1. Quanta soluzione di sapone deve essere aggiunta nel “sistema acqua”, formato da acqua e sali minerali, per avere la produzione di schiuma stabile?

Per fare la soluzione di sapone si sciolgono circa cinque grammi di sapone di Marsiglia in cinque litri di acqua deionizzata. L’acqua potabile si preleva con un bicchiere che funge da misurino e si pone in un barattolo trasparente, da almeno mezzo litro, con tappo a vite. Con un misurino più piccolo (10-20 mL) si aggiungono aliquote successive di acqua saponata, chiudendo il barattolo e provando ogni volta ad agitare per vedere se si forma la schiuma. Si conta il numero di misurini di acqua saponata necessari per avere una schiuma stabile per trenta secondi. Si può provare con acqua di rubinetto, con acqua lievissima (basterà un misurino di acqua saponata) o con acqua Ferrarelle (ne occorreranno molti di più). I sali contenuti nelle acque potabili interagiscono col sapone “bloccandolo”, e impedendogli di formare la schiuma. Il deposito opaco e torbido che si nota sul fondo del barattolo è il risultato dell’unione dei sali col sapone. Più sali sono contenuti nell’acqua, più sapone è necessario aggiungere per ottenere la schiuma; più acqua potabile si preleva, più acqua saponata si dovrà aggiungere per ottenere lo stesso risultato (due esempi di variabili interdipendenti). I sottosistemi in gioco sono dunque tre: sali minerali, sapone, acqua. Tale esperimento può essere utilizzato come esempio per introdurre, successivamente il concetto di variabile (numero dei misurini di acqua saponata, volume di acqua potabile, contenuto salino delle varie acque).

L’esperienza 5 sulla variabile della classe terza può essere effettuata in parallelo come conferma.

2. Con una pila da torcia, due fili e una mina per matita, costruisci un sistema “scaldabagno” capace di scaldare l’acqua.

In questo caso i bambini hanno a disposizione anche un termometro. Il circuito va montato come nell’analogo esperimento con la pila il filo e la lampadina, ma in questo caso l’uso di due fili semplifica l’operazione. I due fili sono attorcigliati alle estremità della mina, immersa in acqua. Quando è tutto pronto si collegano le estremità libere dei fili ai due poli della batteria e la mina diventerà calda. Occorre una batteria da torcia da 1,5 V delle più grandi o una piatta da 4,5 V per avere un’erogazione abbastanza prolungata di calore e una mina da disegno. L’innalzamento di temperatura (proprietà variabile) sarà misurato con il termometro a intervalli regolari di due minuti.

L’esperimento dello scaldabagno, oltre a illustrare i concetti di sistema e sottosistema, potrà può essere ripreso come esempio di variabile (temperatura) tracciabile come istogramma, e infine anche per introdurre il concetto di energia.

3. Quanti cucchiaini di zucchero deve avere il sistema soluzione acqua e zucchero per far galleggiare l’oggetto di plastica?

Occorre trovare un oggetto di polistirene (PS) abbastanza compatto e non troppo sottile, altrimenti la presenza delle bollicine d’aria che aderiscono ad esso lo faranno salire a galla in anticipo rispetto al raggiungimento della necessaria concentrazione di zucchero.

Per quanto riguarda l'esplorazione e l'introduzione del concetto di variabile, si possono utilizzare le esperienze descritte per la classe terza e altri esempi simili di facile realizzazione.

Applicazione del concetto di variabile

Si scelgono alcune esperienze descritte per la classe terza, per far sì che i bambini apprendano come costruire gli istogrammi.

In aggiunta si propongo le seguenti altre attività.

1. Qual è la temperatura più alta che si può raggiungere con la “polvere riscaldina” e l’acqua?

Occorre una bilancia digitale al grammo e, per ogni gruppo, un misurino per l’acqua, un termometro, un bicchiere da bar di polistirolo ed uno di plastica inseribile in quello di polistirolo, la polvere di cloruro di calcio anidro dei sacchetti dei ricambi per deumidificatori (mantenere sigillati). I diversi gruppi di bambini potranno registrare gli innalzamenti di temperatura ottenuti unendo quantità variabili di “polvere riscaldina” a quantità variabili d’acqua. L’aumento di temperatura è correlato positivamente con la quantità di polvere e negativamente con la quantità di acqua.
Se si riprenderà quest’esperienza come esempio per introdurre il concetto di calore, occorrerà tenere presente che la quantità di energia termica liberata dipende solo dalla quantità di polvere che si scioglie in acqua e non dalla quantità d’acqua usata.

2. Quante variabili si possono trovare usando la molla colorata?

Nei negozi di giocattoli si vendono delle molle di plastica di circa 6 cm di diametro formate da molte spire piatte. Questa molla è l’ideale per illustrare le variabili e la dipendenza tra esse. Con un fermaglio grande si può realizzare un gancio assicurato all’ultima spira, a cui appendere la stessa scatola della confezione con un filo. Mentre un righello può essere infilato trasversalmente per sorreggere un numero qualsiasi di spire, libere di oscillare verticalmente.
La prima variabile che può essere studiata (non occorre attaccare la scatola né il righello, basta tenere la molla e imprimere delle oscillazioni verticalmente, più o meno ampie) è il ritmo delle oscillazioni che cambia al variare del numero di spire libere. I bambini possono battere le mani all’unisono per rendersi conto delle variazioni di ritmo, anche senza cronometrare il tempo. Inoltre si può variare l’ampiezza delle oscillazioni lasciando costante la variabile numero di spire. Sorprendentemente, in questo caso il ritmo resta invariato. Si può quindi fissare la molla al righello e bloccare questo con dei pesi su un piano o sulla parte alta della lavagna. Si assicura la scatola in modo da realizzare una specie di bilancia a molla e si sceglie un numero di spire tale da far rientrare la scatola oscillante all’interno della parte utile della lavagna. In questo secondo esperimento si varia il numero di monetine da uno o due centesimi, o altri oggetti uguali di peso analogo, che si introducono nella scatola, e si segna la posizione della scatola col gessetto a ogni aggiunta successiva. La variabile peso risulta così correlata positivamente alla variabile lunghezza (o meglio allungamento). Il dispositivo a molla può essere usato per far indovinare il numero di oggetti nella scatola.

3. Qual è la “Catapulta” con la massima gittata?

I bambini osservano delle “catapulte”, realizzate con delle mollette di legno da  bucato montate su dei cunei di legno, per individuarne le variabili. Tali catapulte differiscono per la lunghezza del braccio di lancio, per l’angolo di apertura e per l’altezza da terra dei cunei. In alternativa si possono rendere variabili questi parametri su una stessa catapulta, a disposizione per ciascun gruppo di bambini. Un’altra variabile sarebbe la dimensione della pallina da lanciare, ma dovranno essere i bambini stessi a stabilire che tutte le prove di gittata si dovranno effettuare con la stessa pallina per ragioni di equità. In questo esperimento si possono introdurre anche i concetti di variabili indipendenti (variabili costruttive delle catapulte, peso della palla da lanciare) e di variabile dipendente (gittata). Quando i bambini avranno ipotizzato quali variabili hanno maggior rilevanza sulla gittata, e stabilito quale catapulta dovrebbe effettuare i lanci più lunghi, potranno effettuare la gara tra le stesse catapulte o tra i gruppi per avere conferma diretta delle loro ipotesi.

4. Da quale variabile dipende maggiormente il ritmo di oscillazione del pendolo?

Sono necessari fili di nylon di due diverse lunghezze (per esempio 50-100 cm), piombi da pesca da 10 e da 20 g e un orologio o cronometro.
Le variabili in input sono la lunghezza, il peso e l'ampiezza delle oscillazioni. Le variabili in uscita il ritmo delle oscillazioni, ottenibile per esempio contando il numero di oscillazioni in trenta secondi.
I bambini dovranno effettuare tali misure del ritmo, o frequenza, di oscillazione, fissando i pesi ai fili e ponendoli in oscillazione sorreggendoli a un’estremità. Con prove comparative in doppio (stessa lunghezza e ampiezza e diversa massa, stessa massa e ampiezza e diversa lunghezza, stessa massa e lunghezza, ma diversa ampiezza), stabiliranno che il ritmo è correlato in modo inverso alla lunghezza. Effettuando le prove comparative con i due pendoli che oscillano contemporaneamente non sarà necessario controllare il tempo, ma basterà vedere quale pendolo ritarda o se le oscillazioni sono sincrone.

5. Quali sono le variabili che influiscono sull’ arrugginimento del ferro?

Sono necessari una paglietta di ferro (tipo grigio scuro), tubi di plastica o vetro trasparenti di due lunghezze diverse ma con medesima sezione (per esempio provette o tubi sigillati a un’estremità con silicone), aceto, sale, pinze per sostenere i tubi, un pennarello indelebile e, opzionalmente, una bilancia al grammo per pesare quantità circa uguali di paglia di ferro.
Si incastra un pezzo di paglia di ferro sul fondo dei tubi aventi dimensioni variabili e si capovolgono gli stessi tubi in bicchieri con due dita d’acqua (imboccatura in basso, ferro in alto). Inizialmente si segna il livello raggiunto dall’acqua all’interno del tubo, con pennarello indelebile. La paglia di ferro può essere bagnata con sola acqua, con aceto o con acqua e sale (sono queste altre variabili, in aggiunta alla lunghezza del tubo). Si misura a distanza di ore l’innalzamento dell’acqua all’interno dei tubi, causato dal consumo di aria da parte del ferro, che diviene marroncino in alcuni punti. La velocità di arrugginimento è valutata in base alla rapidità della crescita del livello dell’acqua all’interno dei tubi. La crescita maggiore si ha bagnando il ferro con aceto e sale. Se non si mette neppure acqua,  la trasformazione richiede diversi giorni. La trasformazione si arresta quando è stato consumato tutto l’ossigeno e l’acqua è salita fino a circa un quinto dell’altezza del tubo, in proporzione al contenuto di ossigeno dell’aria (21%). Le altezze raggiunte in ogni provetta si possono riportare in un grafico.