Investigare le stelle con i glow sticks

Buon nuovo anno a tutti voi!

Lo so, in realtà la scuola è cominciata già da un po’ ma, anche se con un po’ in ritardo, spero che il mio augurio vi raggiunga comunque! 🙂

Nuovo anno, nuove idee?

Ogni tanto, quando sono molto stanca perché ho troppi impegni e non so da che parte prendere (per esempio negli ultimi dieci giorni), mi viene da chiedermi perché mi “caccio sempre nei guai da sola” cercando di aggiungere ogni anno qualcosa di nuovo alla mia didattica, quando le giornate sono già abbastanza piene. La risposta arriva puntuale nelle mattinate come quella che ho avuto ieri. Con la mia prima “nuova di zecca”  abbiamo cominciato l’esplorazione dello spettro elettromagnetico. Ho fatto costruire uno spettroscopio e i ragazzi lo hanno usato per osservare lo spettro generato da diversi tipi di lampadine. Divisi in gruppi hanno osservato la luce naturale del Sole, la luce di un neon (illuminazione della classe), di una lampadina a incandescenza e di una a fluorescenza. A un certo punto, mentre tenevo sollevato un porta lampada, di quelli che usano i muratori o gli imbianchini per intenderci, e loro osservavano lo spettro generato dalla luce della lampadina, il mio cuore ha avuto un tuffo.

Dovevate vedere con quanto impegno ed entusiasmo, sorpresi, osservavano i diversi spettri che quella sorta di giocattolino di carta riusciva a creare davanti ai loro occhi. Erano così belli!!!

È stato proprio uno di quei momenti magici di apprendimento in cui capisci che tutto il tempo passato a cercare nuove attività per rendere attivo il loro apprendimento non è solo un regalo che faccio loro ma è un regalo che faccio anche a me stessa. È per momenti come questi che non mollo e ogni nuovo anno torno a studiare, cercare e progettare ancora e ancora. Sono sicura che anche per molti di voi sia così! Per cui…ecco una nuova idea da provare!

Quest’estate, facendo un giretto da Tiger ho comprato qualche confezione di glowsticks, i bastoncini fluorescenti che si trasformano in braccialetto. In quel momento non mi servivano, ma “sentivo” che prima o poi sarebbero stati utili e così è stato. Solitamente questi bastoncini fluorescenti vengono usati per studiare la relazione che c’è tra temperatura e velocità di reazione, ma siamo in settembre ed è ancora presto per affrontare questo argomento con i ragazzi di quarta.

Cercando un modo di utilizzarli con i più piccoli, ho scoperto una meravigliosa attività inquiry-based  realizzata dal CPALMS, un sito americano dedicato al supporto degli educatori in cui vengono forniti risorse e strumenti gratuiti per l’insegnamento delle scienze che vi consiglio assolutamente di visitare.

L’attività in questione, The amazing glow stick, permette di investigare ed esplorare gli effetti della temperatura su luminosità e durata della vita delle stelle usando, udite udite, proprio i miei glowsticks! La fortuna aiuta gli audaci, giusto?

Se vi va di continuare a leggere, ora vi racconto cosa potete fare!

Innanzitutto sappiate che durante l’attività gli studenti eserciteranno anche le abilità proprie dell’ inquiry perché:

• faranno previsioni sulla base delle loro conoscenze pregresse,
• useranno un protocollo sperimentale per condurre un’investigazione,
• analizzeranno in che modo la temperatura influenza la luminosità e la durata dei glow sticks,
• saranno in grado di descrivere gli effetti di alcuni fattori che influenzano luminosità e durata delle stelle.

Cosa serve?

Per ciascun gruppo di studenti:

• 3 glow sticks dello stesso colore
• un termometro
• tre contenitori (becher o cilindri di vetro o bicchieri di plastica dipende dal tipo di bastoncino che avete)
• un cronometro
• 250 mL di acqua a temperatura ambiente, 250 mL di acqua fredda e 250 mL di acqua molto calda
• occhiali di protezione

L’attività è di inquiry strutturato per cui gli studenti svolgeranno un’investigazione per rispondere ad una domanda proposta dall’insegnante, corredata dal   procedimento da seguire. Vi ricordo che, trattandosi appunto di inquiry strutturato,  l’investigazione precede la spiegazione, ma è bene che nelle lezioni precedenti si sia già chiarito che la luminosità di una stella viene descritta dalla magnitudine che si può misurare in due modi: magnitudine apparente quando ci si riferisce alla magnitudine di una stella osservata dalla Terra (che dipende, quindi dalla luminosità della stella e dalla sua distanza), o magnitudine assoluta quando ci si riferisce alla magnitudine apparente che una stella avrebbe se si trovasse a una distanza standard dalla Terra (32,6 anni luce).

Prima di cominciare, però, cercheremo di tirar fuori quanto sanno sulle stelle e sui fattori che ne influenzano la luminosità e la durata stimolandoli con alcune domande. (ENGAGE).

In cosa differiscono le stelle tra loro? (differenti colori/temperature, dimensioni, età o stadi del “ciclo vitale stellare”, livelli di luminosità)

Perché pensate che alcune stelle siano più brillanti di altre? (le stelle che sono più calde avranno maggiore luminosità)

Secondo voi, in che modo la temperatura influenza la luminosità delle stelle? (le stelle più calde saranno più luminose)

Quali fattori influenzano la luminosità delle stelle? (colore/temperatura, dimensioni, distanza dalla Terra)

Dopo aver diviso i ragazzi in piccoli gruppi, si introduce l’attività (EXPLORE) spiegando che investigheranno la relazione tra temperatura, luminosità e durata della vita delle stelle attraverso i glow sticks.

Prima di cominciare fa sempre bene un breve ripasso sulle norme di sicurezza: non aprire o bucare la plastica del bastoncino fluorescente (il  bastoncino può contenere vetro e le sostanze contenute all’interno possono macchiare la pelle o i vestiti e/o irritare la pelle), indossare gli occhiali di sicurezza e fare molta attenzione quando si maneggia l’acqua calda.

Quindi, invitiamo gli studenti a leggere TUTTE le parti della scheda che consegneremo loro. Durante l’attività i ragazzi dovranno osservare attentamente quanto accade alla ricerca di evidenze che li aiutino a rispondere alla seguente domanda:

in che modo la temperatura influenza la luminosità e la durata delle stelle?Osservazioni accurate vi aiuteranno a raccogliere evidenze.

I ragazzi verseranno 250 mL di acqua a diversa temperatura (ambiente, fredda e molto calda) in tre contenitori diversi (avendo bastoncini stretti e lunghi come quelli che ho usato io, viene meglio se si utilizzano dei cilindri di vetro al posto dei becher in modo che i bastoncini siano completamente immersi nell’acqua, oppure è meglio chiuderli ad anello con il gancetto in dotazione).

Quindi attiveranno i glow sticks piegandoli fino a sentire il “crack” che indica la rottura dell’ampolla al loro interno. Poi inseriranno un bastoncino in ciascun contenitore pieno d’acqua e registreranno la temperatura dell’acqua e il livello di  luminosità del glow stick ogni minuto per 15 minuti.

Per avere risultati migliori l’attività dovrebbe essere condotta al buio in modo che gli studenti possano valutare meglio le differenze di luminosità e le temperature dell’acqua nei contenitori dovrebbero essere lontane dalla temperatura ambiente (si potrebbe aggiungere del ghiaccio all’acqua fredda e scaldare su una piastra elettrica o su un fornello quella calda).

Nell’attesa, tra una misurazione e l’altra, risponderanno ad alcune domande.

1. Qual è il controllo in questo esperimento? (Il bastoncino immerso nell’acqua a temperatura ambiente)
2. Qual è la variabile indipendente? (La temperatura dell’acqua)
3. Qual è la variabile dipendente? (La luminosità e la “durata” del bastoncino)
4. Cosa pensi che accadrà al glow stick con il passare del tempo? Scrivi le tue previsioni e formula una ipotesi utilizzando le espressioni “se….allora”. (Le risposte varieranno. Qualcuno ad esempio dirà: se la temperatura dell’acqua è alta, allora il bastoncino sarà più luminoso e durerà di più)

I ragazzi dovranno progettare una tabella in cui inserire i dati raccolti in modo che sia facile fare un confronto temperatura/luminosità per tutti e tre i glow sticks immersi, rispettivamente, in acqua a temperatura ambiente, calda e fredda, al passare del tempo.

Per stabilire la luminosità, ogni minuto (per 15 minuti) i ragazzi assegneranno un punteggio da 1 (la luce più fioca) a 4 (massima luminosità) a ciascun bastoncino.

Ciò che osserveranno è che il bastoncino posto nell’acqua a temperatura maggiore all’inizio è più brillante degli altri ma manterrà questa luminosità per un periodo di tempo minore rispetto al controllo, mentre noteranno che quello posto in acqua molto fredda all’inizio è meno brillante ma la sua luminosità durerà molto più a lungo.

Infine, sempre in gruppo, dopo aver analizzato le evidenze raccolte, i ragazzi risponderanno alle domande conclusive:

In che modo quanto avete osservato può essere collegato alle stelle? (proprio come i glow sticks sono più luminosi nell’acqua più calda, allora le stelle con temperature maggiori brilleranno di più, mentre quelle più fredde saranno meno luminose) .

In che modo la temperatura influenza la luminosità e la durata delle stelle? Supportate la spiegazione con le evidenze raccolte (osservazioni).

L’ipotesi fatta inizialmente concorda con le conclusioni?

Le risposte varieranno ma gli studenti dovrebbero arrivare a concludere che le stelle con temperature maggiori hanno luminosità maggiore e una durata minore rispetto a quelle più fredde.

A questo punto, partendo dalla discussione delle conclusioni dei vari gruppi,  si passerà alla fase di EXPLAIN potremo affrontare la spiegazione approfondita dei fattori che influenzano la magnitudine e la durata del ciclo vitale stellare.

Se si avesse tempo si potrebbe poi investigare anche la relazione tra magnitudine e distanza delle stelle (EXTEND o ELABORATE) con un ulteriore attività in cui bastoncini con uguale luminosità vengono osservati a diverse distanze (troverete l’attività sul sito).

Come funzionano i glow sticks?

Quando i ragazzi romperanno il bastoncino questo comincerà a brillare. La luce prodotta in questo modo è un esempio di un fenomeno chiamato chemiluminescenza.

In pratica questi bastoncini sono costituiti da un tubicino di plastica contenente una sostanza chiamata difenilossalato, un colorante e una piccola ampolla di vetro con all’interno del perossido di idrogeno.

Quando il tubicino di plastica viene piegato, l’ampolla di vetro si spezza e il perossido di idrogeno reagisce con il difenilossalato con una reazione che produce l’emissione di luce. Il colore del glow stick, naturalmente, dipende dal tipo di colorante fluorescente che viene impiegato.

Se volete saperne di più sulla chimica della reazione vi consiglio di leggere l’interessante articolo sulla chemiluminescenza di Emma Welsh su Science in school.