Fisica del sistema Terra: progettazione e realizzazione di un percorso didattico sperimentale per studenti delle scuole superiori

This project, specifically designed for high school teaching purposes, is aimed at exploring the physical processes underlying the atmospheric phenomena. According to the ministerial programs, these subjects are taught only during ¿Earth science¿ class, and are not part of the Physics lesson program, despite including several important concepts in this field. In some cases it is a question of recalling topics already studied during the past school years, for example thermodynamic, but applied to a different situation than the ones presented in the textbooks. For this reason, the support of experiments without any sophisticated instruments could be crucial. This activity can also have an interdisciplinary nature: the analysis of on-line data coming from weather stations makes possible an interaction with the computer science teachers and could be useful to encourage the students to use spreadsheets. The project was included in the master's degree thesis: the involved subjects are 5 students that have finished the fourth year of high school and that have participated to an internship at the Physics Department In Turin. The same project was proposed, partly reduced according to the teachers' 'availability, to the first classes of the cooking high school "J.B. Beccari" in Turin. For each subject there was a theoretical introduction followed by an experiment and at times by exercises and a preliminary test. As regards the ¿long version¿ of the project ( about 20 hours dedicated exclusively to the subject ¿Atmosphere¿), the main topics are: - The concept of radiation and its linked phenomena, followed by an experiment about the irradiation with the same source of light of two cylinders with different colours. This experiment, despite its simplicity, allowed the introduction of the concept of modelling and a debate between the students about the system by which the solar energy comes to the top of the atmosphere; the phenomena this radiation undergo when it meets the ground and how the ground responds according to its properties. - A simulation of the greenhouse effect aimed at observing the temperature variation during a passage from a planet model without greenhouse gases to a model with greenhouse gases. - The atmospheric motions on a global scale and the convection, introducing the explanation of some meteorological phenomena such as precipitations, cloud formation and classification. During the experiment are shown the motion in a convective cell and the formation of a cloud inside a bottle. - Finally, physical models used in meteorology and climatology were introduced, thus leading to the introduction to the complexity of meteorological forecasting. Using the data gathered from the university's weather station, it was possible to experience how these models could be also used to analyse data from the past. This experimentation aroused interest, especially because it made possible for the students to deepen a highly topical issue in a stimulating and interactive way, allowing, through the data analysis, to better understand how to work in the field of science.

Questo progetto, finalizzato all'insegnamento nella scuola secondaria superiore, si propone di esplorare, anche attraverso semplici esperienze di laboratorio, la fisica che sta alla base dei fenomeni atmosferici. Facendo riferimento ai programmi ministeriali, questi argomenti sono affrontati nei corsi di Scienze della terra dell'ultimo anno, mentre non fanno parte del programma specifico di Fisica, pur avendo all'interno parecchi e importanti concetti in questo ambito. In certi casi si tratta di richiamare argomenti di fisica svolti negli anni scolastici precedenti, come ad esempio concetti di termodinamica, applicandoli a situazioni diverse da quelle incontrate nel libro di testo. Per questo motivo, il supporto di sperimentazioni realizzabili senza strumenti di misura sofisticati può essere di particolare importanza. Il percorso assume un aspetto di interdisciplinarietà che può essere di marcato interesse: la possibilità di analizzare dati ricavabili on-line da stazioni meteorologiche permette anche di interagire con il docente di Informatica e di invogliare gli studenti all'utilizzo di semplici fogli di calcolo. Il progetto è stato sperimentato all'interno del percorso di tesi di laurea magistrale con un gruppo di 5 studenti che hanno terminato la IV superiore, e che hanno partecipato a una settimana di stage presso il Dipartimento di Fisica. Lo stesso è stato poi proposto, in forma ridotta in base alle disponibilità degli insegnanti, alle classi prime dell'Istituto Professionale Statale "J.B. Beccari" di Torino. Per i diversi argomenti era prevista un'introduzione teorica seguita da una parte sperimentale e, talvolta, da esercizi e da pre-test. Facendo riferimento al percorso ¿lungo¿ (circa 20 ore dedicate esclusivamente all'argomento 'Atmosfera'), gli argomenti principali trattati sono: - Il concetto di radiazione e i fenomeni ad essa collegati, seguito da un esperimento sull'irradiazione di cilindri di colore diverso sottoposti alla stessa fonte di luce. L'esperimento, sia pure semplice nella sua esecuzione, ha permesso di introdurre il concetto di modellizzazione del fenomeno e la discussione fra gli studenti sui meccanismi con i quali l'energia solare arriva al top dell'atmosfera terrestre, i fenomeni che la radiazione subisce quando giunge a terra e come il suolo risponda al variare delle sue caratteristiche. - Una simulazione dell'effetto serra mirata a osservare la variazione di temperatura passando da un modello di pianeta senza gas serra ad uno con gas serra. - I moti atmosferici a scala globale e i moti convettivi, introducendo la spiegazione di alcuni fenomeni meteorologici quali le precipitazioni, la formazione e la tipologia delle nubi. Nella parte sperimentale si osserva il moto di una cella convettiva e la formazione di una nuvola in bottiglia. - Infine, l'introduzione ai modelli fisici utilizzati per la meteorologia e la climatologia ha permesso di introdurre gli studenti alla complessità delle previsioni metereologiche. Attraverso dati raccolti presso la stazione meteorologica del Dipartimento è stato possibile sperimentare come tali modelli possano essere utilizzati anche per analizzare eventi passati. La sperimentazione ha suscitato interesse soprattutto perché ha consentito agli studenti di approfondire un argomento attuale in modo stimolante e interattivo permettendo, tramite l'analisi dati, di comprendere meglio come si lavora in ambito scientifico.