Secondaria di secondo grado UniversitĂ  Alessandro Zappia Arturo Colantonio Emanuella Puddu Gianni Busarello Italo Testa Maria Ida Moretti Paola Merluzzi Silvia Galano Silvio Leccia Laboratorio didattico Terra Fisica: Calore e temperatura Fisica: Energia Scienze: Matematica

Esperimenti quantitativi per spiegare il fenomeno delle stagioni

Una serie di 4 attivitĂ  didattiche che hanno l'obiettivo di far comprendere agli studenti l'origine delle stagioni e della loro alternanza.

Descrizione breve

In letteratura si trovano innumerevoli studi di Didattica delle Scienze sulle difficoltĂ  degli studenti nella comprendere le cause delle stagioni. Le idee sbagliate su questo fenomeno sono spesso dovute alla non conoscenza dei meccanismi fisici che ne sono alla base (Testa et al., 2015 Physics Education).
Per affrontare questo problema, proponiamo un approccio quantitativo e sperimentale: usando un pannello fotovoltaico gli studenti effettuano misure del flusso di radiazione per studiare il ruolo della diversa incidenza dei raggi solari sulla superficie terrestre durante l’anno. Le attivitĂ  forniscono anche spunti di approfondimento sul trasferimento di energia tra la radiazione assorbita dalla Terra e l’ambiente per introdurre le caratteristiche di base del clima terrestre.

Obiettivi

  • Affrontare l’idea errata per cui il fenomeno delle stagioni è causato dalla variazione della distanza Terra-Sole e non dall’inclinazione dell’asse terrestre rispetto al piano dell’orbita
  • Introdurre le leggi di variazione del flusso di radiazione incidente su una superficie: il flusso in funzione del coseno dell’angolo di incidenza e in funzione dell’inverso del quadrato della distanza
  • Rafforzare le abilitĂ  degli studenti nel controllo delle variabili in un esperimento e nell’affrontare procedure sperimentali di elaborazione dei dati
  • Usare modelli matematici per interpretare le prove sperimentali
  • Mettere in relazione la temperatura di una posizione sulla Terra con i trasferimenti di calore tra la radiazione solare e l’ambiente

Obiettivi educativi

  • La variazione stagionale del flusso solare incidente a causa della diversa inclinazione dei raggi solari è molto piĂą grande della variazione dovuta alla diversa distanza Terra-Sole.
  • La direzione fissa nello spazio dell’asse di rotazione terrestre lungo la sua orbita è responsabile del flusso di radiazione variabile sulla superficie della Terra durante l’anno.

Valutazione

Un questionario scritto pre / post-test con quattro voci sui concetti rilevanti nel modulo è stato presentato agli studenti prima e dopo le attività (si veda il materiale allegato)

Materiali

  • Pannello fotovoltaico
  • Base di sostegno per il pannello col goniometro
  • Voltmetro
  • Fili elettrici, batterie, pinzette
  • Lampade a incandescenza
  • Cartoncino nero (per fare ombra o collimare la luce)
  • Metro laser
  • Foglio di calcolo
  • Calorimetro
  • Sabbia ed acqua

Informazioni preliminari

I cambiamenti stagionali sono dovuti all’inclinazione di 23° 27′ dell’asse terrestre rispetto al piano dell’orbita, combinato con il movimento di rivoluzione della Terra attorno al Sole. Se l’asse terrestre fosse perpendicolare all’orbita o se la Terra non ruotasse attorno al Sole, avremmo una stagione unica. Questo fenomeno è in relazione con l’angolo di incidenza dei raggi solari sulla superficie terrestre in un dato luogo (a seconda della latitudine).
La Terra, che si allontana e si avvicina al Sole nel corso del suo movimento orbitale, influenza in piccola misura i cambiamenti stagionali. L’orbita terrestre ha un’eccentricitĂ  molto bassa (0,0167) e la differenza della distanza Terra-Sole tra afelio e perielio è di 5 ml di Km, solo circa il 3% rispetto alla distanza media (1 AU = 149,60 ml di Km).

Descrizione completa

Preparazione

Per svolgere le quattro attività descritte di seguito, è necessario disporre di un laboratorio in cui è possibile fare il buio completo.
Gli studenti vengono divisi in piccoli gruppi.
Il percorso è proposto mediante un questionario, esempi in tabelle e grafici in fogli di calcolo.

AttivitĂ  1 – Cosa causa l’alternanza delle stagioni?

Si chiede agli studenti di definire cos’è una stagione e di identificare i principali fattori alla base dei cambiamenti stagionali.
Successivamente, si chiede di progettare un semplice esperimento che evidenzi la rilevanza dei fattori identificati. In questo modo, gli studenti sono indotti a mettere in relazione i fattori identificati con le grandezze fisiche misurabili.
In una discussione di classe, gli studenti vengono invitati a concentrarsi sui due fattori piĂą rilevanti: l’inclinazione dell’asse terrestre e la distanza tra la Terra e il Sole.
Si chiede quali sarebbero gli effetti dell’assenza di ciascuno di questi due fattori: i cambiamenti stagionali potrebbero ancora verificarsi? In quale modo?
A questo punto, si introduce il flusso di radiazione solare come una quantitĂ  misurabile mediante un sensore di luce. Il flusso cambia in base a come la radiazione incide sulla superficie del rivelatore ed alla distanza della sorgente luminosa da questa superficie.

AttivitĂ  2 – AttivitĂ  sperimentale riguardante il flusso di radiazioni

Quanta energia solare cade su un’area di prova della superficie terrestre, diciamo 1 grado quadrato, a seconda dell’inclinazione dei raggi solari all’orizzonte?
Cosa cambia in diversi periodi dell’anno, quando la Terra è piĂą o meno vicina al Sole?
In laboratorio, gli studenti studiano quantitativamente la dipendenza del flusso di radiazione sull’angolo di incidenza su una superficie di prova e la dipendenza dalla distanza dalla sorgente. Il nostro “Sole” è una lampadina e la superficie di prova è un pannello fotovoltaico montato su un supporto dotato di un goniometro (vedi figure 1a e 1b).

setup_sperimentale_stagioni
Figura 1a
set_up_stagioni1b
Figura 1b

Gli studenti (in piccoli gruppi) misurano la tensione di uscita del pannello al variare della sua inclinazione e della sua distanza dalla sorgente; poi, calcolano la corrispondente potenza dissipata sul carico del pannello, usando un foglio di calcolo (si veda il file incluso come esempio).
Ogni gruppo deriva sperimentalmente, eseguendo un fit lineare col foglio di calcolo, la relazione tra il flusso di radiazione e il coseno dell’angolo incidente, e tra il flusso di radiazione e l’inverso del quadrato della distanza (equazioni 1 e 2).

Eq. 1: \(\frac{P (\vartheta)}{P_0} = \cos (\vartheta)\), dove \(P_0\) è la potenza ricevuta dal pannello quando l’angolo \(\vartheta\) tra la normale al pannello e la direzione della radiazione incidente è 0.

Eq. 2: \(P(D) = \frac{A}{D^2}\), la legge dell’inverso del quadrato della distanza, dove \(A\) è una costante dimensionale che tiene conto della geometria dell’area sensibile del pannello e della potenza emessa dalla sorgente (le tipiche curve sperimentali sono mostrate in figure 2 e 3).

figura 2
figura 3

AttivitĂ  3 – Modellizzazione

Partendo dall’equazione 1, si chiede di valutare il flusso di radiazione incidente per cinque posizioni convenzionali sulla superficie terrestre, cioè i tropici, l’equatore e i cerchi polari, in determinati periodi dell’anno (solstizi d’estate / d’inverno ed equinozi d’autunno / di primavera).
Partendo dall’equazione 2, si chiede di calcolare il flusso di radiazione incidente in una posizione fissa sulla Terra, quando la Terra è all’afelio e quando si trova al perielio.
A questo punto, gli studenti hanno tutti gli strumenti per fare il confronto in termini di percentuale fra la variazione stagionale del flusso solare dovuto alla diversa inclinazione dei raggi solari e la variazione dovuta alla diversa distanza Terra-Sole.
In un’ultima discussione di classe, viene evidenziato che l’asse di rotazione terrestre mantiene una direzione fissa nello spazio mentre percorre la sua orbita durante l’anno.

Attività 4 – Attività termica specifica

Viene fornita agli studenti una mappa della temperatura della Terra (facile da trovare sul web).
Si chiede perchĂ©, guardando la mappa, i luoghi alle stesse latitudini non hanno le stesse temperature medie in un particolare periodo dell’anno, contrariamente alle conclusioni tratte nelle attivitĂ  precedenti.
Per affrontare questa apparente contraddizione, viene proposto un modello di base dell’interazione termica tra acqua e sostanze con calore specifico diverso, come rocce o sabbia.
Quale tra sabbia o mare impiega piĂą tempo a diventare caldo in estate sulla spiaggia?
L’esperimento classico con il calorimetro per misurare il calore specifico della sabbia può essere utilmente eseguito in questa fase.

Riferimenti al curriculum scolastico

Si suggerisce di usare questo modulo per connettere il curriculo di Scienze della Terra con quello di Fisica.

Conclusioni

Viene proposto un modulo innovativo in cui gli studenti vengono gradualmente introdotti ai concetti di fisica di base, che spiegano il cambiamento delle stagioni attraverso esperimenti semplici ma quantitativi. Il modulo include attivitĂ  di modellizzazione che consentono agli studenti di costruire un meccanismo di interpretazione per la loro esperienza quotidiana con le stagioni. Le grandezze fisiche che influenzano il cambiamento delle stagioni – ovvero il flusso di radiazione (energia per unitĂ  di superficie) e i trasferimenti di energia tra radiazione e ambiente – sono misurate quantitativamente dagli studenti in situazioni semplificate e poi utilizzate per costruire i modelli che spiegano le evidenze comuni legate alle stagioni.
I risultati dei questionari pre- e post-test supportano l’efficacia delle attivitĂ  proposte. In particolare, le idee errate sul ruolo della distanza Terra-Sole e sul fatto che l’asse terrestre possa cambiare direzione nello spazio sono affrontate con successo.

Bibliografia

  • Italo Testa et al. 2015 Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 11 2
  • Italo Testa et al. 2014 Phys. Educ. 49 332
  • Italo Testa et al. 2015 Phys. Educ. 50 179 (DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9120/50/2/179)