Attività laboratoriali e Osservazioni Scientifiche

Osservazione al microscopio di cellule di lieviti

(1 lezione)

Tutte le osservazioni al microscopio vengono effettuate con telecamera e videoproiettore, onde consentire l’osservazione e il commento collettivi.

Viene osservato al microscopio il Lievito di Birra (Saccaromices Cerevisiae) in sospensione acquosa con aggiunta di zucchero.

Si osservano le cellule dotate di leggero movimento mentre trasformano lo zucchero in alcol etilico e anidride carbonica (fermentazione).

Si distinguono nella cellula il nucleo e i vacuoli.

Osservazione delle cellule su una buccia di banana (colorate con un pennarello rosso).

Osservazione al microscopio di protozoi unicellulari.

(1 lezione)

Viene messa a macerare in acqua, senza coprire, una manciata di erba secca, in un barattolo a temperatura ambiente. Dopo alcuni giorni si sviluppano i Parameci (e altri protozoi).

Mentre nuotano vivacemente in cerca di cibo, si osservano il nucleo, numerosi vacuoli, qualche volta le ciglia vibratili. Osservazioni ad opportuni ingrandimenti consentono di osservare numerose specie di batteri.

Osservazione al microscopio da una bacinella piena d’acqua lasciata all’aperto.

(Attività prolungata)

Dal periodo di diffusione del Covid, una bacinella colma d’acqua, con l’unica accortezza di tenerle sempre piena, ha raccolto l’apporto di venti e piogge. Si sono sviluppati spontaneamente microrganismi quali lo Haematococcus Pluvialis Rotiferi, Protozoi, colonie di batteri e tanto altro.

Osservazione al microscopio di insetti.

(1 o 2 lezioni)

Mosca (Occhio, ala, zampa, proboscide)

Formica (Mandibole, occhio)

Afidi (Rostro, secrezioni zuccherine, occhio)

Si osservano le strutture fisiologiche fondamentali, caratteristiche di ciascun insetto, perfettamente funzionali al ruolo svolto: gli insetti visti come macchine della natura

Osservazioni varie al microscopio

(1 lezione)

Cristalli di Sali (NaCl, CuSO₄, NH₄Cl, KMnO₄,…..)

Circuiti integrati (microchip).

Tessuti e fibre tessili naturali e artificiali: cotone, lino, seta, nylon

Penne di uccelli

Fenomeni elettrostatici

(1 lezione)

Elettricità statica: elettrizzazione per strofinio di palloncini di gomma, attrazione e repulsione elettrica. Modello moderno dell’ Elettroforo di Volta con tubi di plexiglasricoperti di stagnola . Pendolino elettrico. Il segno della carica elettrica con diodi LED. Misurazione della carica con oscilloscopio.

Il campo magnetico

(1 lezione)

Attrazione e repulsione fra magneti. Il campo magnetico terrestre. Sottili seghetti magnetizzati su una superficie di acqua. Elettrocalamita.

Misurazione del campo magnetico della Terra

(1 lezione)

In una grossa bobina, appositamente costruita, viene inserito un aghetto magnetico, che si orienta spontaneamente verso Nord. Inviando corrente continua nella bobina, si fa deviare di 45° l’aghetto. Il campo prodotto con la corrente (ricavabile dalla formula) equivale al campo della Terra.

Elementi di Elettronica

(3 lezioni)

Semplice circuito elettrico in corrente continua. Interruttori magnetici. Uso elementare del tester. Il relè. Il Trasformatore. Diodo raddrizzatore. Diodi LED. Condensatore. Sensore di temperatura. Termoresistenza NTC. Fotoresistenza. Semplice circuito a transistor per realizzare un interruttore crepuscolare. Semplice circuito a transistor per realizzare un termostato. Semplice oscillatore. Elettromagnete. Altoparlante. Realizzazione del Telefono di Meucci con due altoparlanti. I numeri binari: trasformazione di un numero binario in decimale su display a 7 segmenti. Il codice ASCII: espressione binaria del codice dei caratteri alfabetici e relativa visualizzazione su display 7 x 5.

Esperimenti di programmazione del microcomputer ARDUINO con molte decine di applicazioni, in particolare con sensori di grandezze fisiche.

Semplici impianti elettrici

(1 lezione)

Realizzazione su pannello di semplici impianti elettrici:

Lampada con spina e presa;
Lampada comandata da pulsante
Lampada con interruttore
Lampada con interruttore crepuscolare
Lampada comandata da 2 punti.

Esperimenti sui suoni

(minimo 1 lezione)

Viene allestito un apparato sperimentale formato da un generatore di oscillazioni elettriche a frequenza variabile, oscilloscopio, amplificatore, altoparlante. Vengono generate oscillazioni e si valuta la percezione visiva, tattile e uditiva per stabilire quali frequenze vengono percepite come suoni. Vengono ascoltati suoni a varie frequenze e visualizzata la forma d’onda dell’oscillazione. Si misura la frequenza sull’oscilloscopio e si valuta la minima e la massima che definiscono la banda di udibilità degli ascoltatori.

Un microfono, collegato all’oscilloscopio, consente di visualizzare la forma d’onda di suoni esterni, in particolare la pronuncia delle vocali.

Si confrontano le frequenze corrispondenti alle note musicali con i suoni delle note emesse da uno strumento musicale disponibile (pianola, tablet, smartphone).

Tubi di lunghezza calcolata consentono di verificare il fenomeno della risonanza, tipico delle canne d’organo. Tubi di lunghezza calcolata consentono di emettere suoni delle note battendo sul palmo della mano e di eseguire semplici melodie.

Simulazione di uno strumento musicale ad arco su un tubo. Piccolo organo a canne artigianale e sue caratteristiche fisiche ed acustiche.

Esperimenti sugli ultrasuoni

Viene allestito un apparato elettronico per la generazione di ultrasuoni con frequenza 38 kHz e la loro rivelazione mediante un ricevitore collegato ad un oscilloscopio. Un tubo funge da guida d’onda e consente di misurare la lunghezza d’onda e la velocità di propagazione. Viene sperimentata la riflessione con specchio piano e specchio concavo. Con un ulteriore generatore sincronizzato, si sperimenta l’interferenza. Infine, grazie all’ Effetto Doppler, si trasforma in suono il movimento di oggetti.

Lampada stroboscopica

Una lampada stroboscopica viene pilotata dal computer dando impulsi di luce alla frequenza voluta. Viene illuminata una ventola girevole, che, alla frequenza opportuna, appare ferma. Viene illuminato un elastico in vibrazione e appare fermo. Viene illuminata una pallina che cade e fotografata per evidenziare il moto accelerato. Vengono fotografate palline che rotolano su un binario orizzontale per evidenziare il moto uniforme e palline che rotolano su un binario in discesa per evidenziare il moto uniformemente accelerato. Un pendolo che oscilla evidenzia il suo moto con accelerazione variabile.

Esperimenti sulla densità dei liquidi

(1 lezione)

Si misura la densità relativa dell’alcool etilico e dell’olio, mediante tubi ad U. Si realizza una miscela di acqua e alcool che abbia la stessa densità dell’olio. Si versa l’olio nella miscela per vedere formare un’ampia bolla sferica di olio sospesa nella soluzione.

La legge di Archimede: verifica sperimentale con realizzazione di un diagramma relativo al fenomeno. Misurazione del volume di oggetti irregolari. Misurazione del volume di una mano. Tabella delle densità: Acqua, olio, alcool, sughero, pietra, candela, legno, alluminio, ceramica. Taratura di una bilancia mediante pesi campione (monete in circolazione),

Livelli e dislivelli

(1 lezione)

Con una livella a bolla si verifica il livellamento orizzontale e verticale di pavimenti, colonne, porte ecc facenti parte dell’ambiente circostante.

Si mostra come svuotare un recipiente pieno d’acqua tramite un tubo che funge da sifone.

Si riempie d’acqua un tubo di plastica trasparente per tracciare linee di livello su due pareti distanti circa 10 metri e quindi verificare il livellamento di ampie superfici pavimentate.

Si mette in funzione la “Fontanella zampillante in un barattolo”

La dilatazione termica

(1 lezione)

La dilatazione termica riguarda i corpi solidi, liquidi e aeriformi. Per i corpi solidi viene utilizzata una barretta di alluminio lunga alcuni decimetri. Una estremità viene bloccata e l’altra viene posta nel campo di un microscopio. Se viene riscaldata con un asciugacapelli, si evidenzia nel campo del microscopio l’allungamento provocato dalla dilatazione. Per i liquidi e per l’aria, si utilizza un palloncino di vetro sul quale viene innestata e ben tappata una cannuccia di vetro. Per dimostrare la dilatazione dell’aria, nella cannuccia viene inserita una piccola colonna d’acqua. Il palloncino, riscaldato con la mano, fa dilatare il volume dell’aria contenuta e la colonnina d’acqua nella cannuccia si sposta. Immergendo il palloncino nell’acqua fredda, la colonnina si ritrae. Per i liquidi, si riempie il palloncino di alcool.

Astronomia diurna

(1 lezione)

Presentazione dei movimenti della Terra rispetto al Sole con mappamondo per descrivere il fenomeno delle stagioni. Costruzione ed uso di una meridiana. Uso della meridiana per misurare la posizione del sole.

Osservazione del Sole con telescopio dotato di filtro mylar; fotografia del Sole per l’osservazione delle macchie solari.

Simulazione al computer del lancio di un satellite in orbita intorno alla Terra: verifica delle leggi di Keplero.

Localizzatore GPS per rilevare la propria posizione geografica. Verifica con il software Google Earth.

Astronomia osservativa notturna

(1 lezione + 2 serate di osservazione)

Presentazione del programma Stellarium e del programma REDSHIFT per l’apprendimento dell’astronomia.

Vengono organizzate due serate di osservazione astronomica: una per la Luna e l’altra per l’osservazione del cielo profondo (stelle, stelle doppie, pianeti, nebulose, ammassi stellari aperti e chiusi, galassie, nebulose planetarie ecc.).

Luce visibile, infrarossi, ultravioletti

(1 o 2 lezioni)

Richiami sulla costituzione dell’atomo, concetto di lunghezza d’onda. Luce visibile: i colori. Composizione dei colori. La rifrazione: realizzazione di un prisma; lo spettro della luce bianca emessa da una lampadina; semplice spettroscopio con telecamera. Con un torcia ad infrarossi e telecamera ad infrarossi si osservano oggetti colorati, in particolare le banconote e alcuni liquidi (la CocaCola e il vino appaiono decolorati). Si osserva un corpo riscaldato che emette infrarossi (punta di un saldatore). Con una lampada di Wood (a raggi ultravioletti) di osservano oggetti vari (tessuti, pelle umana, denti) e in particolare le banconote.

Reticolo di diffrazione per osservare la scomposizione della luce.

La riflessione della luce.

(1 lezione)

Specchio piano;
Simmetrie speculari con diedro speculare, visualizzazione dei poligoni regolari;
Riflessioni multiple, caleidoscopio;
La quadrisfera (caleidoscopio realizzato su suggerimento di Paco Lanciano)
Specchio parabolico (costruzione), convergenza della luce solare;
Ellisse e ondoscopio;

La rifrazione della luce

(1 lezione)

Prisma ottico e scomposizione della luce;
Osservazione della rifrazione e della deviazione con raggio laser;
Angolo limite e riflessione totale
Fibre ottiche;
Lente convergente, lente divergente e formazione delle immagini;
Banco ottico con lenti e sistemi di lenti;
Cannocchiale di Galileo, cannocchiale terrestre, binocolo.
Modello di microscopio realizzato sul banco ottico

La polarizzazione della luce

Modello per spiegare il fenomeno della polarizzazione della luce
Polarizzatori per occhiali ed applicazioni comuni

Costruzione di solidi geometrici con cartoncino

Cubo, tetraedro, piramidi, prismi ecc. Geometria della carta piegata: applicazioni geometriche ottenibili dalla piegatura di un foglio di carta.

Esperimenti di geometria

Costruzione e verifica del baricentro di un triangolo. Apprendimento e verifica del Teorema di Pitagora mediante verifica su un pavimento a piastrelle rettangolari.

Esperimenti di algebra

Vengono verificate mediante forme geometriche realizzate con legno o plexiglas alcune delle regole algebriche più importanti:

Il Teorema di Pitagora (enunciato e dimostrazione);
Il prodotto notevole: (a+b)(a-b) = a² – b²;
Il quadrato del binomio: (a+b)² = a² +2ab+b²;
Il cubo del binomio: (a+b)³ = a³ + 3a²b + 3ab² + b³;

Immagini tridimensionali

Costruzione ed uso di un visore per immagini tridimensionali. Fotografie tridimensionali di ambienti noti.

Il generatore fotovoltaico

Costruzione ed uso di un generatore fotovoltaico di piccole dimensioni.

Le leggi del volo aereo.

Costruzione di un paracadute. Il profilo dell’ala e il fenomeno della portanza: verifica con bilancia. Costruzione di modellini di aerei di carta e di aquiloni per far comprendere le leggi fondamentali del volo. Elicottero a mano. Il drone: come vola e si sposta un drone quadricottero.

Esperimenti con le barrette magnetiche

Realizzazione di geometrie piane e sferiche mediante barrette magnetiche e sferette disponibili in commercio.

Piccoli robot

Robot con sensori fotoelettrici e sensore a ultrasuoni. Munito di telecomando, obbedisce a tre modelli comportamentali, imitando un cagnolino che ha paura del buio.

Un altro robot è dotato di sensore a infrarossi, con i quali può seguire una pista ottica prefissata. Viene altresì controllato tramite smartphone con app miupanel.

Modello commerciale di robot dotato di telecamera con video su smartphone.

Macchina a controllo numerico ad 1 asse: sega circolare per laminati plastici controllata da microcomputer.

Macchina a controllo numerico a tre assi per incisione su laminati plastici.

Sistema computerizzato con Arduino per misurare la lunghezza di oggetti

Con questi dispositivi vengono condotti esperimenti sulla robotica a vari livelli.

Misura dell’accelerazione di gravità

Le leggi del moto uniforme, del moto uniformemente accelerato. Misura dell’accelerazione di gravità con cronometro digitale al millesimo di secondo.

Il cannocchiale i Galileo

Realizzazione dello strumento in versione “terrestre”, con immagini di diritte e in versione “astronomica” con immagini capovolte.

Ondoscopio ellittico

Esperimenti sulla riflessione delle onde sull’acqua in una vaschetta a forma di ellisse. Le proprietà dell’ellisse.

La coppia di Tusi

Il congegno meccanico che viene presentato è (scarsamente) conosciuto e deriva dall’applicazione di un teorema scoperto nel 1250 dall’astronomo persiano Nasir Al Din Al Tusi. Consente di studiare le problematiche della trasformazione di un moto circolare in un moto lineare e viceversa. E’ una valida alternativa al sistema biella-manovella, che, in particolare, nei motori a scoppio trasforma il moto lineare del pistone nel cilindro nel moto circolare dell’asse del motore.

Di questo congegno sono stati costruiti due esemplari meccanici, oltre alle simulazioni al computer realizzate con il software GeoGebra.

Sono stati presentati in diversi convegni presso scuole e Università e sono stati selezionati per partecipare con la delegazione italiana al convegno internazionale Science on Stage, tenutosi a Debrecen, Ungheria , dal 29 giugno al 2 luglio 2017. La partecipazione è stata presentata nella trasmissione televisiva SuperQuark del 16 agosto 2017.

Il motore di Stirling

Modellino di motore a combustione esterna, ideato da Stirling nel 1816. E’ collegato ad un piccolo alternatore, per mostrare la trasformazione di calore in energia meccanica, questa in energia elettrica e, infine, in energia luminosa. Nell’800 fu abbandonato e sostituito dal motore a scoppio, più vantaggioso, ma a combustione interna. Attualmente viene riconsiderato perché funziona con calore esterno (e perciò con combustibili rinnovabili). Trova applicazione nei sistemi di cogenerazione di calore ed energia elettrica.

La Quadrisfera (Modello Paco Lanciano)

In un grande caleidoscopio a quattro specchi aventi la forma di un tronco di piramide quadrangolare, gli oggetti vengono disposti sulla faccia quadrata piccola e l’osservatore guarda dalla faccia grande. Le immagini dell’oggetto vengono moltiplicate formando un mappamondo di svariati metri di diametro. Gli oggetti sono a loro volta realizzati con immagini su un monitor televisivo di dimensioni adeguate. Le immagini vengono moltiplicate su una sfera, da cui l nome del dispositivo. Un esemplare di dimensioni rilevanti è visibile presso la sede dell’associazione ScienzaViva di Calitri.

Luce-suono (analogico)

Con questo esperimento si dimostra la trasmissione di un suono complesso (una sinfonia) mediante modulazione di un fascio di luce. La luce di una torcia elettrica a LED viene modulata mediante segnale elettrico emesso da un piccolo riproduttore musicale. A qualche metro di distanza si pone un piccolo pannello fotovoltaico, collegato a sua volta ad un amplificatore. Il pannello fotovoltaico, ricevendo la luce modulata, la trasforma in segnale elettrico, che, a sua volta, dall’amplificatore, viene ritrasformato in suono.

Luce-suono con laser (digitale)

Un piccolo computer, realizzato con un microcontrollore Arduino, genera oscillazioni digitali a frequenze corrispondenti alle note musicali. Dette oscillazioni modulano a tutto o niente (al 100%) un piccolo fascio laser. Detto fascio appare continuo, ma in realtà vibra con l’andamento delle note musicali inserite nel microcomputer. Ad una distanza di circa 20 m si interpone un piccolo pannello fotovoltaico che raccoglie la luce modulata del laser e la ritrasforma in segnale elettrico digitale. Esso è collegato ad un amplificatore che riproduce la sequenza delle note. Il sistema trasmette piccoli brani musicali.

Modello di orchestra con 5 microcomputer

L’orchestra è organizzata con un microcomputer Arduino Nano che funge da Direttore. Esso comunica note e durate ad altri 4 microcomputer che inviano i suoni a 4 altoparlanti. La rete realizza una struttura di comunicazione con un MASTER e quattro SLAVE. Viene eseguito il brano “Ave Verum” di Mozart.

Modello di radar-sonar

E’ un circuito elettronico che simula l’attività di un pipistrello. Una sorgente di ultrasuoni a circa 40.000 Hz emette piccoli treni di impulsi. Questi, se incontrano un ostacolo, vengono riflessi e raccolti da un ricevitore. Un microcomputer, realizzato con un microcontrollore PIC, misura il tempo intercorso tra l’emissione e la ricezione e calcola la distanza tra sorgente ed oggetto. Con un commutatore si può impostare un valore minimo di distanza, al di sotto del quale viene emesso un suono. Il sistema può essere utilizzato anche come avvisatore di distanza minima per autoveicoli in fase di retromarcia.

Un secondo modello realizza un misuratore di distanza per non vedenti. Trasforma la distanza (da 2 dm a 4 m) in impulsi sonori consecutivi, indicando i metri con impulsi gravi e i decimetri con impulsi acuti.

Misuratore del senso del tempo

E’ un’applicazione del microcomputer Arduino Nano con display alfanumerico. Chiede di premere un pulsante per un numero preciso di secondi, misura il tempo di azionamento e lo valuta con un punteggio.

Matematica e Fisica con GeoGebra

Simulazioni al computer mediante questo linguaggio che permette di realizzare simulazioni dinamiche di problemi di Geometria, di Algebra e di Fisica.

Linguaggio booleano e circuiti elettronici

L’Algebra di Boole si propone di trasformare il pensiero logico in equazioni matematiche. Queste possono essere risolte da circuiti elettrici o elettronici. Viene presentato un circuito logico booleano, realizzato con microcontrollore, applicato ad un modello di stazione ferroviaria per smistare il traffico ferroviario e impedire lo scontro fra treni.

Il Pantografo

Questo strumento è formato da quattro asticelle, una punta che fa da guida e una punta scrivente (ad es. matita). Serve ad ingrandire o rimpicciolire a mano semplici disegni. Si presta bene per descrivere le applicazioni geometriche delle proporzioni. Viene affiancato ad una simulazione al computer tramite GeoGebra. In un contesto scolastico avanzato si può sviluppare con esso la teoria dei vettori nel piano.

Il foro stenopeico

Questo esperimento, antico e di straordinaria semplicità, serve a dimostrare la propagazione rettilinea della luce. Viene praticato un foro di circa 8 mm ad altezza d’uomo, sulla tapparella di una finestra che guarda all’esterno, tipicamente quella di un’aula scolastica. Realizzando un ambiente completamente buio, la luce entra solo attraverso il foro praticato. Ad una distanza di qualche metro dal buco, si raccoglie la luce proveniente da esso su uno schermo. Per il fenomeno della propagazione rettilinea della luce, su detto schermo si forma un’immagine capovolta del paesaggio davanti alla finestra. Se il paesaggio comprende una strada trafficata, si osservano gli autoveicoli viaggiare capovolti.

Controllo della dispersione termica in ambienti chiusi

Il modellino di ambiente chiuso è una scatola di cartone entro la quale si vuole mantenere una temperatura impostata, superiore a quella esterna. Il sistema di riscaldamento è formato da una lampada a filamento di potenza nota. Un microcomputer Arduino, collegato ad un sensore di temperatura, accende e spegne la lampada per mantenere la temperatura impostata. Il microcomputer, con un cronometro, misura il tempo di attivazione e di spegnimento, consentendo di valutare il costo dell’energia in funzione della temperatura voluta.

Ricevitore satellitare GPS

Il dispositivo è formato da un’antenna e un modulo di ricezione della rete satellitare GPS. Un microcomputer estrae i dati e li visualizza su un display. I dati elaborati sono: Latitudine, Longitudine e Altitudine del posto, data e ora di Greenwich, nonché il numero di satelliti in quel momento contattati.

La posizione geografica, determinata con l’incertezza di pochi metri, se assegnata ad un software quale Google Earth, consente di zoomare e di vedere il posto della Terra in cui ci si trova.

Macchina a controllo numerico

Una macchina a controllo numerico a 3 assi gestita da appositi software, incide su legno e materiali plastici scritte artistiche e disegni. La stessa può tagliare laminati di legno o plastica per la realizzazione di manufatti di precisione.

La bobina di Tesla

La trasmissione dell’energia elettrica a distanza senza fili. Viene presentato un modellino dell’ esperimento ideato da Nikola Tesla, facendo accendere una lampada senza collegamento di fili. La bobina genera una tensione alternata a 4.5 MHz, con un’ampiezza che si avvicina a 100 mila volt.