinare gli studenti ad una stima della densità dell’aria attraverso il rapporto di grandezze direttamente misurabili
Si procede inserendo la siringa da 10 cc con la punta sigillata piena d’aria con lo stantuffo fermo sulla tacca di 10cc nella bottiglia (in modo che il volume di aria a pressione atmosferica contenuta nella siringa sia proprio di 10 cc.) e questa si chiude con il tappo forato in cui è stata inserita la valvola di bicicletta facendo attenzione che il tappo chiuda bene (figura 7)
Si pesano insieme bottiglia, siringa e tappo con valvola (figura 8). Ovviamente la bottiglia contiene oltre alla siringa sigillata anche l’aria a pressione atmosferica presente nella bottiglia. La misura della massa viene effettuata con una bilancia con una sensibilità di almeno 0,01 g.
Utilizzando una pompa per biciclette si pompa aria attraverso la valvola finché lo stantuffo della siringa all’interno della bottiglia non si sposta fino alla tacca corrispondente a 5cc, pari a metà del valore iniziale.
In queste condizioni la pressione nella bottiglia sarà il doppio di quella atmosferica (quando il valore del volume dell’aria nella siringa sarà dimezzato, passando da 10 cc a 5 cc potremmo ipotizzare che la pressione nella bottiglia sarà raddoppiata) e quindi anche la massa di aria all’interno della bottiglia sarà pari al doppio della quantità inizialmente presente.
Pompando aria, infatti, la pressione all’interno della bottiglia aumenta e il volume occupato dall’aria contenuta nella siringa diminuisce in maniera inversamente proporzionale all’aumento della pressione.
Attraverso una discussione in classe, presentando la legge dei gas perfetti evidenziando i rapporti di proporzionalità tra pressione volume e massa, è possibile utilizzare questa attività per spiegare agli studenti che a volume e temperatura costanti, c’è una proporzionalità diretta tra il numero di particelle di gas presenti nel contenitore e la pressione ed una proporzionalità inversa tra la pressione e il volume all’interno della siringa quindi che se il volume nella siringa dimezza sarà raddoppiata la pressione nella bottiglia e di conseguenza sarà raddoppiata la massa di aria all’interno della bottiglia.
Una nuova misura della massa della bottiglia permette di determinare la massa della bottiglia dopo aver pompato l’aria al suo interno (figura 9).
La differenza di massa registrata rispetto alla misura prima di iniziare a pompare aria è dovuta all’aumento della massa di aria all’interno, ora doppia rispetto all’inizio.
Poiché quando una quantità raddoppia, il suo aumento rispetto al valore iniziale coincide proprio con il valore che aveva all’inizio, si può concludere che l’aumento della massa di aria rappresenti il valore iniziale della massa di aria presente nella bottiglia.
Dal rapporto tra la massa e il volume della bottiglia è possibile stimare il valore della densità dell’aria a pressione atmosferica. In particolare, i risultati ottenuti nel nostro esperimento permettono di ottenere un valore della densità dell’aria a pressione atmosferica pari a 1,35 ± 0,07 kg/m3 , in accordo soddisfacente con il valore noto per l’aria secca che in condizioni normali (temperatura di 20 C e pressione di 1 atm) è pari a 1,204 kg/m3.
Note e storia
Il tubo di Torricelli o barometro di Torricelli, chiamato così dal nome del suo inventore, Evangelista Torricelli che lo ideò nel 1608 e con il quale per primo a misurare la pressione atmosferica.
È costituito da un tubo di vetro chiuso a un’estremità e aperto dall’altra, con una sezione di un centimetro quadro (la sezione del tubo è irrilevante, è sufficiente che non si tratti di un capillare e che si abbia un quantitativo di liquido sufficiente a riempire il tubo fino alla altezza adeguata) lungo un metro, riempito di mercurio e posto in una vaschetta, anch’essa contenente mercurio. La scelta di utilizzare il mercurio è data dalla sua elevata densità che permette di lavorare a grandi pressioni con volumi relativamente piccoli. Inserendo il tubo, dalla parte aperta, nella bacinella, accade che il mercurio presente nel tubo non si svuota completamente nel contenitore, bensì si ferma ad un’altezza di 760 millimetri (76 centimetri). Questo succede perché il mercurio nella bacinella è soggetto alla pressione dell’aria
Bibliografia
- La fisica con le bottiglie – Esperimento LS-OSA per la scuola secondaria di II grado
Esperimento di Torricelli – Museo Galileo, Museo Virtuale - Walker J. S. IL Walker – corso di fisica (primo biennio); Pearson Scienze
- Walker J. S. IL Walker – corso di fisica (Termodinamica); Pearson Scienze
- Leopardi, Bubani, Carabella, Marcaccio EXPERIENCE vol. 2 Dea Scuola
Autori
Massimo Malerba, I.C. “C. Melone”, Ladispoli (RM)
Silvia Orsi, I.C. “N. Tommaseo”, Torino
Domenica Mastrandrea, I.C. “Davanzati Mastromatteo”, Palo del Colle (BA)
Simona De Persiis, I.C, “I. Ridolfi “, Tuscania (VT)