Temperatura e calore

Percorso collegato al Capitolo 11 FISICA. Modelli teorici e problem solving - Primo biennio, di James S. Walker.

Capitolo 11 Temperatura e calore

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 11 Temperatura e calore 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 Temperatura ed equilibrio termico

In questo primo paragrafo si introducono le due grandezze protagoniste del capitolo: calore e temperatura. Vale la pena di soffermarsi sulle due definizioni, per aiutare i ragazzi a mettere a fuoco il loro significato fisico, che non sempre coincide con il significato che si attribuisce loro nel linguaggio comune: sulla traccia delle slide si può quindi sottolineare che il calore non è "contenuto" in un corpo, ma è una forma di energia che fluisce da un corpo all'altro quando i due si trovano a temperature diverse, e che la temperatura ci permette di stabilire quando due corpi si trovano in equilibrio termico.

Paragrafo 2 La misura della temperatura

La spiegazione sulle scale di temperatura si può avvalere della Figura 1 Confronto fra scale termometriche, riportata sulle slide e disponibile in formato disegno attivo (video). Per fissare i concetti e familiarizzare con le formule si suggerisce di proporre ai ragazzi qualche esercizio di conversione da una scala all'altra sul modello del problema svolto 1: lo si può svolgere nel corso di una videolezione sincrona, interpellando a turno i ragazzi. Per sottolineare l'importanza della scala Kelvin, inoltre, si può affidare a un gruppetto di studenti un approfondimento sul significato fisico dello zero assoluto. Nella loro ricerca potrebbero farsi guidare dai seguenti quesiti:

- Che cosa rappresenta lo zero assoluto?
- Come è stato ottenuto il valore di -273,15 K?
- Che cosa succede alla materia quando la sua temperatura si avvicina allo zero assoluto?

Gli studenti incaricati potrebbero esporre il proprio approfondimento ai compagni nel corso di una videolezione con la supervisione dell'insegnante, oppure preparare delle slide da condividere su una chat di classe.

Paragrafo 3 La dilatazione termica

La dilatazione termica spiega diversi elementi osservabili nella quotidianità: il principio di funzionamento dei termometri ad alcol, il fatto che due tratti adiacenti di una rotaia siano separati da intercapedini vuote, la lunghezza dei cavi della luce, che tendono ad allungarsi nelle giornate calde. Il fenomeno potrebbe sembrare di entità trascurabile, soprattutto se si valutano i dati dei coefficienti riportati nella tabella (riprodotta sulle slide), ma basta applicare la formula a un caso reale, come quello illustrato nel problema svolto 2, per rendersi conto che su scala macroscopica è invece rilevante. Nel caso della dilatazione volumica si può analizzare il comportamento anomalo dell'acqua e le sue conseguenze idrauliche e biologiche, come suggerito dal quesito Real Physics di pagina 414.
Per esercitarsi a svolgere problemi sulla dilatazione termica si può analizzare passo passo il Problem solving 1 Non riempirlo troppo!, interamente riportato sulle slide, e proporre il Prova tu ai ragazzi: lo possono svolgere in un tempo stabilito nell'ambito della lezione e confrontarsi alla fine sulla strategia risolutiva seguita; l'insegnante può intercettare così eventuali difficoltà o dubbi.
Per lo studio autonomo a casa si possono assegnare dei problemi tratti dai Primi problemi, riferiti ai primi tre paragrafi del capitolo.

Paragrafo 4 Calore e lavoro meccanico

In questo paragrafo si quantifica l'equivalenza tra calore ed energia meccanica. Per illustrare il mulinello di Joule si può fare riferimento alla Figura 5 L'equivalente meccanico del calore: è disponibile in formato disegno attivo (video) e si può utilizzare per arricchire una videolezione, o anche proporre per lo studio a casa.
Per rendere l'argomento più coinvolgente, si possono invitare i ragazzi a ritrovare l'equivalente meccanico della caloria sulle etichette nutrizionali degli alimenti: basta calcolare il rapporto tra il contenuto energetico in joule e il valore espresso in calorie. Sempre a questo proposito, per approfondire il tema del contenuto energetico dei cibi, può essere interessante invitare gli studenti a svolgere un breve approfondimento sulla bomba calorimetrica, lo strumento con cui si misura il potere calorico degli alimenti.
Per la parte applicativa si suggerisce di analizzare passo passo la scheda Problem solving Al lavoro dopo la merenda e di assegnare al termine il Prova tu ai ragazzi.
Per lo studio a casa si possono assegnare i Primi problemi proposti al termine del paragrafo.

Paragrafo 5 Capacità termica e calore specifico

La lezione sulla capacità termica e sul calore specifico si può svolgere sulla traccia delle slide. Può essere interessante commentare insieme ai ragazzi la tabella dei calori specifici e da questa ricavare i dati necessari per rispondere al quesito posto nel PLUS video Heating water and aluminium. Il video è in inglese (ed è quindi anche un buon esercizio CLIL) e propone una dimostrazione del fatto che diverse sostanze hanno calori specifici diversi.
Si può inoltre proporre ai ragazzi di meditare sul quesito Real physics proposto nel testo a pag. 418, che invita a cercare nelle leggi fisiche la spiegazione della mitezza del clima marittimo e lacustre.
Un'altra prova del fatto che l'acqua ha un alto calore specifico è fornita dal video PLUS Water balloon held over a candle flame: oltre a proporlo in visione, si possono invitare i ragazzi a riprodurre l'esperimento a casa; richiede del materiale facilmente reperibile e naturalmente un po' di attenzione nella gestione della fiamma.
Per allenare gli studenti ad applicare le importanti leggi viste nel paragrafo si può analizzare con loro la scheda Problem solving 3 Pausa caffè, completo di Prova tu finale, e assegnare i Primi problemi di fine paragrafo.

Paragrafo 6 La propagazione del calore

La spiegazione sui meccanismi di propagazione del calore si può avvalere della Figura 8 Meccanismi di trasmissione del calore, disponibile anche in formato disegno attivo (video). La conduzione offre lo spunto per un approfondimento interdisciplinare di biologia sui meccanismi di termoregolazione negli animali: ne parla la scheda Approfondimento Animali e calore, che si può assegnare ai ragazzi, magari integrata da qualche materiale disponibile in rete sull'argomento; a titolo di esempio, il video di Discovery Channel Thermoregulation in animals (circa 4 minuti, in inglese con possibilità di impostare i sottotitoli in inglese), che porta altri casi di stratagemmi adottati dagli animali per mantenere la temperatura corporea nel range ideale.
Il Problem solving 4 Quanto isola il vetro? offre una guida passo passo al calcolo della dispersione di calore attraverso il vetro delle finestre: come sempre, si suggerisce di esaminarlo nel corso di una lezione sincrona e, al termine, di proporre il Prova tu ai ragazzi.
Per illustrare la convezione, invece, si può sfruttare il video PLUS Candle chimneys, in cui il tutor guida l'osservazione di una fiamma in presenza o in assenza di correnti convettive nell'aria sovrastante.
La convezione è il meccanismo di trasmissione del calore che spiega le brezze di mare e di terra, anche la circolazione del calore attraverso i venti e le correnti marine; le brezze sono illustrate nella Figura 10 Brezze di mare e brezze di terra, disponibile anche in formato disegno attivo (video); venti e correnti sono invece argomento dell'Approfondimento Processi convettivi sul Sole e sulla Terra. Quest'ultimo può essere il punto di partenza per un'attività di didattica capovolta: se ne può affidare lo studio a due gruppi di ragazzi - uno per il Sole, uno per la Terra - che possono così preparare una breve videolezione, integrando magari le informazioni con altri materiali da reperire in rete (con attenzione all'attendibilità delle fonti).
Chiude il capitolo una scheda La fisica risponde sull'Effetto serra, che ne spiega il meccanismo in termini scientifici e offre lo spunto per ulteriori approfondimenti nel Prova tu finale.

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.

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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