21) La materia continua o discontinua

Riassunto / Abstract

Lo studio dei modelli atomici è l’occasione per una riflessione storica, epistemologica e filosofica sulle idee che si sono avvicendate nel corso del tempo su questo argomento e sul metodo scientifico; in particolare sulla costruzione e sull’uso di modelli esplicativi e sui metodi di indagine della realtà. Ne emerge un percorso interdisciplinare, di cui l’esperimento 22-Scienze “L’energia continua o quantizzata” costituisce la seconda parte, in cui lo studente apprende, sperimentando, che la scienza è una costruzione “sociale” di saperi.

Filosofia (allegato: percorso filosofico): Il paradigma atomistico-meccanicistico di Democrito viene abbandonato in età antica e medievale a favore di quello aristotelico; recuperato nel Seicento da Galileo, costituirà il fondamento della scienza moderna. Nell’analisi si sottolineerà la contrapposizione tra: 

  • meccanicismo democriteo/finalismo aristotelico; 
  • analisi quantitativa di Democrito/analisi qualitativa di Anassagora; 
  • esistenza di elementi ultimi in Democrito /divisibilità infinita della materia in Anassagora. 

Chimica 

  • Storia dei concetti di atomo e di elemento (allegato: “la rivoluzione chimica“); 
  • esperienza “La scatola nera”; 
  • visione di filmati sulle esperienze con i tubi di Crookes e modello atomico di Rutherford. 

Scheda sintetica delle attività

Filosofia ( vedi allegato: percorso filosofico)

  • Fase motivazionale: situazione stimolo per rompere le certezze consolidate, acquisire consapevolezza delle proprie; pre-comprensioni e suscitare il problema;
  • alle radici del concetto di atomo;
  • le caratteristiche dell’atomo;
  • il movimento dell’ atomo: meccanicismo e determinismo – Meccanicismo e finalismo a confronto.

Chimica

  • Analisi della scheda storica (allegato: “La rivoluzione chimica”);
  • scatola nera ( il metodo e l’uso di modelli);
  • gli esperimenti di Thomson  con i tubi di Crookes – la scoperta delle particelle subatomiche (video);
  • atomo di Rutherford (video).

L’interdisciplinarità con Fisica è solo accennata perché questa disciplina affronta questi argomenti al quinto anno. 

E’ comunque possibile che, durante l’ultimo anno,  il percorso venga ripreso tra fisica e filosofia e venga approfondito il modello epistemologico di Kuhn che qui è solo accennato. 

Risorse necessarie

Scatola nera

Scatole nere di diverso tipo. Le scatole nere possono essere preparate in modi diversi: si prende una scatola di cartone e si fanno passare, attraverso dei fori praticati nei lati della scatola, delle asticelle (es. bastoncini per spiedini); delle rondelle sono infilate su queste bacchette o sono sparse nella scatola. Si deve contrassegnare ogni scatola di un tipo con una lettera, in modo da distinguere dall’esterno le scatole uguali nell’interno, e numerare le posizioni delle asticelle in modo che siano facilmente identificabili. E’ necessario avere parecchie scatole identiche tra loro (almeno una per gruppo di studenti).

Figura 1: quattro scatole nere chiuse e aperte

Prerequisiti necessari

  • Saper interagire criticamente nel rispetto delle opinioni altrui;
  • saper comunicare in modo efficace e rigoroso.

Queste competenze vengono rafforzate dall’attività proposta, ma si considerano anche, in parte, acquisite perchè questa non è la prima attività sperimentale che i ragazzi svolgono e che discutono tra loro.

Obiettivi di apprendimento

Filosofia

  • Conoscere il lessico specifico (acquisire, comprendere, utilizzare correttamente termini quali atomo, vuoto, moto, divenire, potenza/atto, meccanicismo, finalismo, qualità oggettive/qualità soggettive….);
  • conoscere i nuclei tematici fondamentali del pensiero degli autori considerati, in relazione alla indagine      sul mondo fisico (esempio: caratteri della fisica democritea, dottrina aristotelica del divenire, teoria dei ‘luoghi naturali’…);
  • individuare differenze e affinità tra le concezioni cosmologiche / i modelli interpretativi relativi alla natura sviluppatisi in età antica;
  • comprendere il rapporto tra scienza e filosofia nella cultura greca antica;
  • acquisire/potenziare le capacità di: argomentare razionalmente; analizzare e leggere criticamente un testo filosofico (individuazione della tematica centrale, delle parole-chiave, delle tesi sviluppate, delle argomentazioni addotte a sostegno);
  • stabilire confronti tra sistemi teorici differenti;
  • educare al confronto razionale delle idee;
  • acquisire un punto di vista prospettico e antidogmatico;
  • interrogarsi in modo critico sul significato della realtà.

Chimica

  • costruire modelli interpretativi diversi e complessi;
  • trasferire le conoscenze in contesti diversi;
  • saper riconoscere i percorsi storici nella costruzione delle conoscenze scientifiche;
  • interagire criticamente nel rispetto delle opinioni altrui;
  • comunicare in modo efficace e rigoroso.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Introduzione 

Dal punto di vista chimico viene proposta una riflessione sulla storia della disciplina nel XVIII secolo (allegato: La rivoluzione chimica) in modo da contestualizzare storicamente le conoscenze costruite nel biennio riguardanti la struttura della materia attraverso il modello particellare e la teoria atomica di Dalton. Il lavoro sulla struttura dell’atomo è introdotto da un’esperienza : “La scatola nera”,  il cui significato è quello della riflessione metacognitiva sulle proprie modalità di scoperta e conoscenza, che rimandano ad una più ampia riflessione sul metodo scientifico. L’esperienza viene proposta in questo contesto per mettere in evidenza, che la costruzione di modelli in ambito scientifico, non deriva sempre dall’osservazione diretta, ma spesso è necessario l’allestimento di esperimenti, la cui interpretazione complessiva ci porta alla costruzione graduale di un modello e al suo perfezionamento attraverso l’opera di molti scienziati e attraverso lo sviluppo di idee sulla materia che hanno subito mutamenti nel corso dei secoli. Nella seconda parte, non avendo la possibilità di riproporre alcuni esperimenti cruciali, vengono utilizzati dei filmati facilmente reperibili nel web per affrontare lo studio dei modelli atomici.

Scatola nera

  • Ad ogni gruppo di studenti viene assegnata una scatola nera dello stesso tipo e fornite le seguenti indicazioni da seguire e regole da rispettare per arrivare alla costruzione del modello della scatola;
  • eseguire osservazioni precise per capire come è fatto l’interno della scatola, senza sfilare le asticelle e, naturalmente, senza aprirla. E’ possibile guardarla, scuoterla leggermente, inclinarla avanti e indietro e in varie direzioni, ascoltare con attenzione i suoni che si sentono. Registrare con ordine tutte le osservazioni;
  • dopo aver fatto tutte le prove che possono essere venute in mente (tranne sfilare i bastoncini e aprire la scatola), cercare di immaginare in modo generale che cosa dovrebbe esserci nella scatola per giustificare le osservazioni fatte, cioè costruire il proprio modello della scatola nera che alla fine deve essere rappresentato con un disegno che illustra la disposizione delle bacchette e delle rondelle;
  • sulla base del modello ideato, fare delle previsioni di quello che accadrà se le scatole sono messe alla prova in qualche altro modo, per es. sfilando una particolare asticella, e sulle nuove proprietà che le scatole acquisteranno (ideare un esperimento). Scrivere le previsioni in modo da poterle poi controllare sperimentalmente;
  • disegnare alla lavagna i modelli della scatola di ogni gruppo di studenti, così da permettere una condivisione e un confronto che porti alla scelta di un numero limitato di modelli del tutto coerenti con le osservazioni fatte;
Figura 2: esempi di modelli proposti dai gruppi di studenti per la scatola numero 1; durante la discussione, in genere, le ipotesi si riducono e i ragazzi concordano su alcune di esse.
  • durante la discussione con la classe l’insegnante cercherà di condurla sul livello metacognitivo: a)  in che modo si è passati dalle osservazioni al modello; b) l’uso similitudini e delle metafore; c)  il confronto con altri gruppi che permette di modificare il proprio modello. Verrà posto l’accento sulla costruzione sociale della conoscenza nella comunità degli scienziati, che comporta l’uso di una terminologia comune. In questo senso i ragazzi dovranno accordarsi sull’ipotesi di contenuto della scatola e sui nomi da dare agli oggetti percepiti. Il riferimento cognitivo verrà sviluppato in seguito con la scoperta delle particelle subatomiche. Dopo aver raggiunto, se possibile, un accordo sul contenuto della scatola, si passa al vaglio delle ipotesi sulla organizzazione (modelli atomici);
  • passare a questo punto, a livello classe, alla verifica sperimentale del/dei modello/i scelti, stimolando il confronto tra i gruppi. Decidere quale asticella sia più conveniente sfilare per prima e sfilarla effettivamente. Discutere sul risultato ottenuto, se convalida il modello elaborato o se rende necessarie modifiche. (Bisogna usare una scatola alla volta per verificare ogni singola previsione: sfilare una delle asticelle può infatti cambiare la situazione all’interno della scatola abbastanza da impedire di controllare la previsione di quello che sarebbe potuto accadere se si fosse sfilata prima un’altra asticella. Se la previsione non risulta confermata occorre modificare il modello prima di fare altri esperimenti.) Continuare con questo procedimento fino a quando si arriva a un modello che è corretto, cioè coerente con tutte le osservazioni e sperimentazioni operate sulla scatola in esame;
  • è importante che le scatole non vengano aperte: in questo modo ciò che vi è contenuto non può essere riconosciuto, ma può essere descritto in maniera generale e ciò corrisponde ai modelli fisici nei quali gli esatti “contenuti” di un sistema fisico non possono mai essere completamente controllati.

In questo modo gli alunni ripercorrono le tappe che hanno condotto al modello atomico, perchè inizialmente discutono a lungo e si confrontano sul contenuto della scatola in base ai rumori che sentono, e vengono stimolati a dare un nome condiviso agli oggetti che percepiscono, una volta che si sono messi d’accordo ( scoperta particelle negative e positive e delle loro caratteristiche). Successivamente ipotizzano un modello interno (modelli di Thomson e  di Rutherford) e propongono un esperimento che convalidi la loro ipotesi (esperienza della lamina d’oro). Queste analogie verranno richiamate anche in seguito dall’insegnante quando proporrà, attraverso i video, il percorso compiuto dagli scienziati.

Video consigli per l’uso

Nella ricerca dei filmati da utilizzare abbiamo preferito quelli che presentano gli esperimenti, senza dare troppo spazio alla loro interpretazione, in modo da poterli usare come sostitutivi delle esperienze dirette, che non sono alla portata del nostro laboratorio. La metodologia didattica è centrata, dove possibile, sull’inquiry. Alcuni filmati raccontano la storia delle idee in coerenza con il percorso che stiamo effettuando.

Ipotesi di una sequenza di visione: numeri 1, 4, 2, 6, 3, 6.

Note e storia

La scheda storica è stata inserita negli allegati ( la rivoluzione chimica).

I filmati 2 e 4 riassumono la storia delle scoperte.

Il modello epistemologico di T.S.Kuhn fa da sfondo a tutto il percorso e ne rappresenta l’ipotesi interpretativa. In particolare per il passaggio dal modulo ” La materia continua o discontinua” al secondo modulo ” L’energia continua o quantizzata” si fa riferimento al testo ” Le rivoluzioni scientifiche” pp da 49 a 58, che trattano in specifico la “rivoluzione” operata da Plank e utilizzata da Bohr.

Per poter affrontare un percorso interdisciplinare è importante, oltre alla contemporaneità, che gli insegnanti delle discipline coinvolte conoscano i contenuti reciproci e soprattutto che ne condividano la terminologia. Ciò non significa che l’insegnante di scienze possa o debba  insegnare filosofia, e viceversa, ma è importante, come ed esempio in questo caso, che  termini come “modello”, “paradigma”, “anomalia”, “periodi rivoluzionari”, “periodi di scienza noramle”, ecc., siano utilizzati durante le spiegazioni e introdotti nelle discussioni in modo da rafforzare l’apprendimento interdisciplinare. Il percorso storico della scienza rappresenta la base della riflessione filosofica; la trattazione filosofica introduce all'”epistemologia” della disciplina scientifica e sviluppa competenze metacognitive. Per questo motivo questi termini vengono utilizzati nella scheda storica; scritti tra virgolette per indicarne la non-casualità.

Bibliografia

Video didattici:

1. http://www.youtube.com/watch?v=CsjLYLW_3G0 Cathode rays, Crookes tubes and the discovery of the electron;

2. http://www.youtube.com/watch?v=0uFmWFdZJ4Y storia dell’atomo fino a Rutherford;

3. http://www.youtube.com/watch?v=UXEEmeXJk5g esperimento di Thomson

4. http://www.youtube.com/watch?v=KGl3lcZBgC8&list=PLpX7lEyPPR5uc7BxbnttuF6x35tsvW104La Struttura dell’Atomo (storia);

5. http://www.youtube.com/watch?v=k1oYnQkShGE gli elettroni cosa sono e come si misurano Rai scienze;

6. http://www.youtube.com/watch?v=OlSw0CaKNuw  “L’atomo di Rutherford” disponibile anche in DVD ” La fisica secondo il PSSC” Zanichelli.

Autori

Giovanelli Carmen

Vignati Attilia

Colombo Rosangela

Macchi Emanuela

Schede / Allegati

Prove di verifica

Specifiche esperimento


Materia
Chimica
Classi a cui è rivolto
2° biennio
Tipologia di laboratorio
Povero
Reperibilità del materiale
Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web
Materiale specifico
Scatole scure con coperchio, stuzzicadenti, anelli metallici
Durata esperimento in classe
2 h
Capacità di bricolage/assemblaggio
Sì
Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche
No
Necessità PC per acqusizione/analisi dati
No
Necessità di uno smartphone
No
Parole chiave
Chimica
Filosofia
Struttura atomica
Esperimenti di Rutherford

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