Fare per capire: divertirsi con la scienza in India Teach article

Tradotto da Francesca Nuzzo. Gli alunni in India hanno costruito il loro microscopio digitale, deviato la luce e studiato le leggi dei gas. Scoprite come.

In India, come in molti altri paesi, il principale obiettivo delle lezioni di scienze sono gli esami piuttosto che meditare sugli affascinanti concetti e sulla comprensione del mondo che la scienza offre. Ciò può determinare una calo d’interesse degli studenti verso lo studio delle scienze – un problema ancor più accentuato laddove mancano attrezzature, competenze e maestri.  Per affrontare tali problemi, abbiamo intrapreso il programma di sensibilizzazione “Scienza è divertimento”. Una squadra di 15 persone, guidata da studenti universitari e ricercatori, ha tenuto, tra Dicembre 2014 e Gennaio 2015,  quattro lezioni con bambini disagiati delle scuole indiane primarie e secondarie.

Indian workshops
Immagine per gentile
concessione di Anand Singh e
Tim Saunders

Le lezioni hanno dimostrato dei concetti base della scienza, con esperimenti pratici ed utilizzando materiali facilmente reperibili. In generale è stato un successo, gli studenti erano coinvolti e motivati a saperne di più dopo le lezioni. Inoltre, siamo stati piacevolmente sorpresi nel vedere gli studenti interessati ai nuovi argomenti e pronti a partecipare ai dibattiti. Abbiamo cercato di rendere gli insegnanti fondamentali per le attività, e disegnato anche degli esperimenti facilmente ripetibili in modo che i docenti potessero incorporarli nelle loro lezioni, una volta terminati i seminari.

In questo articolo, descriviamo tre delle nostre attività riuscite: la costruzione di un periscopio e di un microscopio digitale, e due esperimenti basati sulle legge fisiche dei gas. Tutte economiche e facili da eseguire, ma che delucidano interessanti principi scientifici. Ogni attività richiede circa un’ora.

I periscopi e la riflessione della luce

I periscopi ci consentono di controllare e guardare gli ostacoli, rimanendo nascosti, e sono tuttora usati nei sottomarini. La forma più semplice prevede la presenza, alle estremità di un tubo, di due specchi paralleli tra loro e posti ad un angolo di 45° rispetto alla lunghezza del tubo.

Questo rudimentale periscopio è facile da costruire in circa un’ ora e richiede solo cartone, specchi, forbici e nastro adesivo. Può essere un’attività divertente ed un’ introduzione alla riflessione della luce per i ragazzi più piccoli (e.g. 8–13), in grado di maneggiare, con prudenza, forbici e specchi. Gli studenti più grandi (e.g. 14-16) potrebbero usarlo per studiare la riflessione di specchi piani. La figura 1 mostra come viene costruito il periscopio e le istruzioni complete dell’assemblaggio possono essere scaricate dalla sezione materiali aggiuntivi.

Building a periscope
Figura 1: Un periscopio può essere semplicemente costruito a partire da un pezzo di cartone e due specchi. a) Creare due fori nel cartone. X: lunghezza periscopio; Y: lunghezza effettiva del periscopio. b) Piegare il cartone e chiuderlo con il nastro adesivo. c)Tagliare le fessure per gli specchi. d)Inserire gli specchi ed il vostro periscopio è pronto all’uso
Immagine gentilmente concessa da Anand Singh e Tim Saunders

Sebbene il disegno base del periscopio è semplice e diretto, esso dimostra il principio della riflessione: l’angolo di incidenza di un raggio di luce è uguale al suo angolo di riflessione (figura 2). Poiché gli angoli di incidenza e riflessione sono gli stessi, la luce che si propaga orizzontalmente a colpire uno specchio inclinato di 45°, viaggerà quindi verticalmente. Aggiungendo un altro specchio inclinato a 45°, la direzione della luce è reindirizzata a viaggiare nuovamente in orizzontale ma stavolta è  deviata, dalla direzione originale del fascio e dall’altezza del periscopio.

The reflection of light
Figura 2: La riflessione della
luce. A: occhio dell’
osservatore; B: oggetto; C:
specchio; Øi: angolo di
incidenza; Ør: angolo di
riflessione

Immagine per gentile
concessione di Anand Singh
and Tim Saunders

Costruendo il loro periscopio, gli studenti possono verificare in prima persona che la luce viaggia in linea retta e che la direzione di propagazione può essere alterata da superfici riflettenti: in ottica, un uso comune dei periscopi è di modificare l’altezza del raggio di luce. Questa attività può essere resa più impegnativa per gli studenti più grandi usando un angolo di osservazione diversow1.

Possibili domande per i vostri studenti potrebbero essere:

  • I periscopi sono stati ampiamente usati in guerra. A quali esempi potete pensare e quali sono  vantaggi e svantaggi dell’uso dei periscopi nelle forze armate?
    I periscopi sono/erano usati nei sottomarini, carri armati e nelle trincee di guerra. Sebbene permettano all’osservatore di guardare da una posizione sicura, sono solo bidimensionali e perciò non in grado di effettuare un’osservazione dettagliata senza ulteriori componenti.
  • Quale ruolo ha la Scienza nei conflitti di guerra? Gli scienziati dovrebbero lavorare per lo sviluppo di nuove attrezzature belliche?
    Leggete Essex & Howes (2014) per un dibattito sul retaggio della guerra chimica.
  • Per usare un periscopio sottomarino, l’osservatore muove l’intero periscopio, spostandosi attorno al tubo principale. Ciò richiede spazio – che è limitato all’interno dei sottomarini. Perché, allora, i periscopi non posso semplicemente ruotare solo in cima?
  • Come adattereste un periscopio affinché possa guardare su e giù?

Costruzione ed utilizzo di un microscopio digitale

I microscopi consentono di esplorare dettagli altrimenti troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo, tuttavia sono in genere costosi. Qui, mostriamo come costruire un microscopio con webcam economico, affinché gli studenti possano imparare i fondamenti dell’ ottica e della formazione dell’immagine, e contemporaneamente osservare il mondo microscopico che ci circonda.

The homemade microscope
Figura 3: Supportato da una
morsa, il microscopio
artigianale consiste di un
tubo di plastica con una lente
(A) fissata ad un’estremità ed
una webcam(B) all’altra,
connessa ad un computer. Il
campione (C) è fissato al di
sotto della lente ed una
sorgente luminosa è puntata
su di esso. L’immagine può
essere ingrandita estendendo
o accorciando il tubo(E)

Immagine cortesemente
concessa da Anand Singh and
Tim Saunders

Il microscopio consiste di un tubo di plastica con una lente posta ad un’estremità ed una webcam sull’altro lato, connessa ad un computer. Il microscopio è supportato da una morsa, il campione da osservare è fissato sotto la lente ed una lampada è diretta verso il campione. L’immagine è messa a fuoco dalla lente sul sensore di immagine della webcam ed è poi inviata al computer per l’analisi. Aggiustando la lunghezza del tubo o le posizioni relative del microscopio e del campione, l’immagine può essere ingrandita e messa a fuoco. La figura 3 dà una panoramica del montaggio, e le istruzioni dettagliate per costruire e regolare il microscopio possono essere scaricate dalla sessione materiali aggiuntivi.

La principale differenza tra un microscopio digitale ed un normale (analogico) microscopio didattico è che gli studenti possono scattare delle foto digitali che possono essere archiviate ed analizzate in lezioni successive. Possono anche facilmente effettuare delle misure quantitative usando dei software appropriati. Inoltre, se le risorse sono limitate, l’esito di un solo microscopio digitale può essere proiettato su di uno schermo ed essere visualizzato dall’intera classe. Infine, il microscopio digitale può essere usato per creare dei video, permettendo una visione unica della vita di piante ed animali.

La costruzione del microscopio richiede circa un’ora e può essere fatta da studenti da14 anni in su, magari in un piccolo gruppo. Se si ha a disposizione un’altra ora per usare il microscopio, l’attività è adatta a studenti di tutte le età.

Usare il vostro microscopio

Per iniziare, potreste chiedere ai vostri studenti di esaminare al microscopio i seguenti campioni:

  • Granelli di zucchero, sale e sabbia
  • Pelle, capelli, tessuto o un ritaglio di giornale
  • Muffa sul pane, frutta o verdura
  • Acqua di stagno per vedere organismi microscopici

Usando un software per immagini (e.g. il software gratuito ImageJw2), potrebbero effettuare delle misurazioni quantitative per condurre delle investigazioni forensi, come:

Pixels
I pixel dello schermo del
computer, così come
osservati con il microscopio
digitale

L’immagine è una gentile
concessione di Anand Singh e
Tim Saunders
  • Distinguere i capelli di persone diverse in base al loro spessore
  • Distinguere peli di animali appartenenti a specie diverse, a seconda del loro colore, spessore ed altre caratteristiche
  • Distinguere dei campioni di sabbia o terreno di diversa provenienza
  • Distinguere granelli di zucchero da grani di sale

Il microscopio digitale potrebbe essere anche usato per quantificare la variabilità in campioni microscopici. Per esempio, i vostri studenti potrebbero scattare 50 immagini di capelli e misurarne l’ampiezza per calcolarne media e deviazione standard. Ci sono differenze nel colore? Tra specie animali? Queste analisi sono molto più difficili da effettuare con un microscopio analogico.

Creando dei video con il loro microscopio digitale, i vostri studenti potrebbero seguire le tracce di animali e confrontare le modalità di movimento di specie diverse. In un periodo di tempo più lungo, loro potrebbero persino monitorare lo sviluppo di una pianta. Ad esempio, potrebbero lasciare la radice di una pianta sotto il microscopio per una settimana ed impostare il computer in modo da registrare un’immagine ogni ora. Usando il video, potrebbero tracciare una curva di crescita.

Le leggi dei gas

Charles' law
Figura 4: Dimostrazione della
legge di Charles. Quando
posizionata nell’acqua calda,
l’aria nella bottiglia si
espande, riempiendo il
palloncino

Immagine per gentile
concessione di Anand Singh e
Tim Saunders

Dimostrazione della legge di Charles

A tutti noi piace giocare con i palloncini e guardare le mongolfiere, tuttavia tali attività vengono raramente associate alle leggi dei gas apprese in classe. Perciò abbiamo messo a punto un esperimento per dimostrare la relazione tra temperatura e volume di un gas. Questa relazione è descritta dalla legge di Charles, la quale afferma che a pressione costante, il volume di una certa quantità di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura.

L’esperimento richiede circa un’ora ed è adatto a studenti quattordicenni. Per studenti più grandi, l’attività può essere usata per stimare sperimentalmente lo zero assoluto.

Occorrente

  • Palloncini
  • Acqua calda (80°C circa) e a temperatura ambiente
  • Due bottiglie di plastica, vuote ed asciutte
  • Due tubi d’acqua sufficientemente larghi da contenere le bottiglie vuote

Procedimento

  1. Riempire un tubo con acqua calda e l’altro con acqua a temperatura ambiente.
  2. Posizionare un palloncino sull’apertura di ogni bottiglia di plastica.
  3. Immergere una bottiglia nell’acqua calda e l’altra nell’acqua a temperatura ambiente (figura 4).

 Avviso di sicurezza

attenzione quando si usa l’acqua calda. Consultare anche le norme generali per la sicurezza della Science in School.

Questo sistema rudimentale mantiene una quantità fissa di gas (contenuta nella bottiglia) ad una pressione (atmosferica) costante. Una volta che la bottiglia è immersa nell’acqua calda, la temperatura del gas, al suo interno, aumenta e il gas si espande – come descritto dalla legge di Charles – e inizia a gonfiare il palloncino,  come gli studenti stessi noteranno (figura 4). Allo stesso tempo, il volume del palloncino a temperatura ambiente dovrebbe rimanere lo stesso.

Il processo è reversibile. Rimuovere la bottiglia dall’acqua calda e posizionarla nell’acqua a temperatura ambiente: il pallone si sgonfierà lentamente, di nuovo.

Un’altra semplice dimostrazione della legge di Charles consiste nel gonfiare un palloncino, lasciarlo nel congelatore per circa un’ora ed osservarne il cambio di volume. Abbiamo sfruttato i palloncini per dimostrare anche la legge di Boyle (consultate la sezione materiali aggiuntivi) – la quale afferma che a temperatura costante, la pressione di una quantità fissa di gas cambia in maniera inversamente proporzionale al suo volume.

Stimare lo zero assoluto

Per studenti più grandi (età 16-19), la temperatura assoluta può essere stimata grossolanamente, misurando il volume di gas di una siringa, in assenza d’attrito e a temperature diverse.

Occorente

Plotting absolute zero
Figura 5: Da un grafico che
mette in relazione la
temperatura (°C) con il
volume di un gas, lo zero
assoluto può essere stimato
estrapolandolo dal volume
zero

Immagine gentilmente
concessa da Anand Singh e Tim
Saunders
  • Siringa di plastica
  • Olio o grasso lubrificante
  • Plastilina, colla o il cappuccio della siringa per chiudere la punta della siringa
  • Bagnetto a 0, 10, 22 (temperatura ambiente), 50 e 80°C

Procedimento

  1. Applicare l’olio o il grasso ad una siringa di plastica per chiuderla senza attrito.
  2. Lasciare un volume noto di aria nella siringa e sigillarne scrupolosamente la punta.
  3. Misurare il volume dell’aria a diverse temperature, e.g. usando bagnetti a 0, 10, 22 (temperatura ambiente), 50 e 80°C.
  4. In un grafico, mettere in relazione la temperatura (°C, asse delle ascisse) con il volume di gas (ml, asse delle ordinate).

Dovreste trovare una relazione lineare tra temperatura e volume. Estrapolando il volume zero, la temperatura corrispondente sull’asse delle ascisse dovrebbe essere di circa 270°C (il valore effettivo dello zero assoluto è -273.15°C)w3.

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Author(s)

Anand Singh è un post-doc presso il Mechanobiology Institute, della National University of Singapore, in Singapore (MBI). Adora costruire nuovi microscopi, e li usa per studiare processi biologici che vanno dal sub-cellulare all’intero embrione. Gli piace lavorare nel sociale ed è stato coinvolto nello sviluppo di semplici strumenti per seminari scientifici e programmi di sensibilizzazione pubblica.

Anuradha Gupta è un post-doc presso l’Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, a Pune, in India. È un’astrofisica e promuove l’educazione di base per bambini disagiati, soprattutto ragazze in India.

Ranijt Gulvady è uno studente al quarto anno presso l’MBI. È un biofisico che usa la microscopia per capire le proprietà fisiche di molecole biologiche come il DNA. Durante le scuole superiori, ha organizzato molte dimostrazioni scientifiche per studenti, e successivamente, al college, ha aiutato i ragazzi, soprattutto quelli provenienti da situazioni disagiate, a capire la scienza di base e la matematica.

Amit Mhamane ha conseguito la laurea triennale e specialistica in Biotecnologie presso la University of Mumbai, in India, ed attualmente sta conseguendo il dottorato di ricerca in chimica presso il Max Planck Institute of Molecular Physiology, a Dortmund, in Germania.

Timothy Saunders è un capogruppo presso l’MBI. Il suo gruppo studia come l’embrione si sviluppa in un organismo complesso a partire da una singola cellula fecondata. Ha insegnato biologia a studenti adulti che hanno precedentemente fallito i loro esami di scienze (una lezione è stata pubblicata su Science in School, vedi Saunders, 2011) ed è attualmente coinvolto nella commissione di educazione e sensibilizzazione scientifica presso l’MBI.




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