Sintesi del corso di DIDATTICA DELL’ASTRONOMIA A cura di: prof.ssa Enrica Giordano e prof.ssa Monica Onida Anno 2009-10 “per conoscere bisogna vedere” (Reclus)
“si deve insegnare agli uomini a cercare, per quanto è possibile, il saper non dai libri, ma dal cielo, dalla terra, dalle querce e dai faggi; cioè a conoscere ed osservare le cose stesse, non solo le osservazioni e le testimonianze di altri su quelle” (Comenio)
Premessa In questa sintesi vengono ripercorse le tappe toccate durante il corso di didattica dell’astronomia di posizione, enunciando solamente il nodo concettuale e le implicazioni didattiche ad esso correlate. Per una trattazione più approfondita si rimanda innanzitutto ai vostri appunti di lezione e parallelamente ai testi consigliati come bibliografia del corso e ai materiali inseriti nel sito. In particolare la maggior parte dei concetti e delle attività didattiche si trova nei seguenti testi: Note su Nord-Sud-Est-Ovest di Enrica Giordano ottobre 1999 e Nicoletta Lanciano febbraio 2003 (in materiali) Strumenti per i giardini del cielo di N. Lanciano Terra e Universo, ISS . 10 settembre 2008 di P. Catalani, E. Giordano, O. Mautone, E. Miotto, in via di pubblicazione sugli Annali della Pubblica Istruzione Con il cielo negli occhi di Franco Lorenzoni
Nella sintesi troverete di tanto in tanto alcuni riferimenti ad altri materiali del sito o libri o siti internet utili per approfondire i concetti in questione e le problematiche didattiche ad essi connesse.
Mappa tratta dall’articolo: Terra e Universo, ISS . 10 settembre 2008 di P. Catalani, E. Giordano, O. Mautone, E. Miotto, in via di pubblicazione sugli Annali della Pubblica Istruzione
In prima approssimazione: Guardiamoci intorno
L’orizzonte locale visibile è la “linea”” di separazione tra cielo e terra in quel luogo: - cambia al variare della posizione dell’osservatore; - offre un riferimento per l’osservazione diretta degli astri Il sole sorge e tramonta Il sole si trova a diverse altezze sull’orizzonte Individuiamo le zone Est, Sud, Ovest, Nord
http://didascienze.formazione.unimib.it/luce/poster.html
I raggi solari che arrivano sulla Terra sono rettilinei e tutti paralleli. A seconda della zona (si capirà più avanti) sono inclinati in modo differente rispetto al suolo
Parallelismo raggi: Ombre dei corpi
Acchiapparaggi Puntando il sole
Puntando un oggetto vicino
Foto tratte dal sito http://didascienze.formazione.uni mib.it/luce.html
In seconda approssimazione: guardando il cielo Le canne di bambù e la cupola celeste permettono di osservare il percorso diurno del Sole e registrarne gli spostamenti.
Possiamo individuare meglio i punti cardinali Nord, Sud, Est e Ovest
Dalla tesi in FP di Chiara Conrater a.a. 2002-03
Una proiezione cilindrica del percorso del sole
Il culmine del sole e il mezzogiorno locale (equazione del tempo)
Se svolgiamo il cilindro sul quale abbiamo annotato i dati delle canne di bambù per un anno intero otteniamo i DIAGRAMMI SOLARI. Questi rappresentano i diversi percorsi del sole rispetto ai punti cardinali e all’altezza sull’orizzonte alle diverse latitudini.
La cupola : la sfera celeste
Si veda: Una riflessione sulle rappresentazioni in astronomia (prof.ssa paola bonelli majorino) (nei materiali)
Osservare le ombre: la direzione Nord-Sud I cerchi indù
N
In terza approssimazione: guardando la Terra da fuori
Con l’aiuto di un modello, orientandolo in base alla nostra posizione, possiamo vedere quello che il sole fa su tutta la Terra: il mappamondo parallelo
Osservando il terminatore e le ombre degli stecchini possiamo vedere: dove sta sorgendo il sole; dove sta tramontando; dove è giorno e notte; quale polo è illuminato e quale no; dove il sole è allo zenit, dove è mezzogiorno locale, ….
Per funzionare il mappamondo parallelo deve essere orientato con l’asse terrestre nella direzione N-S e con la sua prosecuzione verso nord che punta alla stella polare. Il che equivale a inclinarlo rispetto al piano orizzontale di un angolo pari alla propria latitudine, per noi a Milano circa 45°. L’altezza della polare sull’orizzonte corrisponde infatti alla latitudine del luogo. In questo modo abbiamo posizionato Milano in cima al globo, infatti «in ogni punto del globo abbiamo “tutto” il resto del mondo sotto i nostri piedi» Nelle figure: Mappamondo parallelo portatile a fianco di un altro in cemento (a sinistra non ancora dipinto, a destra dopo averlo dipinto) esposto in modo permanente al Parco Trotter “Casa del Sole” di Milano.
Riassunto dei fenomeni che possiamo osservare da terra nell’arco di un anno solare l’alternanza delle stagioni astronomiche Equinozio di primavera (che comincia il 21 marzo), solstizio d’estate (che comincia il 21 giugno), equinozio d’autunno (che comincia il 23 settembre), solstizio d’inverno (che comincia il 22 dicembre). la differente durata del dì e della notte Durante il solstizio d’estate si avrà il massimo di ore del dì alle nostre latitudini, durante il solstizio d’inverno si avrà il massimo di ore della notte e durante gli equinozi si avranno lo stesso numero di ore durante il dì e la notte a tutte le latitudini. la variazione dell’altezza del Sole Se durante il corso dell’anno osserviamo a mezzogiorno la posizione del Sole sull’orizzonte, ci accorgiamo che essa varia continuamente: durante il solstizio d’inverno il Sole è più basso e durante il solstizio d’estate è più alto. La lunghezza dell’arco percorso dal Sole nel cielo ogni giorno è quindi massima durante il solstizio d’estate e minima durante il solstizio d’inverno.
durante il solstizio d’estate i raggi del Sole a mezzogiorno sono perpendicolari al piano dell’orizzonte del tropico del Cancro; durante il solstizio d’inverno i raggi del Sole a mezzogiorno sono perpendicolari al piano dell’orizzonte del tropico del Capricorno; durante l’equinozio di primavera e l’equinozio d’autunno i raggi del Sole a mezzogiorno sono perpendicolari al piano dell’orizzonte dell’Equatore. Nell’emisfero boreale l’estate è calda poiché l’angolo di incidenza dei raggi del sole è maggiore (e l’energia raccolta è maggiore), mentre d’inverno è minore (l’energia che raggiunge la Terra viene distribuita su un’area maggiore e l’energia raccolta in ogni punto è minore). Il polo nord è per 6 mesi all’anno in ombra (è NOTTE) tra l’autunno e l’inverno e per 6 mesi alla luce (è Di’) con il sole anche a mezzanotte. Al polo sud accade l’esatto opposto. Durante il solstizio d’estate tutta la zona tra il circolo polare artico e il polo nord si trova al sole per 24 ore mentre nell’emisfero sud al buio e viceversa al solstizio d’inverno. Le stagioni sono invertite nei due emisferi: all’estate dell’emisfero boreale (settentrionale) corrisponde l’inverno dell’emisfero australe (meridionale).
Fino ad ora abbiamo considerato ciò che noi osserviamo dalla nostra posizione sulla Terra, sia in modo diretto registrando le posizioni del sole che in modo indiretto osservando cosa fa il sole sul mappamondo parallelo. Ma come facciamo a passare dall’osservazione all’interpretazione? Interpretazione geocentrica: tutto gira intorno alla Terra. Quello che osservo è quello che effettivamente accade. Problema: Il moto dei pianeti non quadra con questa interpretazione (vedi moto retrogrado, esercizio con carta trasparente e posizioni pianeti visti dal sole e visti da Terra) La TERRA e il SOLE: chi si muove? L’aiuto della fisica: la Relatività del moto Dalla Terra vedo spostarsi il - Copernico Sole nel cielo durante il giorno. - Galileo Dal Sole vedrei spostarsi la Terra. Da un’astronave vedrei la Terra girare attorno al Sole. Interpretazione eliocentrica: quello che vedo da Terra non cambia ma accade in conseguenza del movimento della Terra intorno al proprio asse e intorno al sole
GUARDARE PER MODELLI, MODELLI PER CAPIRE Per cambiare interpretazione dobbiamo cambiare punto di vista: allo stesso fenomeno osservato possiamo dare differenti interpretazioni con l’aiuto del nostro corpo e di modelli
Il moto di rotazione della Terra La situazione da noi osservata potrebbe essere il risultato del sole che effettivamente ruota intorno alla Terra da est a ovest ma potrebbe anche essere il risultato della Terra che ruota intorno al proprio asse da ovest a est in 24 ore. Per aiutarci a capire facciamo un gioco con il corpo, per simulare i movimenti della Terra rispetto al Sole e per cogliere ancora una volta l’importanza di prendere in considerazione più punti di vista.
«Questa attività aiuta a giocare sui passaggi da un sistema geocentrico a uno eliocentrico e viceversa, rispondendo sempre alla domanda “Che cosa si vede?” in un caso o nell’altro». (N. Lanciano)
Le costellazioni Le costellazioni dello Zodiaco mantengono fisse le loro posizioni reciproche, tuttavia, nel corso della notte, a causa della rotazione terreste, sembrano muoversi da Est verso Ovest: durante la notte percorrono quindi lo stesso cammino che il Sole percorre di giorno nel cielo. Nel corso dell’anno, poi, a causa del moto di rivoluzione, sembrano cambiare posizione. In realtà le costellazioni non esistono, ma si tratta di un’illusione ottica dovuta alla prospettiva: le stelle che compongono le costellazioni non sono realmente vicine tra di loro, né si trovano tutte alla stessa distanza dalla Terra, ma appaiono tali per un osservatore che si trova sulla Terra. gioco con il corpo, per «immaginare un modello di tipo eliocentrico in cui la Terra non è pensata immobile ma si muove come gli altri pianeti, ruotando su se stessa in un giorno (rotazione) e intorno al Sole in un anno (rivoluzione)».
«la potenza del gioco sta nel far muovere i corpi nello spazio tridimensionale, nel farli muovere con continuità e non avere solo lo schema di momenti particolari e separati uno dall’altro e nel dichiarare ad ogni passo il proprio punto di vista, il proprio sistema di riferimento e quali elementi della realtà il modello considera e quali invece trascura» (N. Lanciano).
l’ombrello delle costellazioni: al suo interno presenta la volta celeste con i disegni delle principali costellazioni. Osservando lo “schema” dell’ombrello, si nota che le Costellazioni dello Zodiaco si trovano sul piano dell’eclittica e rappresentano la traccia del percorso annuale del Sole osservato dalla Terra. Di giorno la luminosità del Sole non permette di vedere le stelle che gli fanno da sfondo, ma noi possiamo dedurre quali siano, poiché in quel periodo vediamo nel cielo notturno le costellazioni opposte. Se ad esempio, il Sole attraversa la costellazione della Bilancia, quando il sole tramonta noi vedremo sorgere quella dell’Ariete. Da un punto di vista eliocentrico, potremmo dire che per effetto del moto di rivoluzione della Terra, di notte, mese dopo mese, vediamo passare le costellazioni dello Zodiaco, dalle quali possiamo risalire a quelle diametralmente opposte che passano, di giorno, dietro al Sole.
Il moto di rivoluzione della Terra intorno al sole
L’esperienza con quattro mappamondi e un osservatore posto al centro: Quattro globi inclinati di 23°(perché l’asse terrestre è inclinato di 23°27’ rispetto alla normale al piano dell’eclittica[1]) nelle posizioni limite dell’eclittica: i due solstizi e i due equinozi. A turno ci si posiziona in uno dei due fuochi dell’ellisse, assumendo il ruolo del Sole: si può osservare concretamente quali zone sono colpite dai raggi del Sole e dove i raggi arrivano perpendicolarmente. Durante il solstizio d’estate il Sole è più lontano dalla Terra (e non più vicino), mentre durante il solstizio d’inverno il Sole è più vicino alla Terra. Nell’emisfero boreale l’estate è calda poiché l’angolo di incidenza dei raggi del Sole è più alto e perché si hanno maggiori ore di luce, mentre d’inverno l’angolo è minore e si hanno meno ore di luce. Inoltre, le stagioni sono invertite nei due emisferi: all’estate dell’emisfero boreale (settentrionale) corrisponde l’inverno dell’emisfero australe (meridionale). [1] Piano immaginario sul quale si muovono la Terra, il Sole e i pianeti
Meridiani e paralleli, latitudine e longitudine
Usando il mappamondo parallelo, ci siamo più volte ritrovati a parlare di meridiani e paralleli. Modello con una mela o una verza o un mandarino per spiegare il reticolo geografico disegnato sul mappamondo, che serve per dividere la Terra e poter determinare la posizione di un qualunque punto sulla superficie terrestre, in modo univoco e indipendentemente dalla posizione dell’osservatore. Paralleli, ossia circonferenze parallele all’equatore (parallelo fondamentale) e i Meridiani, ossia semicirconferenze passanti per i poli (Greenwich è il meridiano fondamentale). La latitudine di un punto P è la distanza angolare tra il parallelo passante per P e l’equatore; si misura sui meridiani La longitudine di un punto P è la distanza angolare tra il meridiano passante per P e il meridiano di Greenwich; si misura sui paralleli.
Foto tratta dalla presentazione di Laura Francesio al convegno Aif di Mantova in piattaforma ISS
Grandezze e distanze Guardare il sole proteggendosi gli occhi: il sole sembra la luna, non ha raggi ed è “piccolo” uguale
Modelli dei sistemi Terra - Sole e Terra – Sole - Luna
Si veda: Una riflessione sulle rappresentazioni in astronomia: Il sistema terra-sole in scala della prof.ssa Paola Bonelli Majorino (in materiali)
Disegniamo una serie di triangoli isosceli con la stessa base e diverse altezze. A e B indicano i due puntatori C indica l’oggetto puntato. Se l’oggetto viene allontanato lungo l’asse del segmento AB, il punto C si sposta . Cosa varia e cosa resta invariato in questo insieme di triangoli? COSTANTI La base dei triangoli VARIABILI L’altezza La lunghezza dei lati obliqui L’ampiezza degli angoli alla base L’ampiezza dell’angolo al vertice Più l’oggetto si allontana , più l’ampiezza degli angoli alla base aumenta e l’ampiezza dell’angolo al vertice diminuisce. Se il vertice C tende all’infinito gli angoli alla base tendono a 90°e l’angolo al vertice a 0 °
Modelli per capire le eclissi (di sole come nella figura ma anche di luna) (attenzione ai problemi di scala che pongono le rappresentazioni iconografiche) Lenzuolo dipinto e monetina Tubo con palline terra e luna
LA LUNA
Cosa vediamo noi da Terra? Vediamo la luna sia di notte che di giorno
Da Terra vediamo crateri, zone chiare (sono le zone rilevate) e scure (le zone pianeggianti). Vediamo che “cambia forma” (fasi lunari) ma mostra sempre la stessa faccia A volte sembra più grande quando è vicina all’orizzonte, a volte cambia colore Non sappiamo dove andare a cercarla nel cielo, non la vediamo sempre nello stesso posto alle stesse ore Possiamo osservarla senza doverci proteggere gli occhi: fare osservare a lungo ai bambini la luna, dove la osservo sull’orizzonte (finestrelle astronomiche) e che forma osservo (si veda il libro di Lorenzoni).
Fasi della Luna Novembre 2009 Lun
Mar
Mer
Giov
Ven
Sab
Dom 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
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24
25
26
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28
29
Piena
Nuova
23
30
Capire attraverso il corpo e i modelli Per capire perché, se il Sole illumina sempre metà Luna, noi vediamo forme differenti: attività corporea con modelli in polistirolo della Luna, metà gialla, per rappresentare la parte di Luna illuminata dal Sole, e metà nera, per rappresentare la parte non illuminata. In cerchio, rivolgendo la parte illuminata delle lune verso una direzione che rappresenta il Sole. A turno ci si posiziona al centro di tale cerchio per assumere il ruolo della Terra e osservare: in un solo punto si vede tutta la parte di Luna illuminata (Luna Piena) e in un solo punto (opposto al precedente) tutta la parte di Luna non illuminata (Luna Nuova); mentre in due punti (diametralmente opposti) si vede metà della parte di Luna illuminata e metà della parte non illuminata (Primo e Ultimo Quarto). Negli altri punti, si vedono spicchi più o meno grandi di Luna illuminata che formavano gobbe da un lato o dall’altra.
Ma perché noi vediamo sempre la stessa faccia della Luna? Gioco con il corpo: una persona rappresenta la Terra, che sta al centro e ruota su se stessa, da Ovest verso Est, e un’altra la Luna, che ruota intorno al proprio asse, da Ovest a Est, e compie una rivoluzione intorno alla Terra, sempre da Ovest verso Est mostrando sempre la stessa faccia (es. parte anteriore del corpo).
Le fasi lunari Un intero emisfero della Luna è sempre illuminato dal Sole. La parte dell'emisfero illuminato che possiamo vedere a una certa ora dipende dalla posizione della Luna nella sua orbita, ovvero dall’angolo Sole-Terra-Luna. Novilunio – Luna in congiunzione (la Luna è interposta tra Sole e Terra). Il Sole illumina la parte di Luna verso di sé, quindi la parte di Luna rivolta verso di noi non è visibile (perché l’universo è nero e la Luna non è illuminata); Primo quarto – Luna in quadratura (il Sole, la Terra e la Luna formano tra loro un angolo di 90°con la Terra al vertice). La Luna ci appare illuminata a metà, con una gobba verso Ovest, proprio come dice un proverbio popolare “Gobba a Ponente, Luna crescente”, perché aumenta gradualmente la superficie visibile; Plenilunio – Luna in opposizione (la Terra è interposta tra Sole e Luna). Il Sole illumina la parte di Luna rivolta verso la Terra, per cui la Luna è visibile a noi; Ultimo quarto – Luna in quadratura (il Sole, la Terra e la Luna formano tra loro un angolo di 90°con la Terra al vertice). La Luna ci appare illuminata a metà, con una gobba verso Est, proprio come dice un proverbio popolare “Gobba a Levante, Luna calante”, perché diminuisce gradualmente la superficie visibile. Vedo la luna di notte tra il 1°e il 3°quarto, prima e dopo la luna piena; vedo la luna anche di giorno tra il 3°e il 1°quarto, prima e dopo la luna nuova
La luna ruota contemporaneamente attorno alla Terra e sul suo asse in senso antiorario. Questa rivoluzione sincrona (impiega lo stesso tempo per compiere i due moti di rotazione e rivoluzione) fa sì che noi vediamo sempre la stessa faccia, mentre sulla Luna giorno e notte si succedono su ogni punto della sua superficie. Il tempo impiegato per un ciclo di fasi completo è di 29,5 giorni, mentre bastano 27,3 giorni per una rivoluzione completa attorno alla Terra. La differenza si giustifica col fatto che la Luna orbita intorno alla Terra e contemporaneamente la Terra intorno al Sole, pertanto aumenta il suo percorso orbitale e ne consegue un ritardo di 2,2 giorni per trovarsi nella posizione iniziale e riprendere un nuovo ciclo di fasi. Il piano di rivoluzione della luna intorno alla Terra è inclinato di 5,9°rispetto all’eclittica e questo fa sì che non si verifichi un’eclisse ogni 15 giorni. La distinzione tra eclissi di luna e fasi lunari rappresenta un nodo didattico intorno al quale porre attenzione.
Eclissi di Luna Ogni tanto, nella fase della Luna piena, la Luna passa attraverso il cono d'ombra proiettato dalla Terra e abbiamo uno dei fenomeni più grandiosi della natura: un'eclissi. In un anno si verificano talvolta anche due o tre eclissi lunari tal altra nessuna. Un'eclissi totale di Luna dura al massimo un'ora e 40 minuti - molto di più che un'eclissi totale di Sole. In un'eclissi totale di Sole il disco solare viene ad essere completamente nascosto dalla Luna, ma in un'eclissi di Luna spesso si può scorgere il disco lunare, anche in ombra. Parte della luce solare, passando attraverso l'atmosfera della Terra, viene infatti rifratta in modo da cadere sulla Luna. Poichè i raggi rossi penetrano più facilmente attraverso l'atmosfera, il disco lunare ci appare rossastro.
