L'evidenza che aiuta lo sviluppo delle idee degli alunni della scuola media sugli stati e le trasformazioni della materia dovrebbe seguire un graduale percorso di osservazioni e indagini via via sempre più strutturate. Non è qui possibile entrare nel merito di un percorso completo e delle sue interazioni con l'apprendimento relativo all'energia e ai principi alla base dei processi di trasformazione. Quelli che seguono sono dunque solamente alcuni spunti di attività da condurre in classe introducendole al momento opportuno così che possano costituire un supporto efficace per l'apprendimento.

Spesso nella scuola media gli alunni trovano difficoltà a comprendere la materialità di gas e vapori, a queste difficoltà sono indirizzate le seguenti proposte.

L'aria ha massa: lo si può osservare usando due bottiglie di plastica da 1500 cm³ nei cui tappi è stata introdotta e sigillata una valvolina di quelle usate per le gomme da bicicletta. Si mettono in equilibrio le due bottiglie appendendole a una bilancia a bracci anche rudimentalmente costruita con una stecca di legno appoggiata a una matita usata come fulcro o fissata con un chiodo nel suo centro di massa in maniera che possa ruotare agevolmente. Successivamente si introduce altra aria in una delle bottiglie usando una pompa da bicicletta: si osserva che le due bottiglie agganciate alla bilancia allo stesso modo di prima non sono più in equilibrio, quella che contiene più aria pesa di più. La massa dell'aria introdotta può essere pesata riportando la bilancia all'equilibrio con delle masse tarate o usando come unità non standard di massa delle graffette da pinzatrice. Questo esperimento, in una versione più complessa, è riportato fra i problemi assegnati alla Gara Nazionale delle Olimpiadi Italiane della Fisica del 1999 e si può trovare in internet all'indirizzo http://www.cadnet.marche.it/olifis.

L'aria contiene vapore acqueo: introducendo in un pentolino di acciaio una miscela di acqua e ghiaccio in breve tempo si osserva che la superficie lucida del pentolino si ricopre di rugiada. Si può mettere meglio in evidenza che la condensazione è dovuta proprio al vapore acqueo contenuto nell'aria usando due pentolini uguali. In ambedue si introduce la miscela di acqua e ghiaccio ma uno dei due viene racchiuso in un sacchetto di plastica trasparente che viene schiacciato per estrarne l'aria e quindi sigillato. La condensazione sulla superficie del pentolino sarà molto meno evidente in quello isolato dall'aria. La massima temperatura per cui ciò avviene è detta punto di rugiada ed è quella per cui, mantenendo costante la pressione, il vapore d'acqua contenuto nell'aria raggiunge la saturazione. Conoscendo i valori del punto di rugiada, della temperatura e della pressione dell'aria è possibile risalire al valore dell'umidità relativa nell'ambiente in cui è stata condotta la misura. Questo è il principio di funzionamento dell'igrometro a specchio raffreddato.

Per ottenere in classe una stima del punto di rugiada si riempie a metà il pentolino con acqua a temperatura ambiente e vi si immerge un termometro. Si aggiunge qualche cubetto di ghiaccio all'acqua e si osserva la temperatura per cui si forma la rugiada sulla superficie del pentolino. Esiste una formula per risalire al valore dell'umidità relativa ma il risultato si può ottenere anche on line introducendo i valori misurati nella pagina interattiva di calcolo offerta dal National Weather Service Forecast Office all'indirizzo http://www.srh.noaa.gov/elp/wxcalc/dewpoint.shtml.

L'aria esercita pressione: ci si procuri una lattina (vanno bene quelle da un litro dell'olio alimentare) e un tappo di gomma che possa chiuderla ermeticamente. Si introduce un bicchiere d'acqua nella lattina e questa, priva di tappo, si mette su un fornello acceso lasciando che l'acqua bolla per uno o due minuti. Tolta la lattina dal fuoco, operando con una pinza o con guanto da forno, si tappa ermeticamente e si raffredda con un panno bagnato o versandoci sopra dell'acqua gelata. La lattina collassa vistosamente a causa della differenza di pressione fra quella atmosferica esterna e quella interna. Durante l'ebollizione infatti il vapore acqueo sostituisce parte dell'aria interna alla lattina e durante il raffreddamento il vapore acqueo condensa nella lattina sigillata così che la pressione interna è inferiore a quella atmosferica. Una analoga dimostrazione si può condurre con una bottiglia di vetro pirex a imboccatura abbastanza larga da poter sostenere agevolmente un uovo sodo. Si versa nella bottiglia dell'acqua bollente per circa un quarto della sua capacità e si tappa subito con l'uovo sodo. Durante il raffreddamento — che può essere accelerato versando acqua fredda sulla bottiglia — l'uovo viene risucchiato nella bottiglia.

Sulle proprietà delle sostanze relative ai cambiamenti di stato si possono condurre i classici esperimenti sulla solidificazione della naftalina e del paradiclorobenzene (palline antitarme). Ambedue le sostanze possono venire liquefatte in una provetta in bagno d'acqua poiché hanno un punto di fusione, rispettivamente, di circa 80°C e 54°C. Un termometro inserito nella sostanza liquefatta permetterà di effettuare le misure per tracciare la curva di raffreddamento. Un secondo termometro immerso nel bagno d'acqua che raffredda metterà meglio in evidenza per confronto il mantenersi costante della temperatura nella fase di solidificazione. Se gruppi diversi di alunni condurranno l'esperimento con quantità diverse di sostanza (comunque non più di 10 g se si vuole mantenere l'esperimento in tempi ragionevoli) sarà possibile sottolineare l'indipendenza del punto di solidificazione dalla quantità di sostanza usata.

Un esperimento analogo si può condurre sul punto di ebollizione dell'acqua. Ambedue questi esperimenti sono descritti in dettaglio nel capitolo 3 del libro Introduzione alla Scienza Fisica (Introductory Physical Science) pubblicato in Italia da Zanichelli. Questo testo è una vera miniera di ottime idee sperimentali ma attualmente, purtroppo, è fuori commercio e deve essere richiesto direttamente alla casa editrice.

Per finire segnalo che osservazioni ed esperimenti su miscugli e soluzioni e sulla separazione delle sostanze si sono mostrati efficaci ad aiutare gli alunni a strutturare le loro idee sulle proprietà della materia. Su questo tema alcuni degli esperimenti che sono riportati nei capitoli 4 e 5 del testo citato Introduzione alla Scienza Fisica possono essere efficacemente adattati alla scuola media.