Un percorso Hands-On sulla superconduttività con gli studenti della Scuola estiva di Fisica moderna a Udine

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1 Un percorso Hands-On sulla superconduttività con gli studenti della Scuola estiva di Fisica moderna a Udine Marisa Michelini e Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine Introduzione Nel contesto di una ricerca per un percorso di insegnamento/apprendimento in prospettiva verticale, in accordo con il modello MRE (Duit R., 2006), è stato condotto uno studio specifico su alcuni nodi legati alla levitazione magnetica effetto Meissner ed effetto pinning rivolto a studenti di classi IV e V di Scuola Secondarie Superiori. Il contesto è stato quello della Scuola estiva di Fisica Moderna, organizzata dal Dipartimento di Fisica dell Università degli Studi di Udine nell ambito del progetto Lauree Scientifiche Innovazione didattica in Fisica e Orientamento (IDIFO2) e che si è svolta dal 27 al 31 Luglio 2009, a cui hanno partecipato 42 studenti selezionati in base a criteri di merito legati al curriculum scolastico. È stato messo in campo un percorso di apprendimento basato sull attività sperimentale, in cui situazioni problematiche hands-on sono offerte con l approccio dei laboratori concettuali CLOE (Michelini, 2005), usando schede-stimolo (Martongelli, 2001; Michelini, 2003) ed una strategia basata su cicli SPPEA (Situation, Prevision, Planning, Experiment, Analysis). In questo lavoro viene presentato in dettaglio tale percorso, attraverso la sequenza degli esperimenti su cui si basa. Il razionale viene illustrato attraverso le domande di ricerca dettagliatamente poste nello studio dei processi di apprendimento: per ogni situazione (Sx) sono indicate le domande di ricerca (Ry). La fenomenologia e i problemi di ricerca In Tabella 1 le domande di ricerca (RQ) sono suddivise in relazione alle principali situazioni proposte (S) nel percorso e alle specifiche domande poste agli studenti nelle schede. Tabella 1. Le situazioni e le relative domande di ricerca del percorso Situazione (S) Domande di ricerca (RQ) 1. INTERAZIONI TRA DIPOLI S1. Avvicinare un magnete ad un altro magnete: 1- Le proposte di pianificazione di interazione tra due dipoli esperimenti sono basate su ipotesi S2. Rappresentazioni del dipolo presente in ciascun magnete: Utilizzando la rappresentazione vettoriale schematizzazione di tutte le situazioni provate e dei corrispondenti effetti. esplicite/implicite? 2- vengono riconosciuti i diversi tipi di interazione tra due magneti a seconda dei poli affacciati? (attrazione o rotazione + attrazione) 3- viene utilizzata una descrizione in termini di dipolo? S3. Esaminando l interazione a distanza che si sperimenta con diversi esploratori nello spazio circostante il magnete si individuano le linee di campo 4- Viene riconosciuto che le linee di campo sono chiuse? 1

2 S4. Configurazione delle linee di campo nei due casi poli omologhi affacciati poli diversi affacciati Rappresentazione, per ognuna delle due situazioni, in termini di vettori di dipolo e di linee di campo. S5. Analisi della possibilità di sospendere un magnete sull altro Rappresentazione in termini di vettori di dipolo e di linee di campo. 5- Does the idea of superposition of field emerge? 6- Do students describe lines and/or compare them in the various situations? Viene riconosciuto che la configurazione delle linee di campo permette una previsione sul tipo di interazione tra i dipoli? 7- viene riconosciuta l impossibilità di sospendere un magnete sull altro a meno di introdurre un vincolo? 8- gli studenti si mantengono su un piano descrittivo o raggiungono un livello anche interpretativo? 9- viene usata una descrizione in termini di dipoli? 10- vengono usate le linee di campo magnetico per spiegare la fenomenologia? 2. INTERAZIONI DI UN MAGNETE CON OGGETTI DI DIVERSO MATERIALE: FERRO PARA DIA MAGNETISMO S6. Interazione tra un magnete e oggetti di diverso materiale avvicinando il magnete a: S6.1. una graffetta o una sferetta: ferromagnetismo S6.2. una bilancia di torsione con [solfato di rame e acqua ] o [polvere di alluminio e acqua] o [solfato di rame e olio]: para e diamagnetismo S6.3. sottile mina di grafite pirolitica: diamagnetismo Rappresentazione, per ognuna delle tre situazioni, in termini di vettori di dipolo e di linee di campo. S7. Analisi della possibilità di sospendere una sottile sfoglia di grafite pirolitica su un magnete S8. Esplorazione dell interazione tra un magnete e un campione di YBCO (YBa2Cu3O7 - superconduttore del II tipo con debole pinning) per determinare il tipo di materiale. 3. LE LINEE DI CAMPO S9. Analisi delle linee di campo all interno e fuori dai materiali: S9.1. Analisi della possibilità che la presenza di un materiale in un campo magnetico costante ed uniforme possa modificare il campo magnetico 11- viene utilizzata la descrizione in termini di dipoli e di linee di campo per rappresentare le situazioni esaminate? 12- gli studenti si mantengono su un piano descrittivo o raggiungono un livello anche interpretativo? Quali modelli interpretativi emergono per la fenomenologia osservata? 13- Vengono riconosciute le analogie e le differenze tra le varie situazioni? 14- viene riconosciuto che gli oggetti presi in considerazione si comportano come dei dipoli, indotti dal campo magnetico esterno? 15- L esplorazione viene fatta avvicinando uno solo o entrambi i poli del magnete? 16- vengono individuate analogie e differenze col caso della sospensione di un magnete sull altro? 17- viene riconosciuta la necessità di un vincolo per avere sospensione? 18- Le proposte di pianificazione di esperimenti sono basate su ipotesi esplicite/implicite? 19- Viene tenuto conto del principio di sovrapposizione di campi? Sia dentro che fuori il materiale? 20- viene data una descrizione/interpretazione in termini di dipoli e/o di linee di campo? 2

3 risultante S9.2. Analisi di come si modifica il campo magnetico risultante se un materiale ferromagnetico, paramagnetico, diamagnetico viene immerso in un campo magnetico uniforme, tenendo conto della rappresentazione per linee di campo, di quelle per vettori di dipolo e del comportamento osservato nella esplorazione sperimentale. S9.3. Configurazione delle linee di campo del sistema magnete + YBCO (a T ambiente) S10. Esplorazione del comportamento del sistema magnete + YBCO (superconduttore del II tipo con debole pinning) all abbassarsi della temperatura (raffreddando con azoto liquido): effetto Meissner ed effetto pinning S11. Confronto e descrizione in termini di dipoli per ciascuno dei casi: 1) due magneti 2) magnete e grafite pirolitica 3) superconduttore e magnete 21- viene riconosciuto che è avvenuta una transizione? Le descrizioni sono in termini di processo? 22- gli studenti si mantengono su un piano descrittivo o passano ad un piano interpretativo? 23- viene utilizzata una descrizione in termini di linee di campo? 24- viene utilizzata una descrizione in termini di dipolo? 25- Quali modelli interpretativi emergono per spiegare l effetto pinning? Mentre nel caso della grafite pirolitica il diamagnetismo evidenzia come si realizza una sospensione non di equilibrio della grafite pirolitica, il superconduttore sembra essere in equilibrio. L effetto pinning. 4. IL CONTRIBUTO DELLA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ S12. Un magnete in levitazione su un 26- I fenomeni osservati vengono interpretati superconduttore YBCO (del II tipo con debole pinning) - il contributo della legge di Faraday- Neumann-Lenz in alcuni fenomeni connessi alla in termini di variazione di flusso di campo magnetico utilizzando la legge di Faraday? In che modo? levitazione magnetica: S12.1. il magnete resta in levitazione e non cade sul superconduttore 3

4 S12.2. per il magnete in levitazione esiste un unico asse di rotazione permesso, l asse N-S magnetico del magnete S12.3. il magnete resta in levitazione con una qualunque orientazione del suo asse magnetico e, nonostante sia presente solo l attrito con l aria, non si orienta secondo la direzione dell asse magnetico terrestre 5. GLI EFFETTI DI UN FORTE PINNING S13. Esplorazione dell interazione tra un magnete e un campione di YBCO (YBa2Cu3O7 - superconduttore del II tipo con forte pinning) per determinare il tipo di materiale. Le linee di campo del sistema magnete + YBCO (a T ambiente) S14. [Raffreddamento con campo magnetico] Esplorazione del comportamento del sistema magnete + YBCO (superconduttore del II tipo con forte pinning) all abbassarsi della temperatura nei due casi: S14.1. magnete poggiato sul campione di YBCO 27- viene riconosciuto l insorgere di un legame tra magnete e superconduttore dello stesso tipo del caso precedente? 28- Quali modelli interpretativi emergono per giustificare la differenza di intensità di tale legame rispetto al caso precedente? S14.2. con uno spaziatore interposto Configurazione delle linee di campo dei sistemi dopo la transizione. Descrizione e confronto delle situazioni S 10, S14.1. e S14.2. prima e dopo la transizione, in termini di vettori di dipolo, di linee di campo e di variazione di flusso. S15. [Raffreddamento in assenza di campo magnetico] Raffreddare il campione di YBCO e poi provare ad avvicinare il magnete. 6. LA STABILITÀ DELLA LEVITAZIONE S16. Una sottile sfoglia di grafite pirolitica e 4 magneti (a forma di parallelepipedo): possibilità di ottenere la levitazione della grafite sui magneti 29- Quale modello interpretativo viene utilizzato per spiegare i comportamenti osservati? 30- Le proposte di pianificazione di esperimenti sono basate su ipotesi esplicite/implicite? N S S N S17. Un campione di superconduttore del II tipo 31- Per ciascuno dei casi 1) e 2) viene data 4

5 con forte pinning poggiato (con uno spaziatore) su : 1) un magnete 2) un quadrupolo Il sistema viene raffreddato. Esplorazione del comportamento e della stabilità nelle due situazioni. Descrizione e confronto delle due situazioni, prima e dopo la transizione, in termini di vettori di dipolo, di linee di campo e di variazione di flusso. 7. IL TRENO MAGLEV A LEVITAZIONE MAGNETICA S18. Problem solving. Prototipo di treno a levitazione magnetica. Si chiede di: 1) Descrivere il treno 2) Descrivere il suo funzionamento 3) Spiegare il suo funzionamento una descrizione/interpretazione in termini di dipoli, di linee di campo, di variazione di flusso? 32- Quali modelli interpretativi emergono per dar conto della differenza di stabilità della levitazione nelle due situazioni? 33- Quali elementi descrittivi del sistema e del suo funzionamento emergono come importanti dalle descrizioni date dagli studenti? 34- Quali modelli interpretativi vengono utilizzati per spiegare il funzionamento del treno maglev? Considerazioni conclusive La proposta presentata è stata illustrata attraverso le domande di ricerca dettagliatamente poste nello studio dei processi di apprendimento: per ogni situazione (Sx) si sono indicate le domande di ricerca (Ry). L articolare in domande di ricerca ogni passo del percorso è molto utile anche ai fini dell insegnante interessato a conoscere i tipi di ragionamento e le organizzazioni concettuali dei ragazzi. L analisi dei dati in corso si basa sulla classificazione delle risposte alle domande di ricerca, in modo da sottolineare lo sviluppo concettuale associato. Il percorso è stato già sperimentato con studenti di classi quarte e quinte di Liceo Scientifico. Per l analisi dei dati è stata fatta una classificazione delle risposte in classi definite a priori dalle domande di ricerca. Il percorso di domande di ricerca costituisce un utile guida anche per l insegnante che voglia progettare un analisi dei ragionamenti dei ragazzi secondo un quadro di riferimento coerente, seguendo percorsi organici. Bibliografia Bagno, E. and Eylon, B. S., Am. J. Phys. 65 (8) (1997). Bradamante, F., Michelini, M., Childrens ideas about gravitation: investigating a model of gravitationalfield, in Teaching and learningphysics in new contexs, Girep book of selected papers, Ostrava Czech Republic, 2004, p.l [ISBN ] Bradamante, F., Fedele, B., Michelini, M., (2005), Children s spontaneous ideas of magnetic and gravitational fields, ESERA, selected paper, Cresils, Barcellona [ISBN: 689-i ] Borges, A. T. and Gilbert, J. K., Int. Journal of Sci. Ed. 20 (3) (1998). Duit, R., ESERA Summer School, Braga, 2006, at Faraday, M., Experimental Researches in Electricity, London: Taylor and Francis (1955), Vol I, II, III. Fedele, B., Michelini, M., Stefanel, A. (2005) A. Five-ten years old pupils explore magnetic phenomena in Cognitive Laboratory (CLOE), ESERA, selected paper, Cresils, Barcellona [ISBN: ] Galili, I. and Kaplan, D., Am. J. Phys. 65 (7) (1997). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Science Education, 8 (3) (2004). 5

6 Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Students ideas about source of magnetic field, II int. Esera Conf., pp (1999). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Enseñanza de las Ciencias, 21 (2) (2003). Maloney, D. P., O Kuma, T. L., Hieggelke, C.J. and Van Heuvelen, A., Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7), pp S12-S23(2001). Michelini M, The Learning Challenge: A Bridge Between Everyday Experience And Scientfìc Knowledge, in Informai Learning And Public Understanding Of Physics, G Planinsic and A Mohoric eds., Girep book of selected contributions, Ljubijana (SLO), 2006, p [ISBN ] Peters, P. C., Am. J. Phys. 52(3) (1984). Rainson, S. and Viennot, L., Int. J. Sci. Educ. 14(4), (1992). Salverberg, E. R., De Jong, T., Ferguson-Hassler, M. G., Am. J. Phys. 39 (10) (2002). Tornkwist, S., Pettersson, K. A. and Transtromer, G., Am. J. Phys. 61(4) (1993). Thong, W. M. and Gunstone, R., Res. Sci. Educ. 38, (2008). Michelini M, Viola R, A proposal for a curricular path about electromagnetic induction, Girep book