L’equilibrio dei fluidi

Percorso collegato al Capitolo 5 del volume FISICA. Modelli teorici e problem solving - Primo biennio, di James S. Walker.

Capitolo 5 L’equilibrio dei fluidi

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 5 L’equilibrio dei fluidi mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per gli studenti sia sotto forma di libro digitale statico (ITE), sia sotto forma di libro liquido (ITE plus) e costituisce una solida base dalla quale partire per condividere sia le pagine da studiare, sia le risorse digitali correlate.
Per semplificare il lavoro, i link qui forniti consentono l’attivazione diretta di tutti i materiali, che sono reperibili anche accedendo a My Pearson Place con il codice associato al volume.

Per cominciare: preparare i materiali

Da questo link è possibile scaricare le lezioni in Power Point, un unico file relativo all’intero capitolo, organizzato per paragrafi, che può essere adattato e modificato a proprio piacimento, eventualmente estrapolando i contenuti relativi a uno o più paragrafi.
Facciamo presente che le slide contengono, oltre a un’esposizione sintetica della teoria, anche l’intero testo dei Problem solving, nell’ordine in cui compaiono nel volume.

Ricordiamo che è possibile registrare la propria voce sulle slide in PPT (scarica il PDF per vedere come fare) ed esportare un video da condividere con gli studenti nella modalità concordata con la scuola per erogare le lezioni a distanza.

Consigliamo di prevedere dei momenti di “lezione frontale” in formato video (in diretta o registrati), della durata massima di 10-15 minuti, intervallati da momenti esercitativi o di confronto, come proposto di seguito per i paragrafi considerati.

Paragrafo 1 I fluidi

Pur essendo molto breve e discorsivo, questo paragrafo introduce due concetti importanti che meritano di essere fatti notare ai ragazzi. Il primo è la definizione stessa di fluidi: mentre nel linguaggio comune si tende a identificarli con i liquidi, in fisica la categoria comprende anche i gas. Il secondo è il concetto di equilibrio per i fluidi: perché un liquido o un gas sia in quiete, cioè in equilibrio, non devono agire forze tangenziali, altrimenti si avrebbero scorrimenti; le forze perpendicolari, invece, sono presenti anche nei fluidi in stato di quiete e sono responsabili della pressione.

Paragrafo 2 La pressione

La definizione di pressione si può spiegare ai ragazzi con il supporto delle slide. A partire dalla stessa definizione si possono dedurre le principali caratteristiche di questa grandezza: è scalare, direttamente proporzionale alla forza premente e inversamente proporzionale alla superficie sulla quale agisce.
È importante aiutare gli studenti a cogliere la differenza tra pressione e forza: a questo scopo, in un momento di lezione sincrona o su una chat di classe, si può chiedere loro di pensare a degli esempi tratti dall’esperienza quotidiana in cui, a parità di forza, la pressione sia diversa (ad esempio, camminare sulla neve con o senza racchette, camminare su un pavimento di legno con i tacchi a spillo o con delle scarpe basse, la forma delle zampe di un elefante confrontata a quelle di un piccolo quadrupede, …). Di questa differenza tra forza e pressione si può avere una conferma quantitativa svolgendo il Problem solving 1 Fai scoppiare il palloncino, riportato sulle slide; il problema si può esaminare passo passo insieme ai ragazzi e al termine si può assegnare il Prova tu in un tempo stabilito; un confronto sulla strategia risolutiva seguita dai ragazzi consentirà di intercettare eventuali difficoltà da loro incontrate nell'applicazione della formula o, magari, nella manipolazione delle unità di misura.

Per lo studio a casa si può suggerire la lettura dell'approfondimento PLUS Un giro sulla neve, utile a rinforzare il concetto di dipendenza della pressione dalla superficie su cui agisce la forza, e si possono assegnare i Primi problemi proposti in chiusura di paragrafo.

Paragrafo 3 La pressione atmosferica

Dopo aver introdotto la pressione per una forza qualunque, si passa a definire la pressione atmosferica. Si può partire dall'esempio pratico proposto nel box Real Physics, che invita a riflettere sul perché noi non percepiamo la pressione dell'aria sul nostro corpo; la riflessione si può avvalere dei risultati del Problema svolto 1.
La spiegazione può proseguire sfruttando il disegno attivo (video) La pressione atmosferica spinge in modo uguale in tutte le direzioni.
Per familiarizzare con la pressione relativa si suggerisce di esaminare il Problem solving 2 La palla schiacciata: al termine si può assegnare il Prova tu o, se lo si ritiene opportuno, uno dei Primi problemi che si trovano in chiusura di paragrafo: si può lasciare un tempo stabilito e poi, al termine, si può chiedere a due o tre ragazzi di condividere il risultato e la strategia di risoluzione.

Paragrafo 4 Pressione e profondità nei fluidi

Per introdurre la legge di Stevino il testo propone un quesito di Real Physics sulla pressione subita da un sottomarino in immersione (riportato sulle slide): la pressione che esso deve sopportare dipende dal peso della colonna d'acqua soprastante.
Nel corso della lezione si può mostrare ai ragazzi il video PLUS Pressure in water and alcohol (in inglese con sottotitoli in inglese o in italiano): oltre a essere un utile esercizio CLIL, esso fornisce una dimostrazione della dipendenza della pressione dalla densità del fluido. Il video si interrompe a metà per porre una domanda interattiva: la si può rivolgere alla classe, per stimolare la partecipazione e il confronto. La dimostrazione enfatizza soprattutto la dipendenza della pressione dalla densità, ma si possono sollecitare i ragazzi a notare che, via via che il misuratore viene immerso nel contenitore, la spia luminosa rileva un progressivo aumento di pressione, mettendo così in evidenza anche la dipendenza dalla profondità.

Per spiegare il principio dell'esperimento di Torricelli è disponibile il disegno attivo (video) Un semplice barometro.

Nell'ambito del loro studio autonomo gli studenti possono cimentarsi nei due quesiti Ragiona sui concetti: possono trovare le risposte sul libro digitale, cliccando sugli appositi hotspot. Si possono inoltre assegnare problemi tratti dai Primi problemi proposti al termine del paragrafo.

Paragrafo 5 I vasi comunicanti

Nella spiegazione sul principio dei vasi comunicanti ci si può avvalere del disegno attivo (video) Vasi comunicanti, che lo illustra, e del video PLUS Water level in Pascal Vases, che ne fornisce una dimostrazione sperimentale. La legge, che stabilisce la proporzionalità inversa tra densità e altezza della colonna di fluido all'equilibrio, è applicata nel Problem solving 3 Olio e acqua non si mescolano: anche in questo caso si suggerisce di esaminare insieme ai ragazzi le diverse fasi del problema e di assegnare al termine il Prova tu.

Paragrafo 6 Il principio di Pascal

Come noto, il principio di Pascal vanta diverse applicazioni pratiche, tra cui il sollevatore idraulico utilizzato nelle officine meccaniche: dopo aver spiegato il principio con l'aiuto delle slide, si può esaminare il Problem solving 4 Il principio di Pascal in officina, in cui lo si vede applicato.
Se lo si ritiene utile, per familiarizzare con il principio di Pascal si può proporre ai ragazzi di farne una verifica sperimentale a casa: bastano una bottiglietta di plastica con tappo, uno spillo e dell'acqua. Dopo aver riempito d'acqua e chiuso la bottiglietta, i ragazzi devono praticare dei forellini con lo spillo tutti allo stesso livello, nella zona della bottiglia vicina al tappo; poi, tenendo la bottiglietta girata verso il basso, dovranno esercitare una pressione con le dita sulla parte alta: vedranno così fuoriuscire il liquido dai forellini attraverso zampilli tutti uguali, perpendicolari alla superficie di plastica. Gli studenti potranno documentare le loro prove con foto e video, da condividere con i compagni su una chat di classe. In una lezione successiva si potranno esaminare e commentare i loro contributi e verificare la corretta interpretazione dell'esperimento: dovrà emergere il fatto che la pressione si propaga inalterata in tutte le parti del fluido, come si evince dagli zampilli che fuoriescono tutti uguali e perpendicolari alla superficie della bottiglia.

Paragrafo 7 Il principio di Archimede

La lezione sul principio di Archimede può avvalersi di diverse risorse digitali:

• il video PLUS Weighing Weights in Water fornisce una dimostrazione della dipendenza della spinta di Archimede dal volume dell'oggetto immerso;
• il disegno attivo (video) Forza di galleggiamento dovuta a un fluido mostra quali sono le forze agenti su un corpo immerso e come si sommano a dare una risultante rivolta verso l'alto, che è la spinta di Archimede;
• il disegno attivo (video) Corpo sospeso e corpo a fondo in un fluido illustra quale deve essere il rapporto tra la densità del corpo immerso e la densità del fluido perché il corpo galleggi o vada a fondo.

Le slide riportano per intero il Problem solving 5 Operazione sott'acqua e il Problem solving 6 La punta dell'iceberg, che offrono due applicazioni tipiche del principio di Archimede. Si consiglia come sempre di esaminarli insieme ai ragazzi in una lezione sincrona e di assegnare loro il Prova tu subito dopo; chiedendo a due o tre studenti la strategia di risoluzione, si potranno intercettare eventuali dubbi e fraintendimenti, da risolvere con spiegazioni mirate. I Primi problemi a fine paragrafo offrono una palestra per la prima applicazione dei concetti, su cui i ragazzi possono cimentarsi nel loro studio autonomo.

Per approfondire lo studio del galleggiamento si segnala l'approfondimento PLUS Determinazione della densità di un corpo per immersione completa da proporre in classe o da assegnare a un gruppo di ragazzi in modalità capovolta, in modo che siano loro a esporre l'argomento ai compagni in una videolezione successiva.
Infine, per mettere a punto la tecnica risolutiva di problemi si può suggerire lo studio della scheda Operativamente Come determinare il volume della parte immersa di un corpo che galleggia di pagina 195.

Al termine del capitolo, la scheda La fisica risponde La vescica natatoria offre lo spunto per un approfondimento interdisciplinare in campo biologico: il principio di Archimede, infatti, spiega anche il galleggiamento degli organismi marini. Se lo si ritiene utile, se ne può assegnare la lettura a casa; il Prova tu proposto in chiusura offrirà l'occasione di applicare un principio fisico al funzionamento di una struttura biologica appartenente a un essere vivente.

Per il ripasso e la verifica in autonomia

Al termine di ciascuna lezione o di un gruppo di lezioni lo studente può avvalersi di una serie di strumenti multimediali per il ripasso e la verifica, assegnabili di volta in volta al momento opportuno e accessibili dall’ITE (libro digitale).

Per il ripasso è disponibile l’Audiosintesi (testo illustrato + audio) di tutti i paragrafi.

Per l’autoverifica in autonomia è disponibile il Test interattivo di fine capitolo.

Per consolidare le strategie di problem solving è disponibile una selezione di problemi di fine capitolo (Attività per lo studio), a risoluzione guidata e interattiva (Problem solving interattivo).
Per esempio si veda Stima la pressione relativa.

E inoltre in My Pearson Place…

Invitiamo a esplorare tutti i materiali associati all’opera in adozione dalla pagina di ingresso al prodotto in My Pearson Place.

Da qui è possibile accedere, in particolare:
• all’intera Guida per il docente in formato PDF;
• a un ricco Crea Verifiche, con il quale comporre verifiche personalizzate, selezionando gli esercizi per argomento e per livello di difficoltà, ed esportando i file in formato .docx;
• al Didastore, dove ad esempio, nell’Area docente, sono disponibili le stesse verifiche fornite in Guida in formato editabile (docx) e nella sezione Palestra sono disponibili ulteriori batterie di test, tutti con autocorrezione.

La lezione è offerta dalla redazione di Pearson per le Scienze, il nuovo marchio editoriale per l'area scientifica della Scuola secondaria, nell'ambito del progetto Pearson Kilometro Zero, imparare e formarsi a distanza.

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