Ospitata nelle sale del piano terra di Palazzo Corsini, la sezione archeologica è ordinata secondo criteri didattici ed illustra aspetti del popolamento e della storia degli insediamenti del territorio di Fucecchio e delle aree contigue attraverso materiali databili tra il Paleolitico inferiore e il XVIII secolo, raccolti nel corso di ricerche archeologiche di superficie e scavi. 

Dopo un'introduzione sull'aspetto del territorio e le faune marine e continentali plioceniche e villafranchiane, sono esposti i reperti paleolitici e mesolitici proveniente dalle Cerbaie. La presenza dei primi abitati stabili di agricoltori e allevatori del Neolitico e delle età dei metalli è poi documentata da ceramiche, industrie litiche e metalli, tra cui rivestono particolare interesse i materiali del villaggio dell'età del Bronzo (intorno al 1500 a.C.) di Stabbia. L'ampio arco cronologico corrispondente all'età etrusca e romana è purtroppo quello meno documentato. In età imperiale, oltre alle tracce di centuriazioni e di insediamenti rurali, alcuni dati epigrafici concentrati presso Ponte a Cappiano indicano l'esistenza di un centro abitato più consistente, tra cui l'epigrafe funeraria di Tiberius Iulius Ianuarius e un'ara votiva in marmo. 

Due sale sono dedicate alla signoria territoriale dei conti Cadolingi, alla fondazione del castello di Salamarzana, all’estinzione della famiglia e alla nascita del castello di Fucecchio.

La narrazione, oltre che a reperti originali, è affidata a immagini e video ricostruttivi di grande effetto che illustrano i vari aspetti di questo processo. Grazie alle tecniche di scansione e stampa 3D, sono raccolte per la prima volta da tutta la Toscana le epigrafi dei Cadolingi, mentre le tecniche di ricostruzione virtuale del paesaggio antico permettono di osservare le trasformazioni del paesaggio, dalla Salamarzana alla Fucecchio comunale, quella stessa che Leonardo raffigurò agli inizi del Cinquecento.

La sala successiva è dedicata alla produzione di ceramiche che, tra il 1500 e il 1800, costituì una delle più importanti attività economiche di Fucecchio, completamente scomparsa e ricostruita attraverso i ritrovamenti archeologici e le documentazioni d’archivio.

L’ultima sala illustra una storia archeologica dell’Arno, dall’età etrusca al Medioevo. Il ruolo di via di commercio del Valdarno è illustrato dagli esemplari di anfore da trasporto, di varia provenienza e contenuto, testimoniate lungo il fiume che permettono di seguire l’evoluzione dei rapporti commerciali tra l’Arno e il Mediterraneo per oltre un millennio. Vi sono anche esposti gli oggetti di bordo del relitto di Empoli, che illustra l’attività mercantile lungo il fiume in età medievale, e il grande ingranaggio di mulino in quercia con la ricostruzione plastica e virtuale del funzionamento del meccanismo.

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