ESPLORARE LA SUPERCONDUTTIVITÀ. SCHEDE STUDENTE 1-6 E PROBLEM SOLVING

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1 ESPLORARE LA SUPERCONDUTTIVITÀ. SCHEDE STUDENTE 1-6 E PROBLEM SOLVING Marisa Michelini e Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, dell Università di Udine Introduzione Come già indicato in altra sede, l esperienza ed un ampia letteratura ci insegnano che la coerenza di un percorso didattico e del filo dei ragionamenti nell attività in classe si ottengono utilizzando strumenti di lavoro Schede Stimolo (SS) (Martongelli et al 2001) che pongano i problemi da esplorare e documentino i ragionamenti del razionale proposto. Esse permettono di monitorare gli apprendimenti ed indentificare i nodi da affrontare, oltre che le competenze acquisite. Per gli insegnanti sono uno strumento di progettazione e riflessione sui processi di apprendimento dei ragazzi. Nella nostra esperienza di ricerca sono uno strumento di lavoro ed anche formativo e di raccolta dati, capace di trasformare l attività didattica in attività di ricerca azione per gli insegnanti. Le schede didattiche di seguito presentate sono state sviluppate per la seconda Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna nell ambito della ricerca di dottorato di una delle autrici (R. Viola) in sinergia con il progetto europeo del programma LLP-LdV sull introduzione della superconduttività Mosem 1. Sono proposte come schede stimolo (SS) (Aiello et al 1997; Marucci et al 2001; Martongelli et al 2001; Michelini 2006), basate sull Inquiry Based Learning (IBL) (McDermott et al 1998; Thornton, Sokoloff 1999; Abd-El-Khalick F et al. 2004), con strategia SPPEA: - Situazione Il nodo concettuale che si vuole affrontare nella scheda viene proposto come problema, sfida interpretativa in uno specifico contesto o situazione/problema. - Previsione Agli studenti viene richiesta la previsione sull esito atteso in merito alla situazione/ problema proposta - Progettazione L esplorazione sperimentale attraverso cui mettere alla prova la previsione viene progettata dai ragazzi sia per quello che riguarda le prove da effettuare, le grandezze da guardare e/o da controllare, le modalità con cui si controllano gli esiti ottenuti - Esperimento La messa in atto della esplorazione progettata viene condotta dagli studenti raccogliendone gli esiti - Analisi L esito della esplorazione viene discusso e confrontato con le previsioni per definire il risultato concettuale raggiunto e aprire nuovi interrogativi da esplorare. Ciascuna scheda mira a uno specifico obiettivo concettuale, ponendo domande aperte che abbinano la richiesta di rappresentazione e spiegazione dei processi che possono rendere conto dei fenomeni osservati. Sono formulate in modo tale che, oltre che costituire una traccia di lavoro stimolante e coinvolgente, consentono anche di raccogliere una ricca informazione sui modi in cui gli studenti progrediscono nei personali percorsi di apprendimento. Le schede tracciano un percorso di esplorazione aperto a partire da fenomenologie con cui gli studenti hanno confidenza, come quella della semplice interazione tra magneti ovvero della esplorazione dello spazio intorno a un magnete con una bussola, a quella meno frequentata dell induzione elettromagnetica, a quella decisamente nuova della superconduttività, particolarmente stimolante sui diversi piano della fenomenologico, delle applicazioni, dei concetti. La prima propone l esplorazione dell interazione tra magneti e dello spazio intorno ad essi con una bussola per costruire gli strumenti concettuali per la successiva analisi: la rappresentazione vettoriale del dipolo magnetico di un magnete e la descrizione tramite linee di campo dei campi (1) Progetto MOSEM (Minds-On experimental equipment kits in Superconductivity and ElectroMagnetism for the continuing vocational training of upper secondary school physics teachers) - LLP-LdV-TOI-2007-NO/ , finanziato con supporto della Commissione European el Programma Lifelong Learning.

2 280 Capitolo 5. Schede per una didattica esplorativa magnetici generati da singole sorgenti, ovvero di sovrapposizione di campi generati da più sorgenti. La seconda scheda affronta il nodo della diversa magnetizzazione acquisita dai sistemi (diamagnetici, paramagnetici, ferromagnetici) in presenza di un campo magnetico esterno, attraverso l interazione di un potente magnete con frammenti di grafite pirolitica, boccette, fissate a un giogo in sospensione e libero di ruotare, contenti acqua, cristalli di solfato di rame, cristalli di solfato di zinco, limatura di alluminio. La terza scheda propone la prima esplorazione dell interazione tra un magnete e un disco di YBCO raffreddato alla temperatura dell azoto liquido come prima evidenza sperimentale dell effetto Meissner. Il ruolo dell induzione elettromagnetica nella levitazione viene proposto come problem solving aperto nella quarta scheda. Nella quinta scheda viene affrontata la levitazione magnetica causata da un forte pinning, mentre nella sesta scheda si esplora la levitazione di un modellino di treno MAGLEV. Bibliografia Aiello ML et al. (1997) Teaching mechanical oscillations using an integrate curriculum, IJRSE 19, 8, p Engstrom V., Karwasz G., Michelini M., Viola R. (2009a) I materiali del Progetto europeo MOSEM, La Fisica nella Scuola, XLII, 3 Supplemento, pp Engstrom V., Karwasz G., Michelini M., Peeters W., Viola R. (2009b) Il Progetto Europeo MOSEM su elettromagnetismo e superconduttività: strategie per il coinvolgimento attivo dei ragazzi e risorse in rete telematica, La Fisica nella Scuola, XLII, 3 Supplemento, pp Lawson P. (2008), LivePhoto physics, in Physics Curriculum Design, C. P. Constantinou ed., Girep- Cyprus 2008, Nicosia: University of Nycosia-Girep. Martongelli R, Michelini M, Santi S, Stefanel A (2001) Educational proposals using new technologies and telematic net for physics, in Pinto R, Santiago S eds, PhyTEB 2000, Girep -Elsevier, Paris, Marucci G, Michelini M, Santi L (2001), The Italian Pilot Project LabTec of the Ministry of Education, in Pinto R, Santiago S eds, PhyTEB 2000, Girep book- Elsevier, Paris, McDermott L. C., Shaffer P. A., the Physics Education Research Group (1998) Tutorials in Introductory Physics, Upper Saddle River: Prentice Hall. McDermott L. C., Shafferm P. S., Constantinou C. P. (2000) Preparing teachers to teach physics and physical science by inquiry, Physics Education 35 (6), pp Michelini M (2006) 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., Ljubijana, p Thornton RK, Sokoloff DR, 1999, Learning motion concepts using real-time microcomputer-based laboratory tools, Am. J. Phys. 58 (9), p

3 INTERAZIONE TRA DIPOLI 1.1. Progetta come esplorare l interazione tra due magneti come quelli che hai a disposizione: Azione Obiettivi 1.2. Prova. Discuti la fenomenologia osservata 1.3. Appoggia un magnete sul tavolo. Avvicina ad uno dei suoi poli l altro magnete in modo da affacciare prima uno poi l altro polo. Descrivi i comportamenti che osservi Il dipolo presente in ciascun magnete può essere rappresentato come in (1) o con un vettore, per convenzione dal N al S come in (2): (1) (2) 1.4. Utilizzando la rappresentazione vettoriale schematizza tutte le situazioni che hai provato e i corrispondenti effetti: Situazione Effetti

4 Esaminando l interazione a distanza che sperimenti con diversi esploratori nello spazio circostante il magnete si individuano le linee di campo: Facendo l ipotesi che gli oggetti rappresentativi siano dei vettori, allora vale il principio di sovrapposizione locale produce una linea globale, che risulta tangente ai singoli vettori in ogni punto nel piano dello spazio di osservazione. Come risulterebbe la configurazione delle linee di campo nei due casi a) poli omologhi affacciati b) poli diversi affacciati Fai un disegno qui sotto e riporta l effetto conseguente: a) b) 1.7. Riepiloga le tue considerazioni nella tabella seguente: Situazione Fenomeno Come posso descriverlo in termini di vettori di dipolo A cosa corrisponde in termini di linee di campo Poli omologhi affacciati Poli opposti affacciati

5 La configurazione delle linee di campo ti permette di prevedere l effetto sui dipoli? Spiega: 1.9. È possibile mantenere in sospensione due magneti uno sull altro affacciando poli omologhi? Prova. Scrivi i risultati: Come spieghi i risultati ottenuti? Vincola i magneti infilandoli in un tubicino di plexiglas in modo che affaccino poli omologhi. Disegna e descrivi ciò che osservi nella tabella seguente: Situazione Fenomeno Come posso descriverlo in termini di vettori di dipolo A cosa corrisponde in termini di linee di campo Magneti vincolati: sospensione magnetica

6 INTERAZIONI DI UN MAGNETE CON OGGETTI DI DIVERSO MATERIALE: FERRO-PARA-DIAMAGNETISMO 2.1. Fase esplorativa: esploriamo l interazione tra un magnete e oggetti di diverso materiale avvicinando il magnete a: a) una graffetta o una sferetta: ferromagnetismo b) 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 c) sottile mina di grafite pirolitica: diamagnetismo 2.1. Disegna e scrivi le tue considerazioni nella tabella seguente: Situazione Rappresentazione in termini di vettori di dipolo Rappresentazione in termini di linee di campo Come lo spiego a b c 2.2. Le situazioni a), b) e c) in cosa sono uguali e in cosa diverse dalle situazioni precedentemente considerate? Lo stato di dipolo dei sistemi considerati è temporaneo o permanente? 2.3. La configurazione delle linee di campo permette di predire gli effetti ovvero la fenomenologia che si osserva?

7 Hai a disposizione una sottile sfoglia di grafite pirolitica e un magnete: secondo te, è possibile sospendere la grafite sul magnete? Giustifica la tua risposta: 2.5. Prova. Illustra i risultati 2.6. Cosa puoi concludere? 2.7. Hai a disposizione un campione di supercoduttore YBCO (YBa2Cu3O7). Hai il compito di classificarlo. Fai una proposta operativa 2.8. Prova 2.9. Che tipo di materiale è? Osservazioni

8 LE LINEE DI CAMPO Ora guardiamo gli stessi fenomeni dal punto di vista dei campi e dei loro descrittori, le linee di orientazione Disegna qui sotto un campo magnetico, per semplicità costante ed uniforme: 3.2. Immagina di immergere in detto campo un oggetto. Secondo te, la presenza di un materiale può modificare il campo magnetico risultante? In che modo e perché? Spiega, aiutandoti anche con un disegno mediante la rappresentazione a linee: Consideriamo un oggetto che viene immerso in un campo magnetico. Tenendo conto della rappresentazione per linee di campo, di quelle per vettori di dipoli e del comportamento osservato nella esplorazione sperimentale, prova a giustificare il comportamento osservato nel caso dei a) ferromagnetici b) paramagnetici c) diamagnetici

9 Disegna le linee di campo del sistema 3.5. Esploriamo il suo comportamento all abbassarsi della temperatura. Versa dell azoto liquido sul sistema YBCO-magnete e aspetta che la temperatura si abbassi. Descrivi cosa osservi 3.6. Come te lo spieghi? Fai delle ipotesi e prova a spiegare cosa è cambiato anche aiutandoti con un disegno 3.7. Secondo te, l YBCO ha cambiato le sue proprietà? 3.8. Come?

10 Disegna nuovamente qui sotto i due oggetti e il campo magnetico risultante, dopo la transizione: Questo è chiamato Effetto Meissner Cosa puoi concludere? L YBCO è un materiale che, al di sotto di una certa temperatura, detta temperatura critica, acquista delle particolari proprietà elettriche (resistività nulla Laboratorio a rotazione T4) e magnetiche (diamagnetismo perfetto), per le quali viene detto superconduttore Confronta ciò che hai osservato in questo esperimento e negli altri riguardanti materiali diamagnetici (grafite pirolitica): è lo stesso tipo di comportamento? Cosa c è di uguale e cosa di diverso? Disegna qui sotto la descrizione in termini di dipoli per ciascuno dei casi: 1) due magneti 2) magnete e grafite pirolitica 3) superconduttore e magnete 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. Verifica questa ipotesi: prova a spostare leggermente il magnete. Cosa noti? Resta in equilibrio?

11 Tra il superconduttore e il magnete si è instaurato un vincolo: questo è il cosiddetto effetto pining. Fai un modello, utilizza una rappresentazione e spiega: 4. IL CONTRIBUTO DELLA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ 4.1. Discutiamo insieme. Secondo te, qual è il modello interpretativo corretto? O meglio, essendo sostenibili entrambi, quale scegli? Argomenta:

12 GLI EFFETTI DI UN FORTE PINNING 5.1. Hai a disposizione un altro campione di YBCO, con differente qualità dei cristalli però, azoto liquido e un magnete. Hai il compito di classificarlo. Poggia il magnete sul campione a temperatura ambiente. Che tipo di materiale è? 5.2. Disegna qui sotto il campo magnetico del sistema: 5.3. Versa dell azoto liquido sul sistema YBCO-magnete e aspetta che la temperatura si abbassi. Descrivi cosa osservi 5.4. Prova ad allontanare il magnete. Ci riesci? Sì No Perché, secondo te? Prova a dare una spiegazione 5.5. Tra il superconduttore e il magnete si è instaurato il vincolo dell Effetto pinning, questa volta molto più forte rispetto al precedente. In questo esperimento c è stato effetto Meissner secondo te? Spiega:

13 Disegna il campo dopo la transizione L effetto pinning ha mascherato la repulsione dovuta all effetto Meissner Ora, a temperatura ambiente, poggia il magnete sullo stesso campione con interposto un separatore. Disegna qui sotto il campo magnetico: 5.8. Raffredda versando azoto liquido, aspetta la fine dell ebollizione. Cosa ti aspetti succeda se rimuovi il separatore? Spiega 5.9. Rimuovi il separatore. Cosa osservi? Prova ad allontanare il magnete. Ci riesci? Sì No Perché, secondo te? Prova a dare una spiegazione

14 Disegna il campo dopo la transizione Riepiloga i risultati ottenuti nella tabella seguente (anche con disegni): Caso Linee di campo prima della transizione Fenomeni osservati dopo la transizione Rappresentazione in termini di vettori di dipolo Rappresentazione in termini di linee di campo Descrizione in termini di variazione di usso

15 LA STABILITÀ DELLA LEVITAZIONE 6.1. Hai a disposizione una sottile sfoglia di grafite pirolitica e 4 magneti (a forma di parallelepipedo). Come puoi ottenere la sospensione della grafite sui magneti? Fai una proposta operativa: 6.2. Disegna qui tutte le possibilità di costruire un quadrupolo magnetico (disegnandoli così come suggerito in figura) e le relative configurazioni di linee di campo: 6.3. Con quale configurazione secondo te si avrà sospensione della grafite pirolitica sul quadrupolo? Perché? Spiega 6.4. Prova. Scrivi i risultati

16 Un campione di superconduttore del II tipo con forte pinning viene poggiato (con uno spaziatore) su: 1) un magnete 2) un quadrupolo; Raffreddiamo con azoto liquido. Riassumi le tue osservazioni e considerazioni completando la tabella dei risultati caso Linee di campo prima della transizione Fenomeni osservati dopo la transizione Rappresentazione in termini di vettori di dipolo Rappresentazione in termini di linee di campo Stabilità della levitazione Descrizione in termini di variazione di usso 1) 2) 6.6. Fai un confronto tra le due situazioni ed esprimi le tue considerazioni in merito alla stabilità in ciascuno dei due casi: in quale caso hai maggiore stabilità? Perché? Aiutati anche con disegni.

17 295 Problem Solving di Superconduttività data Scuola classe Gruppo (cognomi e nomi degli studenti) IL TRENO MAGLEV A LEVITAZIONE MAGNETICA 1) Descrivete il treno 2) Descrivete il suo funzionamento 3) Come spiegate il suo funzionamento?

18 Università degli Studi di Udine Dipartimento di Fisica M.I.U.R. Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca PLS Progetto Lauree Scientifiche Progetto IDIFO Proposte didattiche sulla fisica moderna Materiali per studenti Il Progetto IDIFO del Progetto Lauree Scientifiche ha realizzato dal 2006 al 2009, oltre ad un Master biennale per insegnanti in rete telematica, tre Workshop per insegnanti e studenti, Laboratori didattici e sperimentali per studenti, la Prima Scuola Estiva nazionale di Fisica Moderna per studenti (estate 2007). Quest ultima è stata gestita dall Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università degli Studi di Udine e ripetuta nell estate È stata l occasione per preparare materiali per studenti, che mettano a frutto i risultati della ricerca in didattica della fisica per l apprendimento dei concetti più importanti della fisica dell ultimo secolo. Questo volume raccoglie i contributi più significativi alle attività per studenti della scuola estiva, in forma adatta ad essere utilizzati in attività scolastiche o direttamente dai ragazzi in autonomia. Curatore Marisa Michelini, Università degli Studi di Udine Comitato scientifico Compagno Cristiana, Rettore dell Università degli Studi di Udine Colombo Mario, Università degli Studi di Udine Corni Federico, Università degli Studi di Bolzano e Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corvaja Pietro, Direttore del Dottorato di Ricerca in matematica e fisica, Università degli Studi di Udine Fabbro Franco, Preside della Facoltà di Scienze della Formazione, Università degli Studi di Udine Ferraro Speranzina, Direzione Generale dello Studente, MIUR Gervasio Mario, Università degli Studi di Udine Honsell Furio, Sindaco di Udine Marcolini Lorenzo, Segretario Sezione AIF di Udine Michelini Marisa, Università degli Studi di Udine Michelutti Gian Luigi, Università degli Studi di Udine Mossenta Alessandra, Università degli Studi di Udine Pastore Giorgio, Università degli Studi di Trieste Peressi Maria, Università degli Studi di Trieste Piccinini Livio Clemente, Direttore della Scuola Superiore, Università degli Studi di Udine Rocca Filomena, Direzione Generale degli Ordinamenti Scolastici, MIUR Santi Lorenzo, Università degli Studi di Udine Sciarratta Isidoro, Segretario Sezione AIF di Pordenone Stefanel Alberto, Università degli Studi di Udine Tarantino Giovanni, ANSAS Palermo Tasso Carlo, Preside della Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali, Università degli Studi di Udine Toppano Elio, Responsabile PLS Matematica, Università degli Studi di Udine Vercellati Stefano, Università degli Studi di Udine Viola Rossana, Università degli Studi di Udine Segreteria redazionale Cristina Cassan Donatella Ceccolin Chiara Geretti IIª Edizione dicembre 2010 IIª Edizione luglio 2011 Copyright Università degli Studi di Udine ISBN