02c. Laboratorio: la Terra si muove, quindi...
Le mappe concettuali
Per sapere cosa è una mappa concettuale potete leggere qui:
The Theory Underlying Concept Maps and How to Construct and Use Them di JD Novak
tradotto in italiano qui: MAPPE CONCETTUALI
Uno strumento molto utile per costruire mappe concettuali è il software CmapTools che è possibile scaricare gratuitamente.
Nella prima parte abbiamo utilizzato il software Cmap per ricostruire quanto fatto nelle lezioni precedenti. Il lavoro è stato fatto in gruppo (ciascun gruppo costruisce inizialmente una mappa "cartacea" secondo i propri ricordi e i propri criteri) e poi c'è stata la costruzione comune, in cui ciascun gruppo a rotazione ha aggiunto blocchi, collegandoli a quelli precedenti secondo certe connessioni logiche.
Alle proprietà della Terra abbiamo aggiunto i valori o gli ordini di grandezza, che ci consentono di fare confronti e ragionare sulle relazioni tra le cose.
Questo è il risultato
Quella che segue, invece, è la mappa concettuale che ho utilizzato per organizzare gli argomenti della lezione di oggi (moti della Terra e loro conseguenze):
Attenzione: moltissime delle mappe concettuali che si trovano già fatte in rete fanno discendere l'alternarsi delle stagioni direttamente dal moto di rivoluzione terrestre, senza ulteriori specificazioni, per esempio v. qui, qui, qui, tutte nella prima schermata di google search. Usare internet con prudenza
Le domande della scheda (uguale per tutti gli argomenti dei laboratori) sono:
Che idee hanno gli "studenti" sull'argomento (possibili misconcetti, vedi Lezione 1)
Quali concetti volete che gli studenti costruiscano (obiettivo)
Cosa devono conoscere prima del percorso didattico
Quali strumenti o modelli potete usare/costruire
Come si può verificare che l'obiettivo sia stato raggiunto
Il moto di rotazione della Terra e le sue conseguenze
La rotazione terrestre si compie da Ovest verso Est, in verso antiorario se osservata dal polo nord celeste.
Alternanza di notte e dì
Il periodo di rotazione è il giorno sidereo e dura 23h 56m 4s; la velocità lineare di rotazione è massima all’equatore e nulla ai poli e dalle diverse velocità lineari nelle varie zone della Terra dipende la forza di Coriolis (effetti sulle masse di acqua e aria che si spostano)
La rotazione terrestre ha anche effetti sulla forma della Terra, ne abbiamo parlato qui: Lezione 3.
Le ombre cambiano durante il giorno
Questo fenomeno è alla base della costruzione delle meridiane.
L'argomento è molto ampio e didatticamente interessante. Per chi fosse interessato, si suggerisce di leggere un paio di libri di Nicoletta Lanciano.
I GIARDINI DEL CIELO
ASTRONOMIA A ROMA
Istruzioni per costruire una meridiana equatoriale e una orizzontale:
Il Sole sorge e tramonta
Il Sole sorge a EST e tramonta ad OVEST? Siamo sicuri? Sempre?
Se ci sono dei dubbi, si consiglia di leggere questa pagina: link
Questa ciclicità è alla base della misura del tempo (chi fosse interessato può leggere questa lezione)
Vediamo le stelle ruotare intorno alla stella Polare
Possiamo capire da quale zona della Terra è stata fatta questa foto e per quanto tempo è stato tenuto aperto l'otturatore della macchina fotografica?
E' possibile tracciare un reticolo geografico
Latitudine e longitudine: ne abbiamo parlato nella Lezione 3
Il moto di rivoluzione della Terra e le sue conseguenze
Diversa posizione del Sole rispetto alle costellazioni durante l'anno
Le costellazioni sono raggruppamenti di stelle totalmente immaginari che gli antichi astronomi hanno costruito oltre 6000 anni fa. Il vero scopo delle costellazioni è di aiutarci a riconoscere le stelle, niente di più. In una notte buia, è possibile vedere circa 1000-1500 stelle, e riconoscerle è sicuramente molto difficile. Le costellazioni ci aiutano a dividere la sfera celeste in parti più maneggevoli.
Le costellazioni zodiacali sono quelle che intersecano l’eclittica, ovvero il percorso apparente del Sole nel suo moto annuo.
Il Sole è molto più vicino alla Terra rispetto alle altre stelle. Di conseguenza, il giorno solare dura 4 minuti in più del giorno sidereo. Il Sole quindi, per un osservatore sulla Terra, compie un moto apparente sulla sfera celeste più lento delle stelle e nel corso dell’anno attraversa le costellazioni dello zodiaco.
Asse terrestre e piano dell'eclittica NON sono perpendicolari. Conseguenze
La notte e il dì hanno durata diversa
In ogni punto della superficie terrestre si alternano notte e dì (a causa della rotazione terrestre). La durata della notte e del giorno (dì) per una data latitudine cambia durante l'anno a causa dell'inclinazione dell'asse terrestre. Alla latitudine 0°, cioè all'equatore, notte e dì hanno la stessa durata durante tutto l'anno.
Questa differenza di durata può essere mostrata confrontando su un mappamondo ...
Per la scuola media, attività interdisciplinare matematica-scienze (uso delle proporzioni)
Abbiamo usato lo scotch di carta. Tre strisce, una intorno all'equatore, una intorno al parallelo 60°N ed una intorno al parallelo 40°S.
Poi abbiamo messo il mappamondo al sole, nella posizione corrispondente al solstizio di giugno.
Anneriamo la parte di scotch che non viene illuminata dal sole.
Stacchiamo le strisce di scotch e le mettiamo una accanto all'altra.
Confrontiamo la lunghezza della parte chiara e della parte scura rispetto alla lunghezza della striscia
Per l'equatore abbiamo trovato....
Per il parallelo 60°N ...
Per il parallelo 40°S...
Confrontare strisce diverse: come faccio?
Cosa mi aspetto che succeda?
E in altri momenti dell'anno?
Il tramonto in Italia in tre momenti diversi dell'anno (quali?)
Alternarsi delle stagioni
Esiste una ampia letteratura scientifica sulla permanenza della nostra mente, fino all'età adulta, dell'idea sbagliata che le stagioni dipendano dalla distanza della Terra dal Sole (chi fosse interessato può trovare dei riferimenti qui: link).
E' una di quelle "concezioni alternative" o "misconcetti" su cui la teoria costruttivista (link) dell'apprendimento prevede di lavorare a lungo. Quali possono essere le cause di questo misconcetto?
Un esempio di "conflitto cognitivo" (vedi definizione)
In quale periodo dell'anno sono state scattate queste foto? (lo stesso? diversi? perché?)
In quale parte della Terra? (la stessa o diversa?
Dove si trovava la Terra in quel momento (o in quei momenti) nella sua orbita intorno al Sole?
Esempio di immagine trovata su libri di testo (scuola superiore) che ha l'effetto di "confermare" il misconcetto negli studenti, che vedono ingigantite le differenze tra le distanze Terra-Sole all'afelio e al perielio (e possono non rendersi conto che la nostra estate corrisponde alla posizione di afelio, tra l'altro...):
Il sistema Terra-Sole non è visto dall'alto ma in prospettiva. In questo senso, è naturale che l'ellitticità dell'orbita sia esagerata. In una pagina di libro, le dimensioni relative di Sole e Terra non possono ovviamente essere in scala, e nemmeno proporzionate rispetto al raggio dell'orbita (ne abbiamo parlato nel Laboratorio 1).
Ma un disegno in prospettiva centrale conserva i rapporti tra le distanze parallele all'orizzonte del disegno. Quindi:
1) le due distanze della Terra dal Sole all'afelio e al perielio dovrebbero comunque essere in proporzione;
2) la distanza tra i fuochi dell'ellisse dovrebbe essere anch'essa in proporzione alla lunghezza dell'asse maggiore dell'ellisse.
Il rapporto tra 152 milioni di chilometri e 147 milioni di chilometri è 152/147 = 1,034. Quindi un disegno non ingannevole della posizione della Terra rispetto al Sole all'afelio e al perielio dovrebbe essere più o meno così:
Moto apparente annuo del Sole
Argomento di uno dei gruppi del Laboratorio 1
Moto di rivoluzione della Luna intorno alla Terra e sue conseguenze
Terra e Luna si attraggono reciprocamente (forza gravitazionale) e formano un sistema binario in movimento intorno a un baricentro comune, che si trova a circa 4700 km dal centro della Terra, e circa 1700 km sotto la superficie terrestre.
Tale interazione ha conseguenze sia sulla Terra sia sulla Luna.
Su alcuni degli argomenti seguenti faremo un ulteriore laboratorio utilizzando il software Stellarium.
Orbita della Luna intorno al Sole e alla Terra
(guardare il video fino alla fine)
Perché vediamo sempre la stessa faccia della Luna
Fasi lunari
Si capiscono bene usando modelli tridimensionali. Le figure sui libri, necessariamente 2D, possono creare un po' di confusione.
A volte sono le stesse figure ad essere sbagliate, soprattutto quando cercano di rappresentare nello stessa immagine punti di vista diversi.
Per esempio, la figura seguente, tratta da un libro di testo di scuola superiore, contiene un errore (sai trovarlo?)
(in generale, diffidate delle illustrazioni che pretendono di mostrare un fenomeno da due o più punti di vista, spesso non sono coerenti con se stesse....)
Questa immagine "ha un problema": sei in grado di individuarlo?
Eclissi di Luna e di Sole
in costruzione
(da R. Becucci, "La Luna, un satellite molto speciale", TFA I)
Le grandezze apparenti della Luna e del Sole, visti dalla Terra, sono comparabili.
Per effetto della variazione delle distanze Luna-Terra e Terra-Sole, dovute all'eccentricità delle rispettive orbite, la dimensione apparente della Luna vista dalla superficie terrestre varia da un valore leggermente inferiore a un valore leggermente superiore a quello del diametro apparente del Sole.
Questo fatto rende possibili, oltre che le eclissi solari parziali, anche totali, anulari e miste.
Durante un'eclissi di Luna l'ombra della Terra oscura del tutto o parzialmente la Luna e si verifica nel momento in cui quest'ultima è in fase di "piena" mentre Sole, Terra e Luna si trovano allineati in quest'ordine.
A causa delle reciproche distanze fra il Sole, la Luna e la Terra l'ombra che si introduce per interposizione della Terra è di forma conica. Nelle eclissi lunari il cono d'ombra proiettato dalla Terra è sempre molto più ampio della Luna, ed è accompagnato da un cono più ampio, detto cono di penombra, nel quale solo una parte dei raggi del Sole vengono intercettati dalla Terra
Maree
Un modo spesso usato nei libri di testo per spiegare non solo la marea che si presenta sul meridiano (idealmente) dalla parte della Luna, ma anche quella che si presenta sul meridiano opposto è la seguente:
Considerando per semplicità soltanto la Luna e trascurando gli altri corpi del sistema solare, la forza che provoca le maree risulta dalla non completa cancellazione di due forze opposte tra loro: l'attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna sulla Terra, e la forza centrifuga dovuta alla rotazione della Terra intorno al centro di massa del sistema Terra-Luna. Al centro della Terra queste due forze si cancellano esattamente. Sulla faccia rivolta verso la Luna, invece, l'attrazione lunare è lievemente maggiore (in quanto la distanza dalla Luna è minore), mentre la forza centrifuga è minore (in quanto la distanza dal centro di rotazione è minore): questa differenza origina una forza risultante diretta verso la Luna. Sull'altra faccia accade il contrario: l'attrazione lunare è minore mentre la forza centrifuga è maggiore, quindi la forza risultante punta nel verso opposto. Ne consegue un sollevamento del mare sia sul lato della Terra rivolto verso la Luna, sia sul lato opposto (la cosiddetta "seconda gobba" della marea)
Discussione?
Il modello usato per spiegare le maree è quello di una terra sferica, ferma (si trascura il movimento di rotazione), che interagisce solo con la Luna (si trascurano il Sole e gli altri pianeti), ricoperta da uno strato uniforme di acqua.
Le cose, in realtà, vanno in modo molto più complicato di quanto il modello preveda. Nella immagine seguente si vede un confronto tra modello e misure di marea reali (cliccare sull'immagine per ingrandire)
Le spiegazioni sono qui: https://slideplayer.com/slide/4742426/
Rallentamento della velocità di rotazione della Terra
Per studiare la variazione della rotazione terrestre nel passato lontano si possono studiare i ritmi di crescita biologici e di sedimentazione registrati nei fossili o nella rocce e legati all'alternarsi del giorno, della lunazione, dell'anno e delle maree.
I primi studi negli anni '60 erano basati sui ritmi di crescita dei molluschi bivalvi e dei coralli, influenzati dalla marea. Recentemente sono stati condotti studi su un arco temporale di circa 1 miliardo di anni, basati sull'analisi di rocce la cui età assoluta viene determinata con metodi radiometrici. Esse sono generate dall'accumularsi di sedimenti a diversa granulazione depositati da correnti di marea in estuari e delta fluviali. L'alternarsi degli strati a grana diversa sono legati all'altezza ed alla velocità dell'onda di marea che li ha generati. Dal momento che non pare essere cambiato sensibilmente, almeno nell'ultimo miliardo di anni, la durata dell'anno, si possono ricavare la frequenza delle alte e basse maree, la durata della lunazione, il numero di giorni dell'anno e la distanza Terra-Luna, con un grado di precisione tollerabile.
“Oltre non si può andare. Le irregolarità non ancora pienamente comprese che abbiamo citato sopra rendono eccessivamente incerta la determinazione. Tuttavia alcuni calcoli suggeriscono che all'origine della Terra (4.5 miliardi di anni fa), la durata del giorno terrestre poteva essere di solo 3 ore e mezzo.”
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=11640
