Tre 'mattine' all'Università
Con il Piano Nazionale per le Lauree Scientifiche l'attività tipo di “Tre 'mattine' all'Università” diventa il fulcro del progetto dei laboratori PLS. Attorno ad essa l'insegnante costruisce il percorso, inserito nella programmazione didattica, da svolgere anche con il resto della classe (vedi presentazione del progetto). I risultati ottenuti con il percorso svolto saranno inseriti nella piattaforma DI.FI.MA., utile strumento di collaborazione e scambio fra i docenti.
I destinatari del progetto sono studenti interessati alle materie scientifiche, che frequenteranno i laboratori universitari del corso di laurea in Fisica. La prosecuzione in classe di quanto fatto da alcuni studenti presso la nostra sede richiede una maggior conoscenza delle problematiche legate all'esperimento da parte dell'insegnante. Potrà quindi far parte del progetto la partecipazione dell'insegnante, assieme agli studenti, ad almeno una delle giornate per vedere di persona lo svolgimento dell'esperienza.
Altri metodi di collaborazione potranno essere studiati con i singoli docenti, per venire incontro, dove possibile, alle esigenze della scuola.
Edizione 2016-2017
→ Alcune ipotesi sui Laboratori (i contenuti sono indicativi e possono essere adattati; la pagina è in via di realizzazione)
- il filone 'classico', relativo ad esperienze piu' facilmente riproducibili in ambito scolastico e di cui sono dotati i laboratori di molte scuole
- il filone 'innovativo' con esperienze legate ad argomenti spesso solo parzialmente toccati in ambito scolastico e per le quali e' necessario un percorso complementare da parte dell'insegnante
Per tutte le esperienze per cui sia possibile realizzarlo, parte dell’acquisizione e dell’elaborazione dati coinvolgerà l’utilizzo di smart-phone combinato col software di videoanalisi Tracker.
- I Laboratori che si potrebbero attivare sono:
- Meccanica: accelerazione lineare ed accelerazione centripeta
- Meccanica: oscillazioni e moto armonico
- Fluididinamica: galleria del vento
- Il 'vuoto' ed i suoi effetti
- Acustica: velocita' del suono in aria e nei metalli
- Termodinamica: trasformazioni e leggi dei gas
- Termodinamica: il motore di Stirling
- Ottica e spettroscopia
- Elettronica digitale
- I raggi cosmici e la radiazione ionizzante
- Il fotovoltaico
La rotaia consente lo studio del moto rettilineo uniformemente accelerato, permettendo anche di evidenziare, attraverso la metodologia sperimentale, la differenza concettuale fra velocità media e velocità istantanea. Le misure poi permettono di approfondire il legame fra valori sperimentali e loro rappresentazione grafica, da cui poi passare alla ricerca delle relazione funzionale fra le diverse grandezze. Nel caso del braccio rotante l'azione della forza provoca un moto uniforme, in cui però l'accelerazione è evidenziata dalla traiettoria non rettilinea. In una parte introduttiva dell'esperienza si esamina il problema della taratura degli strumenti, permettendo quindi anche un eventuale cenno all'effetto di errori sistematici. Successivamente l'esperienza permette lo studio della relazione funzionale fra le grandezze che caratterizzano il fenomeno, fino all'individuazione della corretta espressione per la forza centripeta.
3. La galleria del vento (fluidodinamica)
Attraverso l'utilizzo di un piccolo canale del vento è possibile fare degli studi qualitativi sul moto laminare o turbolento del fluido 'aria'. Si possono poi fare degli studi quantitativi sull'interazione fra il fluido in moto ed un oggetto immerso in esso, verificando la dipendenza della forza di resistenza dalle caratteristiche dell'oggetto. Infine si può ricostruire la polare dell'ala, evidenziando la presenza sia della forza di resistenza sia della portanza.
4. Il 'vuoto' ed i suoi effetti
Il laboratorio sul ‘vuoto’ permette agli studenti di comprendere cosa s’intenda per vuoto e come questo possa essere realizzato. Inizialmente gli studenti prendono confidenza con la strumentazione (pompa e campana da vuoto) ed osservano alcuni esperimenti sugli effetti del vuoto. Poi studiano i passaggi di stato: ricavano i valori di pressione e temperatura a cui l’acqua bolle e ghiaccia. In particolar modo si concentrano sull’andamento della temperatura di ebollizione dell’acqua in funzione della pressione. Infine, gli studenti utilizzeranno il tubo di Newton per la misura del tempo di caduta dei gravi nel vuoto.
5. Acustica: velocita' del suono in aria e nei metalli
La velocita' dell'onda sonora nel vuoto viene misurata attraveso una strumentazione dotata di due microfoni posti a distanza variabile. Lo studio delle coppie di punti (distanza, tempo intercorso per percorerla) permette di arrivare a definire la velocita' di propagazione e di fare anche alcune considerazione sulla sensibilita' degli stumenti di misura utilizzati. Una diversa strumentazione permette poi di studiare il tempo di percorrenza della perturbazione all'interno di una barra di materiale e lunghezza noti, ricavando cosi' la velocita' del suono nel materiale. In ambedue i casi e' possibile riflettere sui metodi di analisi dati e di confronto fra risultato sperimentale e risultato atteso
6. Le trasformazioni e le leggi dei gas (termodinamica)
Attraverso l'uso del termometro a gas è possibile studiare la dipendenza fra le tre grandezze termodinamiche pressione, volume e temperatura, scoprendo come arrivare ad identificare la relazione che le lega (equazione di stato dei gas perfetti). Inoltre viene introdotta la temperatura assoluta e ne viene valutato il valore come estrapolazione dai dati sperimentali ricavati durante l'esperienza.
7. Il motore di Stirling (termodinamica)
Il motore di Stirling permette lo studio del funzionamento di una macchina termica che può lavorare a ciclo diretto (calcolo del rendimento) ed a ciclo inverso (macchina frigorifera o pompa di calore). L'esperienza permette di arrivare a calcolare il rendimento nel funzionamento come macchina termica e di avere informazioni sull'efficienza, quando si lavora a ciclo inverso. Il rendimento è misurato attraverso lo studio della potenza meccanica sviluppata, ma è bene che lo studente abbia un certo numero di nozioni sul comportamento di un gas perfetto, sulle variabili termodinamiche da utilizzare per descrivere i vari stati e sulle trasformazioni termodinamiche associate.
8. Ottica e spettroscopia
Nel laboratorio vengono esaminati alcuni semplici esperimenti di ottica geometrica e ondulatoria, a partire dai quali verranno ricavate, in modo qualitativo prima e quantitativo poi, le leggi dell’ottica. Lo scopo dell’esperienza è capire le basi sperimentali della descrizione “geometrica” e della descrizione “ondulatoria” dei fenomeni luminosi.
9. Elettronica digitale
A partire dal montaggio dei più semplici circuiti, guidato dal tutor e utilizzando lo schema circuitale, lo studente arriverà a montare circuiti leggermente più complessi e a posizionare correttamente gli strumenti di misura, al fine di testare e verificare le leggi proposte. Una volta consolidate le conoscenze nel campo dei circuiti base, si passerà ad utilizzare circuiti più complessi, utilizzando componenti elettronici fino a costruire un semplice contatore.
10. I raggi cosmici e la radiazione ionizzante
Le radiazioni “ionizzanti” sono quelle radiazioni di altissima energia che derivano da reazioni nucleari e che, nell’immaginario collettivo, vengono appunto associate all’energia e al “rischio” nucleare.
Scopo dell’esperimento è di prendere famigliarità con questo tipo di radiazioni, che sono comunque presenti nell’ambiente in cui viviamo perché fanno parte della radiazione ambientale “di fondo”, e misurarne le caratteristiche attraverso strumenti complessi, usati in esperimenti di fisica delle particelle (rivelatori a coincidenza). Si vuole infatti studiare la componente penetrante dei “raggi cosmici”, cioè di quella parte della radioattività ambientale che proviene dal cosmo.
11. Fotovoltaico
Scopo dell’esperienza è capire cosa sia l’effetto fotovoltaico e permettere agli studenti di avere un’idea dell’efficienza di una cella fotovoltaica. Dopo alcuni richiami su tensione, corrente ed energia elettrica, gli studenti costruiscono un circuito elettrico da cui ricavano l’andamento della corrente in funzione della tensione applicata al variare della resistenza inserita nel circuito. In seguito, per verificare la conversione da energia elettrica a energia luminosa, ripetono le misure con una lampadina inserita nel circuito e ne valutano la potenza istantanea e media; attraverso questa misura viene anche introdotto l’effetto Joule. Alla fine gli studenti inseriranno nel loro circuito una cella fotovoltaica e faranno una stima dell’efficienza del pannello.
| esperienza | Numero massimo di studenti per turno | |
| 1 | Meccanica: rotaia e braccio rotante |
6 |
| 2 | Meccanica: oscillazioni e moto armonico | 6 |
| 3 | Fluidodinamica: la galleria del vento | 6 |
| 4 | Il 'vuoto' ed i suoi effetti | 6 |
| 5 | Acustica: velocita' del suono | 6 |
| 6 | Termodinamica: trasformazioni e leggi dei gas | 6 |
| 7 | Termodinamica: il motore di Stirling |
6 |
| 8 | Ottica e spettroscopia | 6 |
| 9 | Elettronica digitale | 6 |
| 10 | Radiazioni ionizzanti e raggi cosmici | 6 |
| 11 | Fotovoltaico | 6 |
Le iscrizioni potranno avvenire a breve inviando la domanda di adesione e una descrizione del progetto attraverso il form attivato. Ilprogetto (max 25 righe) deve contenere una breve traccia del percorso che si intende fare con il resto della classe, con l'indicazione di massima delle ore che si prevede di dedicare ai vari passi e gli obiettivi che ci si propone di raggiungere. Questo permetterà poi la fase di verifica, necessaria per la richiesta dell'erogazione della seconda tranche del finanziamento ministeriale.
Possono partecipare al massimo 3 studenti della stessa classe e 6 studenti per Istituto, nel caso in cui sia stato presentato il progetto. In caso contrario, il numero di studenti sarà limitato a 2 per classe e 4 per Istituto. I posti che restassero eventualmente disponibili saranno naturalmente messi subito a disposizione degli insegnanti che non hanno presentato un progetto associato.
→ Altre attività
Successivamente il percorso potrà essere proseguito con alcune delle altre attività offerte che meglio si accordino con gli interessi di contenuto della classe (Master Class di particelle, Master Class di Astronomia-Astrofisica, Master Class del telescopio spaziale Fermi ...).
Maggiori informazioni verranno pubblicate sul sito via via che, anche con il contributo dei docenti della scuola superiore, si chiariranno meglio le possibilità di percorso offerte.
