Università degli Studi di Salerno Dipartimento di Fisica. TESI DI DOTTORATO DI RICERCA In Didattica della Fisica

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1 Univesità degli Studi di Saleno Dipatimento di Fisica TESI DI DOTTORATO DI RICERCA In Didattica della Fisica Pogettazione e speimentazione di un pecoso didattico speimentale in supeconduttività RelatoePof. Albeto Stefanel Tesi di Antonio Vanacoe Ciclo XII Dottoato di iceca Anno Accademico

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3 A chi va d'accodo con la povetà è icco.

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5 Abstact Vengono pesentate e discusse le fasi di pogettazione, ealizzazione e valutazione di efficacia di un pecoso didattico di insegnamento/appendimento incentato sui mateiali supeconduttoi patendo dalle loo popietà magnetiche. Sono state effettuate speimentazioni di metodologie e ealizzati mateiali didattici innovativi volti a favoie l appendimento degli studenti con l ausilio di attività laboatoi ali svolte pesso la Scuola Estiva di Eccellenza di Fisica Modena SEEFM. Paole chiave Didattica della fisica, elettomagnetismo, pogettazione didattica, appendimento concettuale.

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9 INDICE Capitolo 1 Intoduzione Capitolo La Riceca didattica.1 Intoduzione. Ricostuzione concettuale a scopo didattico..1 Il contibuto di David Hamme..Il contibuto di Claudia Von Aufschnaite Capitolo 3L Insegnamento Scientifico nei cuicola Euopei e L insegnamento della Supeconduttività nella Scuola Supeioe 3.1. Insegnamento Scientifico a Scuola in Euopa Conoscenza ed abilità geneali ichieste pe l insegnamento 3.1. Conoscenza e abilità ichieste pe la scienza Conoscenza scientifica ed abilità Istuttoi in istituzioni pe la fomazione pimaia dell insegnante Espeienza pofessionale Le ifome iguadano anche la metodologia Le iceche sull insegnamento scientifico 3. La supeconduttività nella scuola secondaia 3..1 I Pogetti della famiglia Supecomet 3.. Il pogetto Supecomet 3..3 I pogetti Mosem Capitolo4. Supeconduttività: stoia, espeimenti, modelli pe una icostuzione didattica dei contenuti 4.1 Intoduzione 4. Le pincipali tappe stoiche della supeconduttività 4.3 Le popietà fondamentali dei supeconduttoi 4.4 Teoia BCS e coppie di Coope Capitolo 5 Espeimenti significativi pe la scuola 5.1 Intoduzione 5. Effetto Meissne puo 5.3 Confonto ta effetto Meissne e pinning 5.4 Levitazione invesa o ovesciata 5.5 Leaking beake: il ecipiente che pede 5.6 Dimostazione dell'esistenza delle coenti pesistenti in un disco supeconduttivo 5.7 Misua dell'autoinduttanza di un campione di gadolinio effettuata a divese tempeatue 5.8 Misua della foza d'inteazione ta un supeconduttoe ad alta tempeatua citica (HTSC) ed un magnete pemanente posto a divese altezze 5.9 Dimostazione delle caatteistiche essenziali di un teno supeconduttivo 5.10 Misua della esistività di un campione di YBCO in funzione della tempeatua Capitolo 6 La poposta didattica pe la scuola secondaia 6.1 Intoduzione 6. Motivazioni pe l inseimento delle Supeconduttività nella scuola secondaia supeioe 6.3 Il contesto della iceca condotta nella pesente tesi 6.4 Stuttua, impostazione e stategia della poposta didattica 6.5 Mappe concettuali e poceduali I

10 6.6 Mateiali didattici e stumenti di monitoaggio degli appendimenti 6.7 Pecoso sui fenomeni supeconduttivi Capitolo 7 Le speimentazioni effettuate 7.1 Intoduzione 7. I divesi contesti scolastici in cui sono state effettuate le speimentazioni di iceca con gli studenti 7.3 La stuttua della speimentazione di iceca condotta nelle scuole di Udine Capitolo 8 Analisi dati 8.1 Intoduzione 8. Il pecoso didattico attuato 8.3 Metodologia di analisi 8.4 Analisi dei dati 8.5 Risultati ottenuti Discussione 8.6 Conclusioni Capitolo 9 Riflessioni conclusive II

11 Indice delle figue 1Figua.1: Legami esistenti ta la didattica delle scienze e i vai campi di indagine nell ambito delle scienze dell educazione (Duit et al., 006)... Eoe. Il segnalibo non è definito. Figua.:Esempio dipocesso di pogettazione didattica comeisultato di una iceca basata sulla DBR (Juuti, 005, p. 10).... Eoe. Il segnalibo non è definito. 3Figua.3:Unametodologiape la pogettazione mateiali diinsegnamento/appendimento (C. P. Constantinou)... Eoe. Il segnalibo non è definito. 4Figua.4: Definizione di appendimento... Eoe. Il segnalibo non è definito. 5Figua 3.1: In giallo I paesi coinvolti nei pogetti MOSEM del LLL-LdV PROGRAMME e la home-page del sito della famiglia dei pogetti SUPERCOMET ( Eoe. Il segnalibo non è definito. 6Figua 3.:LTK-Low tech kit e HTK-High-Tech kit di MOSEM. Sono oganizzati come insiemi di isose da assemblae pe attività in classe su magnetismo, coente elettica, induzione elettica (LTK), esploazione dei fenomeni supeconduttivi e di conduzione elettica nei solidi (HTK)... Eoe. Il segnalibo non è definito. 7Figua 3.3:Mateiali di suppoto pe insegnanti. La guida pe l insegnante, che include un esposizione divulgativa di concetti e scopete sulla supeconduttività, indicazioni sui seminai di fomazione; poposte di attività con gli studenti, schede di lavoo; descizione sintetica degli espeimenti; le guide LTK e HTK, con descizioni degli espeimenti che si possono ealizzae con tali kit, illustazioni, documentazioni di dati campione, avvetenze su impiego e sicuezza [34-36]. Eoe. Il segnalibo non è definito. 8 Figua 4.1 Tavola peiodica degli elementi; sono evidenziati gli elementi supeconduttivi... Eoe. Il segnalibo non è definito. 9 Figua 4.: Andamento qualitativo della esistività in funzione della tempeatuaeoe. Il segnalibo non è definito. 10 Figua 4.3: Caduta a zeo della esistività in un film a cescita epitassiale di YBa Cu 3 O 7 (Hopfengätneet al., 1991).... Eoe. Il segnalibo non è definito. 11 Figua 4.4: (a) Andamento della suscettività in funzione della tempeatua misuata in due divese condizioni ZFC affeddamento a campo nullo (cicoletti chiusi) e affeddamento a campo diveso da zeo (cicoletti apeti) pe una soluzione esa in polvee (cechi) e campioni di gano allineati di YBa Cu 3 O 7 in un campo di 5mT con B APPװc (tiangoli) e B APP c (quadati), (b) suscettività nomalizzata pe campioni affeddati a campo nullo di (a), (c) misue di χ a FC a 0,3 T, tacciate con la stessa convenzione (Lee e Johnston, 1990).... Eoe. Il segnalibo non è definito. 1 Figua 4.5: Dipendenza dalla tempeatua del ecipoco della suscettibilità 1/χ pe una vasta seie di tee ae R elemento sostituto R Ba Cu 3 O 7-δ di supeconduttoi nella gamma di tempeatue K in un campo di 1 T (linee continue). I dati pe i coispondenti composti non supeconduttivi iscaldati sottovuoto (linee tatteggiate) vengono mostati pe confonto. Il compotamento lineae è indicativo pe il paamagnetismo (Taascon et al., 1987b)... Eoe. Il segnalibo non è definito. 13Figua 4.6: Andamento qualitativo della suscettività in funzione della tempeatua... Eoe. Il segnalibo non è definito. 14Figua 4.7: Flusso di coente attaveso un filo nomale a sinista e supeconduttoe di tipo I a desta. Si noti che la pofondità di penetazione λ detemina lo spessoe sia della egione di tansizione all'intefaccia che quella dello stato supeficiale.... pag.33. III

12 15Figua 4.8:Andamento del campo magnetico inteno < R ed esteno >R in funzione della distanza dal cento di un cavo supeconduttivo in cui fluisce una coente I confinata nello stato supeficiale.... Eoe. Il segnalibo non è definito. 16Figua 4.9. Discontinuità nel caloe specifico di un campione di (La 0.9 S 0.1 ) CuO 4 in possimità dei 40K. Nel iquado viene messo in ilievo l ampiezza del salto. L andamento AT 3 indicato dalla cuva tatteggiata mosta come la tansizione avvenga olte la egione dove imane valida l appossimazione T 3... Eoe. Il segnalibo non è definito. 17Figua Salto del caloe specifico temico ta l Al supeconduttivo confontato con il caloe specifico nello stato nomale (Phillips, 1959, vedi Cow e Ong, 1990, p 5.)... pag Figua 4.11: Ceazione di una coppia di Coope pe effetto del eticolo... pag Figua 4.1: Effettiva inteazione elettone-elettone in possimità della supeficie di Femi... Eoe. Il segnalibo non è definito. 0Figua 5.1: Attezzatua utilizzata... pag.46. 1Figua 5.: Sistema magnete feo magnete utilizzato in seguito... pag.46. Figua 5.3: Sistema magnete feo magnete utilizzato in seguito.... pag.47. 3Figua 5.4: Sistema magnete feomagnete + moneta 0 centesimi + disco di YBCO.... pag.48. 4Figua 5.5: Mantenendo in sospensione si cea un link magnetico... pag.48. 5Figua 5.6: Mantenendo in sospensione il sistema descitto in pecedenza si cea un link magnetico che favoisce l ancoaggio ta magnete e pastiglia supeconduttiva... pag.49. 6Figua 5.7: Mateiale utilizzato duante l espeimento... pag.49. 7Figua 5.8: Sistema magnete feomagnete utilizzato in seguito... pag.50. 8Figua 5.9: Sistema bicchiee di plastica con pastiglia supeconduttiva inseita al suo inteno... Eoe. Il segnalibo non è definito. 9Figua 5.10: Immagini che mostano il magnete levitae saldamente al di sotto del bicchiee di plastica... pag Figua 5.11:Pellet Meissne contenente la pasticca di YBCO... pag Figua 5.1:Pellet Meissne... pag.5. 3Figua 5.13: Immagine affiguante il mateiale utilizzato... pag Figua 5.14: Sistema magnete feo magnete utilizzato in seguito... pag Figua 5.15: Tabella contenente i limiti di decadimento di alcune coenti pesistenti ossevate speimentalmente... pag Figua 5.16: Campione di gadolinio utilizzato... pag Figua 5.17: Elettomagnet... pag Figua 5.18: Attezzatua utilizzata... pag Figua 5.19:Sistema magnete pemanente... Eoe. Il segnalibo non è definito. 39Figua 5.0: Sistema magnete supeconduttoe... pag Figua 5.1:Suppoto di metallo... pag Figua 5.: Magnete pemanente posto in un ecipiente... Eoe. Il segnalibo non è definito. 4Figua 5.3: Nel gafico sono ipotatiesempi di andamenti della foza di inteazione in funzione della distanza ta un magnete tenuto femo ta due bicchiei di plastica taspaenti ed un supeconduttoe posto all inteno di un ecipiente... pag Figua 5.4: Andamento della foza di inteazione ta un magnete posto all inteno di un ecipiente (come affiguato nella possima Figua) ed supeconduttoe in funzione della posizione (discesa- linea blu scuo; salita - linea maone)... Eoe. Il segnalibo non è definito. 44Figua 5.5: Set up speimentale... pag Figua 5.6: Binaio monootaia... pag.61. IV

13 46Figua 5.7: Sistema binaio monootaia + vagoncino... pag Figua 5.8: Vagoncino e monootaia... pag Figua 5.9: Binaio monootaia... pag.6. 49Figua 5.30: Stumentazione:intefaccia + placchetta... pag.6. 50Figua 5.31: PC e stumentazione Mateiale utilizzato: Kit didattico della Leybold, azoto liquido, contatti elettici... pag Figua 5.3: Recipiente contenente azoto liquido... pag.63. 5Figua 5.33: Contatti pe il montaggio dell appaecchiatua... pag Figua 5.34: Contatti pe la misua della esistenza R... Eoe. Il segnalibo non è definito. 54Figua 5.35: Scheda di misua... Eoe. Il segnalibo non è definito. 55Figua 5.36: Andamento tipico della esistività di un campione di YBCO in discesa Eoe. Il segnalibo non è definito. 56Figua 5.37: Andamento tipico dello spazio in un moto ettilineo unifome... Eoe. Il segnalibo non è definito. 57Figua 5.38: 5.38: Caduta di un magnete all inteno di un tubo metallico e coenti indotte Eoe. Il segnalibo non è definito.7. 58Figua 5.39:Rappesentazione di un copo soggetto alla foza peso ed una foza di tipo viscosoeoe. Il segnalibo non è definito.7. 59Figua 5.40: Semplici accogimenti tecnici... Eoe. Il segnalibo non è definito. 60Figua 5.41: Andamento tipico con divesi mateiali a confonto... Eoe. Il segnalibo non è definito. 61Figua 6.1. L'HTK del pogetto Mosem e alcuni esempi di mateiali pe effetto Meissne, levitazione magnetica, modello MAGLEV.... Eoe. Il segnalibo non è definito. 6Figua 6.. Tutoial WS1 pe l'esploazione dell'effetto Meissne.... Eoe. Il segnalibo non è definito. 63Figua 6.3Linee di flusso del campo magnetico pe un anello... Eoe. Il segnalibo non è definito. 64Figua 6.4Cuvatua delle linee del campo magnetico in possimità di una sfea supeconduttiva in un campo applicato costante... Eoe. Il segnalibo non è definito. 65Figua 6.5 Penetazione di un campo magnetico applicato in un supeconduttoe semiinfinito.la lunghezza caatteistica viene detta di penetazione λ ento cui il campo diminuisce di un fattoe e -1.. Eoe. Il segnalibo non è definito. 66Figua 6.6. Tutoial WS1 pe l'esploazione dell'effetto Meissne.... Eoe. Il segnalibo non è definito. 67Figua 6.7Linee di flusso del campo magnetico pe un anello... Eoe. Il segnalibo non è definito. 65 Figua 8.1 Esempio di citeio B della classificazione delle popietà magnetiche: le linee di campo e di appesentanza vettoe impulso magnetico è accompagnato dal fenomeno ossevato (attazione, attazione, epulsione, ispettivamente).... Eoe. Il segnalibo non è definito. 66Figua 8. Un magnete poggiato su un disco YBCO a tempeatua ambiente: Esempi di linee di campo.... Eoe. Il segnalibo non è definito.4. 67Figua 8.3 Tipico disegno che fa uso dei citei A e B.... Eoe. Il segnalibo non è definito. 68Figua 8.4 Risposta alla domanda pesente nel post test... Eoe. Il segnalibo non è definito.6. 69Figua 8.5 Rappesentazione tipica delle linee di campo nel caso dell'effetto pinning.. Eoe. Il segnalibo non è definito. INDICE DELLE TABELLE V

14 1Tabella oaia di ciascuna speimentazione... Eoe. Il segnalibo non è definito Rationale V liceo scientifico - Tabella... Eoe. Il segnalibo non è definito.86. VI

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17 Intoduzione Il pesente lavoo di tesi ha iguadato la pogettazione e la speimentazione di un pecoso didattico iguadante la supeconduttività a livello secondaio. Ci si è soffemati sulle caatteistiche metodologiche e pogettuali di una poposta didattica avanzata. Il ifeimento teoico pe tale pogettazione didattica è stata la Design Based Reseach, intodotta nel 199 come valido modo pe effettuae iceche di tipo educativo al fine di testae e pefezionae pecosi didattici basati su pincipi deivati dalla iceca pecedente". Autoi validi come Baab e Squie (004) definiscono la DBR come"una seie di appocci con l'intento di podue nuove teoie, atefatti e patiche che appesentano e potenzialmente influenzano l'appendimento e l'insegnamento in contesti natuali". La"seie di appocci" cui si fa ifeimento è stata etichettata in vai modi ta cui "iceca basata sulla pogettazione"(kelly, 003),"sviluppo di iceca"(van den Akke, 1999),"iceca di design"(reeves, Heingtone Olive, 005),"iceca evolutiva"(mckenney & van den Akke, 005),"espeimenti educativi pogettuali"(bown, 199,Collins, 199) o "iceca fomativa" (Newman, 1990). Indipendentemente dal modo in cui è stata definita, la DBR appesenta una stumento utile al fine di miglioae sia i contibuti teoici che metodologici e da valoe agli stumenti tecnologici nell ambito della iceca in scienze dell educazione(van den Akke, Gavemeije, Mc Kenney, Nieveen, 006). Le metodiche adottate nell ambito della DBR sono state ecentemente ipese ed inglobate nel cosiddetto Model of Educational Reconstuction di Duit (Duit et Al. 006), che costituisce attualmente il ifeimento pincipale pe la pogettazione di inteventi didattici miati nell innovazione didattica. Esso pevede: un analisi del contenuto disciplinae pe l individuazione chiaa dei concetti fondanti, dei contenuti iinunciabili al fine di una loo poposizione in ambito scolastico avente come scopo una elementaizzazione ; un analisi dei pocessi e pecosi di appendimento degli studenti in meito alla tematica oggetto della poposta didattica pogettuale; la icostuzione dei contenuti pe una loo ipoposta in chiave didattica alla luce delle pime due fasi pogettuali. Al fine di miglioae le patiche didattiche nei contesti scolastici si è avuto un gande inteesse nella iceca educativa e nello sviluppo dell educazione scientifica. Il dibattito intenazionale iguadante l alfabetizzazione in campo scientifico a patie dal 1990 e la seie di studi di monitoaggio intenazionali come TIMSS e PISA hanno fonito sostanzialmente impotanti passi in avanti. Il modello di Educational icostuzione (MER) pesentato fonisce una concezione della iceca educativa ilevante pe miglioae la patica didattica e i pogammi di sviluppo pofessionale degli insegnanti. Il modello si basa su vesanti fomativi di tadizione euopea Didaktik e Bildung - con una paticolae enfasi sulla tadizione tedesca. Si tatta di un appoccio pevalentemente ameicano, anche se esistono esempi continentali che, sebbene conosciuti sotto vai denominazioni godono di qualche analogia. Vaie caatteistiche tasvesali diffeenziano la DBR da alte metodologie (Kelly (Eds), 003). La pogettazione di paticolai innovazioni come lo sviluppo di teoie o 'pototheoies' e la pesenza di cicli continui di pogettazione, emanazione, analisi e ipogettazione fanno della DBR una metodologia didattica pivilegiata pe l innovazione. 1

18 In base al Model of Educational Recontsuction (Duit 006) che ingloba la metodologia pogettuale della Design Based Reseach,patendo dagli aspetti più geneali della teoia della supeconduttività calata in contesti educativi specifici, si è analizzato il vasto panoama della iceca didattica intenazionale e sono stati studiati i elativi pocessi di appendimento coinvolti nello studio delle (indicae di quali temi/aspetti sono state pese in consideazione gli aticoli). Si è successivamente indagato sul uolo che la fisica modena iveste nei cuicoli di insegnamento secondaio euopei. Da tale analisi è emesa una fote asimmetia ta fisica classica e fisica modena a livello di insegnamento secondaio a netto favoe della pima. Ci si è petanto oientati veso una poposta di intoduzione nella scuola secondaia di un tema ilevante pe la fisica modena come quello della supeconduttività, sia pe le sue implicazioni concettuali che di tipo applicativo. E' stata avanzata una poposta didattica in meito all'insegnamento della supeconduttività. Tale poposta è stata effettuata patendo dalla assegna di lavoi intacciabili in letteatua sul tema in esame, basandosi su mateiali e isultati dei pogetti euopei MOSEM e MOSEM della famiglia Supecomet (si imanda a ed in paticolae alle poposte di pecosi pe la scuola secondaia sviluppati dall Unità di iceca in Didattica della Fisica dell Univesità degli studi di Udine, patne italiano dei suddetti pogetti. In fase di messa a punto della speimentazione, sono stati analizzati e testati a fondo gli espeimenti dei kit Low Tech e High-tech del pogetto euopeo MOSEM allo scopo di individuane valenze e limiti fondamentali pe un loo efficace utilizzo in compagnia degli studenti duante le vaie speimentazioni effettuate. Di tali espeimenti sono state podotte schede opeative e con dati campione autonome. Sono inolte stati analizzati e valutati i mateiali di suppoto elettonico e cataceo con testi, video e animazioni utilizzati pe aumentae motivazione e appendimento degli studenti coinvolti nelle speimentazioni didattiche. Si è successivamente pogettata la pesonale poposta didattica pe la scuola secondaia. Essa viene pesentata secondo gli standad della iceca in didattica della fisica (ef.) con: ationale, appoccio metodologico, stumenti pedagogici utilizzati, metodi e stategie didattiche consideate, mappa concettuale poceduale, pecoso, schede di monitoaggio degli appendimenti, test di ingesso e di uscita. L analisi delle speimentazioni effettuate nelle classi quinte della scuola secondaia sia in povincia di Udine che in povincia di Saleno sono documentate nel capitolo settimo. Si documentano qui in paticolae gli esiti delle speimentazioni condotte nei seguenti istituti: l'itis Solai di Tolmezzo, il Liceo Scientifico Buonaoti di Monfalcone, il Mainelli di Udine ed alcuni licei scientifici di Saleno, quali Da Pocida e Sevei ed infine il liceo scientifico Alfonso Gatto ad Agopoli. Esse hanno coinvolto 45 studenti di 6 classi. In questa fase della iceca educativa sono stati analizzati i vai elementi distintivi della speimentazione didattica ta cui i vai contesti sedi, scuole, classi, le caatteistiche delle aee di intevento, la tabella dei peiodi e delle oe di ciascuna speimentazione. Pe quanto attiene l'analisi dati si è poceduto analizzando i vai stumenti e metodi adottati con dati isultati e elativa discussione e con una evisione della poposta didattica alla luce dei isultati ottenuti dalle speimentazioni pecedenti.

19 CAPITOLO LA RICERCA DIDATTICA.1. INTRODUZIONE La didattica della fisica possiede come oggetto di studio l'insegnamento e l'appendimento di una disciplina specifica. Si distingue dalla pedagogia e dalla psicologia dell'appendimento, in quanto tatta fenomeni e poblemi collegati alla specificità del contenuto disciplinae non iducibili né isolubili in un quado geneale psicopedagogico. Essa nasce in contasto con due idee diffuse, opposte e pincipalmente simmetiche: - l idea di una didattica indipendente dai contenuti o dalla pedagogia geneale, l ate di insegnae tutto a tutti; - l idea di una didattica basata essenzialmente sui contenuti, se conosci bene la mateia, la sai anche insegnae bene, sapee. La didattica delle scienze subisce una svolta e un momento fondante come disciplina autonoma duante gli anni 70 in concomitanza con lo sviluppo delle iceche sulle concezioni altenative degli studenti. Ausubel (1968) affema che: Il singolo fattoe più impotante che influenza l appendimento sono le conoscenze che lo studente già possiede. Conviene accetasi e compotasi in confomità con l insegnamento, il sussistee di peconcetti è il fattoe singolo più impotante nell acquisizione e nella itenzione delle conoscenze in una data mateia questi peconcetti sono sopendentemente tenaci e esistenti all eliminazione. Bachelad intoduce l'idea di ostacolo epistemologico e pedagogico in base al quale gli insegnanti non sono in gado di compendee peché gli studenti non capiscono. Spesso gli studenti sbagliano non pe distazione o incapacità, ma peché la pensano divesamente. Lo statuto dell eoe è alteato pofondamente: non si tatta solo di sbagli, ma anche di diffeenti modelli intepetativi. La teminologia utilizzata si è modificata con il passae del tempo secondo aee cultuali e quadi intepetativi diffeenti: pe-conceptions, misconceptions, pioideas, altenative famewoks, childen science, appesentazioni mentali, agionamenti spontanei, concezioni diffomi, ecc. Si itovano concezioni simili in ambiti cultuali diffeenti tanto da fa pesuppoe una specie di fisica spontanea come isultato della iceca fondamentale. Una volta iconosciuta l'impotanza delle appesentazioni mentali degli allievi, si studiano le stategie di cambiamento concettuale, che favoiscano il passaggio dalla concezione diffome ad una concezione coeente con gli obiettivi posti dall insegnamento. Alcuni autoi sottolineano la continuità (di Sessa, Clement, Bown, Vosniadou) fa idee comuni e conoscenza scientifica e consideano le pe-concezioni come isose, alti insistono sulle ottue ed il conflitto cognitivo (Hewson, Stike, Posne e Bachelad) e consideano necessaio un cambiamento concettuale come una pesonale fase di ivoluzione scientifica. Con ifeimento a Vygotsky, che attibuisce alle inteazioni sociali e al linguaggio un uolo centale nello sviluppo cognitivo vai autoi intoducono il concetto di conflitto socio-cognitivo in qualità di motoe del 3

20 cambiamento concettuale, suggeendo situazioni didattiche che favoiscano la ceazione di un dibattito scientifico in classe e alla elazione e discussione fa pai. Utilizzae i isultati ottenuti pe costuie situazioni didattiche che consentano agli studenti di capie e di miglioae l appendimento. Risulta utile pogettae pecosi o sequenze d'insegnamento e di appendimento (Teaching Leaning sequences, TLS), basati sui isultati delle iceche sulle concezioni di senso comune e sui pocessi di appendimento elativi a specifici contenuti scientifici. A tal scopo conviene icondusi all indagine PISA svolta con cadenza tiennale con l obiettivo geneale di veificae in che misua gli studenti italiani abbiano acquisito alcune competenze giudicate essenziali pe svolgee un uolo consapevole ed attivo nella società odiena. In paticolae viene valutata la capacità di utilizzae le conoscenze scientifiche pe isolvee quesiti apeti iguadanti il funzionamento di deteminati, pe acquisie nuove conoscenze, pe spiegae fenomeni scientifici e pe tae conclusioni basate sui fatti in meito a questioni di caattee scientifico. I isultati elativi alla pecedente edizione dell indagine non sono incoaggianti: nella Pima pesentazione dei isultati di PISA 009 (INVALSI, 011) si legge che pe quanto iguada questa abilità l Italia si colloca significativamente al di sotto della media OCSE (501) con un punteggio medio di 489, seppue diffeenziato pe maco-aee geogafiche. Alla quinta edizione dell indagine (01) hanno patecipato 66 paesi: la vaiazione ispetto al 009 è positiva, sia in assoluto sia nel confonto con la media OCSE. Il divaio ancoa oggi pesente ta i paesi che ottengono le miglioi collocazioni nel test PISA e quelli che ottengono le peggioi è stato icondotto all oientamento cuicolae specifico dei divesi paesi e in paticolae al modo in cui si insegnano le mateie scientifiche. Il divaio semba essee coelato alla divesità di appocci tenuti nell insegnamento della fisica: - appoccio tadizionale, basato sull insegnamento sistematico dei contenuti disciplinai; - appoccio pogessivo, oientato alla tattazione di situazioni poblematiche applicazioni patiche e pocessi fisici. L alfabetizzazione scientifica semba essee agevolata da un insegnamento che attiva cognitivamente gli studenti e consente l oppotunità di poe domande significative. Il uolo attivo dello studente semba essenziale pe l appendimento della fisica consentendo di idue la sepaazione ta ciò che agli studenti viene insegnato e ciò che impaano. Si sottolinea la necessità di affontae congiuntamente sia la pogettazione del cuiculum di fisica sia la fomazione degli insegnanti in ambito scientifico. Osbone & Dillon (008) accomandano di poe attenzione all appendimento dei agazzi al di sotto dei quattodici anni, in quanto essi mostano un atteggiamento positivo veso le scienze, sicché un buon insegnamento pemetteebbe di mantenee questo inteesse anche negli anni successivi, quando invece si isconta una netta disaffezione. Questi autoi sostengono, in accodo con Eule, che la poposta di indagini e di speimentazioni hands-on pomuove il coinvolgimento degli studenti nello studio delle scienze in misua maggioe ispetto all insegnamento tadizionale basato su un modello tasmissivo della conoscenza. Il passaggio nella didattica delle scienze da metodi pincipalmente deduttivi a metodi inquiy-based pomuove l inteesse degli studenti, aumenta la qualità dell appendimento e, al tempo stesso, stimola la motivazione dell insegnante. In paticolae, i metodi di coinvolgimento attivo nell appendimento sembano podue una conoscenza concettuale della fisica pesistente nel tempo, come isulta dallo studio di Fancis et al. (1998) sugli studenti univesitai che hanno utilizzato il testo Tutoials in Intoductoy Physics (McDemott, 1998). Tale appoccio iveste una duplice funzione: da un lato si vogliono cecae modalità di inteazione valide in gado di appesentae bisogni ed intuizioni intepetative divese, dall alto si itiene utile appotae più punti di vista utili alla soluzione dei poblemi complessi che si tovano alla base di quadi e ifeimenti teoici talvolta non univoci. 4

21 Pe ottenee un efficace appendimento in fisica (Chinn & Malhota, 00) è necessaio ealizzae un laboatoio didattico dove le attività coinvolgono in pima pesona gli studenti con l intento di intepetae i fenomeni con una pogessiva assunzione di esponsabilità sul popio appendimento attaveso un pocesso di analisi delle poblematiche, di selezione citica delle altenative e di agomentazione coeente. A tal fine la iceca descitta nella tesi affonta i poblemi della didattica scientifica delineando la pogettazione di un pecoso di appendimento in supeconduttività. Figua.1: Legami esistenti ta la didattica delle scienze e i vai campi di indagine nell ambito delle scienze dell educazione (Duit et al., 006).. Ricostuzione concettuale a scopo didattico In questo paagafo ci si popone di descivee le caatteistiche dei citei di iceca pe la pogettazione di ambienti di appendimento definiti e poposte didattiche secondo la Design BasedReseach.Se ne discutono le basi concettuali analizzando i lavoi di autoi che ne hanno definito le caatteistiche geneali come Psyllos,Tibeghien, Lavonen, Costas. Pe quanto iguada invece i pocessi di appendimento isulta oppotuno consideae i contibuti più ecenti degli autoi quali di Sessa, Hamme, von Auschnaite. Secondo lo studioso Lavonen esistono te caatteistiche pincipali che costituiscono la Design Based Reseach: a) un pocesso di pogettazione essenzialmente iteativo, b) ealizzazione di atefatti capaci di aiutae insegnanti ed alunni ad agie (appendimento e di studio) in maniea più intelligibile (in modo da condue veso un appendimento efficace), c) la DBR conduce a nuove conoscenze in meito all'insegnamento delle scienze e all'appendimento. Tutte e te le caatteistiche appesentano uno sfozo a cui vien dato il nome Design Based Reseach. Coinvolgendo idee di pagmatismo e azionalità, il pogetto educativo ideato in base ai dettami della DBR e calato nel campo dell'istuzione scientifica pate analizzando la situazione iniziale, in cui si isconta un elemento poblematico (ad esempio pocessi decisionali di politiche educative da attuae o isultati della 5

22 iceca volti a podue cambiamenti sostanziali nel appoto insegnamento/appendimento delle scienze) : icecatoi ed insegnanti non sanno come compotasi in deteminate cicostanze. In paticolae mico-compute ed Intenet sollevano la questione educativa in quanto tutte le possibili applicazioni compese nelle tecnologie TIC devono essee utilizzate nella didattica delle scienze. Il punto di patenza si concetizza nella possibilità di utilizzae la miglio letteatua di iceca disponibile e poi pe studiae il modo di affontae il poblema (design naativo). Il pimo compito è quello di opeae una evisione della letteatua di settoe e tovae isposte a domande come le seguenti (Psillos 005): - Quali sono i modelli di scienza di base nell ambito del settoe scientifico di ifeimento? - Quali sono le concezioni degli studenti oppue i modelli mentali utilizzati? - Come si manifestano le concezioni degli studenti impiegate in ambienti di appendimento ufficiali o in singole sequenze di appendimento/insegnamento? Analogamente nel campo delle tecnologie didattiche Clements e Battista (000) sottolineano che i pogettisti pima di ideae i pecosi da attuae a scuola dovebbeo spiegae attentamente le icadute didattiche dei modelli e delle concezioni agli alunni in modo da favoie in modo positivo atteggiamenti e cedenze. Figua.:Esempio di pocesso di pogettazione didattica come isultato di una iceca basata sulla DBR (Juuti, 005, p. 10). Tuttavia espeti del settoe hanno sollevato te citiche fondamentali nei confonti della DBR. In pimo luogo vi è una sostanziale mancanza di igoe nella iceca. Toppo spesso come Bown (199) ha ossevato i pogettisti sono distatti dalla accolta ed alla analisi dati e taggono conclusioni paziali. Hoadley (004) volge la sua attenzione alla validità della misuazione della obustezza delle valutazioni specifiche. Dede (004 ) mette in guadia i icecatoi della DBR sulla situazione della unfalsifiability: "Senza nome standadizzate al fine di decidee quando abbandonae un appoccio di design in quanto poco pomettente, il campo di indagine dalla DBR ischia di essee visto come un luogo dove popoe stategie educative subottimali all'infinito ottimizzato nella speanza di una svolta impobabile " (Dede, 004, p. 108; Bell, Hoadley, e Linn (004) danno una isposta al poblema della falsificabilità dal punto di vista delle 6

23 conoscenze acquisite duante il pocesso di pogettazione ed affemano che non isulta eccessivamente ilevante. Il pocesso instauato con la DBR offe dei pincipi di pogettazione efficaci geneati in modo induttivo da pogetti di successo. Questi pincipi sono falsificabili se non pedono pate della loo applicabilità in pogettazioni futue. (Bell, Hoadley e Linn, 004,p. 83). La seconda citica sollevata da Yin (1994) isiede nel fatto che la iceca in esame fonisce solo in pate una base pe una solida genealizzazione scientifica. Egli isponde alla citica dicendo che "casi di studio ed espeimenti sono genealizzabili a poposizioni teoiche e non alle popolazioni o univesi" (Yin, 1994)CITA. Edelson (00) sottolinea che la iceca pogettuale deve essee valutata dal punto di vista dell efficacia cioè quanto poduttivamente debbano isultae le conoscenze acquisite tamite la DBR pe agevolae la spiegazione completa dei fenomeni educativi. Dal punto di vista pagmatico si potebbe die che come futto della conoscenza, acquisita attaveso la iceca basata sulla pogettazione si aiuta a muovesi in modo più compensibile in contesti educativi specifici: avviae nuovi pocessi di pogettazione, la pogettazione di un nuovo manufatto e miglioae l'insegnamento e di appendimento. La teza citica che gli studiosi DBR dovebbeo pendee in seia consideazione cosa evidenziata da Yin (1994) così come Richey e Nelson (1996), è appesentata dal lungo peiodo di tempo necessaio pe mettee in essee una iceca del genee e dalle massicce elazioni illeggibili. Il peiodo di tempo non dovebbe essee lungo apposta, ma è chiao che un pocesso di pogettazione ambizioso può ichiedee un tempo consideevole. Al vesante opposto si pone il contibuto di Costas Constantinou secondo cui la metodologia educativa Design Based Reseach si configua nell ambito delle scienze dell educazione come un valido quado di ifeimento in gado di fonie peziosi consigli didattici agli addetti del settoe. Essa possiede i seguenti aspetti fondanti: - isulta un contesto apeto e abbastanza plualistico tale da accogliee le attuali tendenze - aiutae la comunità a tovae isoluzioni pe entambi i poblemi La Design Based Reseach (DBR) appesenta un ampio epetoio di metodologie compendenti un quado teoicamente compiuto unito ad una iceca di qualità empiicamente incentata sul difficile appoto ta insegnamento/appendimento basato su paticolai pogetti pe istuzioni, che: - -ha il duplice obiettivo di sviluppae un appendimento efficace in ambienti pedefiniti e l'utilizzo di tali ambienti come laboatoi natuali di idee pe favoie lo studio ed il fote legame che si instaua ta appendimento ed insegnamento - facilita l'inteazione binaia di iceca; l'innovazione e lo studio dei quadi teoici in situ La DBR si pesenta come un quado compiuto di ingegneia didattica (Bown, 199; Collins, 199; Bown& Campione, 1998) caatteizzato da: - fote iteazione dei pocedimenti messi in essee; - vaiazione delle linee di sviluppo di cescita intellettuale degli allievi; - pesonalizzazione dell'insegnamento specifico. La DBR non si configua come: - pogettazione e sviluppo coinvolgenti la valutazione dei pocessi educativi. Infatti in questi casi isultano peminenti bisogni poblematici centati sugli studenti piuttosto che una teoia compiuta guidati 7

24 - la iceca di design (che non compota iceca in-situ) - la speimentazione di design (che è una foma specifica di speimentazione contollata che conseva ancoa molti vaiabili latenti) Design Evidence-Based (che non compota congettue teoiche esplicite) Pogettazione basata sull'evidenza o EBD è un campo di studio che sottolinea l impotanza di una pova cedibile al fine di influenzae positivamente la pogettazione didattica. Questo appoccio è diventato popolae nel settoe dell istuzione specialistica al fine di miglioae il pesonale benessee del paziente, la guaigione del paziente, iduzione dello stess e la sicuezza. Il Design Evidence-Based appesenta un campo elativamente nuovo, che ha peso in pestito teminologia e idee da discipline limitofe come la psicologia ambientale, l'achitettua, la neuoscienza e l'economia compotamentale. Figua.3:Una metodologia pe la pogettazione mateiali di insegnamento/appendimento (C. P. Constantinou)..1 Il contibuto di David HAMMER La iceca psicologica ha avanzato ipotesi più complesse ta le quali, pe un insegnante, può essee utile sintetizzae l'appoccio delle intelligenze multiple (Howad Gadne, Fomae mentis, Feltinelli, Milano, 010.nella fomulazione sintetica di te tipi fondamentali (Masini, 001): l'intelligenza intuitiva, l'intelligenza descittiva e l'intelligenza odinativa o fomale. Può essee impotante iflettee su quali tipi di intelligenza sono ichiesti pe una buona compensione della fisica. Poiché la disciplina è oggi un inteccio ta conoscenza dei fenomeni e conoscenza dei quadi teoici in cui essi tovano una spiegazione; è agionevole pensae, olte alla utilità/necessità di un appoccio intuitivo ai fenomeni, alla necessità di capacità di tipo descittivo (pe la conoscenza dei fenomeni) e di tipo fomale (pe la compensione dei quadi teoici). 8

25 Figua.4: Definizione di appendimento Un punto su cui soffemasi iguada i canali di acquisizione di conoscenza. Possiamo distinguee ta i canali pecettivi attaveso gli ogani di senso e i canali comunicativi attaveso il linguaggio. In ambedue i casi si può pensae che ogni essee umano selezioni le infomazioni in base ai popi schemi di conoscenza e ai popi desidei: "si vede ciò che si vuole vedee, si ascolta ciò che si vuole ascoltae". Ovviamente i canali pecettivi svolgono un uolo fondamentale nella acquisizione di conoscenze iguadanti i fenomeni del mondo fisico e quindi anche nella costuzione degli schemi di fisica spontanea. Ad essi si sovappone comunque il canale linguistico che può indiizzae l'attenzione a cogliee gli aspetti impotanti dei fenomeni e a definie l'uso del linguaggio ad essi appopiato. L'uso della paola "vuole" tende a mettee in evidenza il uolo giocato, in ogni pocesso di appendimento della motivazione ad appendee. A tale iguado le iceche distinguono ta una motivazione intinseca, popia del soggetto conoscente, ed una motivazione estinseca che può essee stimolata dalla indicazione di finalità e vantaggi di tipo sociale e/o applicativo. Lo schema di fig.1 tenta di illustae le coelazioni ta i vai pocessi e concetti discussi e vuole mettee in evidenza le vaie dimensioni dell'appendimento che uno studente deve tenee pesenti nella popia attività di studio. Una pospettiva utile a tal fine può essee quella di analizzae le isose che ogni soggetto può utilizzae nel popio pocesso di appendimento (Hamme 000). Possiamo distinguee in poposito ta le isose di tipo concettuale e quelle di tipo epistemologico. Le isose concettuali iguadano gli schemi di conoscenze posseduti nella memoia a lungo temine che possono fonie stategie di ancoaggio delle nuove conoscenze agli schemi popi, di fomae analogie di accodo, di affinae l'intuizione. A questo poposito è impotante sottolineae che assumendo come punto di patenza pe la costuzione degli schemi di conoscenza scientifica gli schemi di conoscenza spontanea (fisica ingenua), nel coso delle attività di insegnamento e studio concetti scientifici vi possono tovae un facile ancoaggio senza povocae una istuttuazione veso gli schemi condivisi dalla comunità scientifica. Ne isultano schemi di conoscenze in qualche modo ibidi in quanto pu contenendo elementi caatteistici della conoscenza scientifica se ne diffeenziano pe aspetti non maginali (Guidoni, Redish, 1999). 9

26 .. Il contibuto di Claudia Von Aufschnaite L'indagine sui vai pocessi di insegnamento e di appendimento (in fisica) sotto il paadigma del cambiamento concettuale appesenta un aspetto essenziale nell ambito della iceca in Didattica della fisica. Rifeendoci alla conoscenza concettuale che viene di solito insegnata ed appesa, studi impotanti indagano sopattutto se i concetti siano "coetti" oppue no e a quale livello tali concetti vengano costuiti. Non solo il contenuto del concetto gioca un uolo impotante, ma ciò vale anche pe la stuttua tempoale in cui il concetto viene sviluppato e viene passato all insegnamento. I docenti pesentano un concetto in modo apido; non è pe gli studenti semplice seguie la pesentazione, anche se fosseo stati in gado, da un punto di vista cognitivo. Oppue, due studenti possono costuie la stessa conoscenza (ispetto al contenuto e il livello di astazione), ma uno ha bisogno solo pochi secondi mente l'alto deve pensaci pe qualche minuto. Inolte, anche le valutazioni sono (intuitivamente) stuttuato sulla base di intevalli di tempo. Inolte, anche le valutazioni sono stuttuate sulla base di pecisi intevalli di tempo. In base alle nome PISA gli studenti hanno avuto una media di 5 minuti pe isolvee un compito. 10

27 CAPITOLO 3 INSEGNAMENTO SCIENTIFICO NEI CURRICOLA EUROPEI E L INSEGNAMENTO DELLA SUPERCONDUTTIVITÀ NELLA SCUOLA SUPERIORE 3.1.Insegnamento Scientifico a Scuola in Euopa Si iepiloga qui lo studio Euydice [( in cui viene fonita una assegna compaativa dei egolamenti e delle accomandazioni ufficiali sull insegnamento scientifico in 30 paesi Euopei e si pesenta una panoamica dei isultati pincipali della iceca sull insegnamento scientifico in questi paesi. Nella pima pate viene esposta lo stato delle attuali politiche educative pe l insegnamento scientifico in Euopa. La panoamica della letteatua di iceca mia ad offie una panoamica della competenza oamai disponibile intono agli appocci più efficaci pe potae i giovani veso un appendimento del sapee scientifico. Le connessioni più impotanti ta queste due pospettive complementai sono enfatizzate nelle conclusioni dello studio a cui qui ci si ifeisce. Il modo in cui la scienza viene insegnata a scuola dipende da molti fattoi, ta cui la fomazione dei docenti, il contenuto del cuicolo scolastico e le fome di valutazione. Diettamente o indiettamente, questi fattoi influenzano il contenuto e gli appocci all insegnamento scientifico, come pue le attività scientifiche in classe. L anno di ifeimento pe i dati nello studio compaativo isulta il 004/05, con ifeimento fatto alle ifome in atto nel 005/06. Lo studio cope 30 paesi membi dell Euydice Netwok. I livelli educativi tattati sono quello pimaio (ISCED 1) e quello secondaio infeioe (ISCED ). In questo appoto ci si occupa solamente di scuole gestite e finanziate dalle autoità pubbliche. Fanno eccezione il Belgio, l Ilanda e l Olanda. In questi paesi vengono pese in consideazione anche le scuole pivate a finanziamento pubblico poiché fequentate dalla maggioanza degli studenti. Pe limitae l ampiezza della accolta dati e assicuae la fattibilità del lavoo, l indagine si è focalizzata sulla scienza intesa come singolo soggetto integato e sulla fisica - quando si tatta invece di agomenti sepaati nel cuiculum. Il cuiculum pe l educazione secondaia supeioe spesso include agomenti di fisica classica e non modena, mente la scienza integata è più tipica dei cuiculum pimai. L infomazione pesentata in questa indagine compaativa è stata accolta dalle Euydice National Units pe mezzo di un questionaio accompagnato da una lista di temini specifici e definizioni. Questi stumenti di accolta dati possono essee ottenuti dal sito web di Euydice ( Olte ai contibuti delle National Units, l Euopean Unit ha icevuto sostegno nella pepaazione di questa unità da due espeti nei metodi di insegnamento scientifico. I quali, olte ad aiutaci a edigee il questionaio di accolta dei dati, hanno anche scitto pate del appoto, compesa la panoamica sui isultati della iceca, e ne hanno letto l inteo contenuto da una pospettiva citica. 11

28 Pe assicuae l affidabilità e la qualità del contenuto dello studio la pima pate (compaativa) è stata contollata stettamente dalle National Units dell Euydice Netwok. La pima pate di questo lavoo contiene un indagine compaativa sulle pescizioni e accomandazioni ufficiali sul tema dell insegnamento scientifico in Euopa. Esamina il contenuto dei equisiti standad, delle linee guida sui pogammi iniziali di fomazione dei docenti e dei citei pe l acceditamento di istituzioni e pogammi di educazione supeioe. Lo scopo è identificae i tipi di competenza ed espeienza che i futui insegnanti di scienza dovebbeo sviluppae duante la loo istuzione iniziale, sia che si tatti di patica effettiva d insegnamento o di agomenti ilevanti pe l ambito disciplinae insegnato. Secondo paagafo: si occupa dei equisiti e dell espeienza pofessionale degli istuttoi dei docenti che sopintendono alla fomazione iniziale di insegnanti di scienza qualificati. La iceca iguada su due figue pofessionali: 1) i fomatoi che opeano nelle istituzioni di fomazione del docente iniziale, e ) gli insegnanti che, dall inteno della scuola, sopintendono ai futui insegnanti duante il loo tiocinio scolastico Tezo paagafo focalizzato sugli appocci esposti nel cuiculum scientifico pescitto a scuola, ed in paticolae gli scopi da conseguie e le attività da intapendee in classe. L indagine iguada nella fattispecie i seguenti aspetti: la pesenza di ifeimenti agli aspetti contestuali dell insegnamento scientifico, come la stoia della scienza ed i poblemi sociali contempoanei; lavoo speimentale; tecnologia dell infomazione e delle comunicazioni; e comunicazione. Si offe anche una panoamica sul dibattito in coso e le ifome elative al cuiculum scolastico. In seguito si pende in consideazione test e fome di valutazione standadizzate in ambito scientifico. Dopo una catalogazione iniziale dei paesi che ne fanno uso, il capitolo esamina i tipi di conoscenza e le abilità accetate. Si occupa pue dell accetamento standadizzato di un paticolae tipo di attività: i pogetti scientifici. Successivamente si offe una beve panoamica geneale delle ifome e del dibattito che iguada la valutazione dei isultati dell insegnamento scientifico. In seguito ci si inolta in una panoamica sui maggioi isultati in tema di iceca sull insegnamento scientifico, copendo gli aspetti più significativi volti a ispondee a domande simili: Quali fome d appendimento si dovebbe incoaggiae?, Come motivae gli alunni?, Che contibuti speciali possono dae le ICT?, Com è vista la scienza e l insegnamento scientifico da pate degli scienziati?, Che competenze pofessionali bisogna mobilitae pe l insegnamento? e Come possono sviluppae appocci e pocedue innovative?. Un buon insegnamento in campo scientifico dovebbe: fonie un adeguata conoscenza dei concetti e delle teoie scientifiche, esibie un adeguato coedo tecnico-metodologico pe l insegnamento del lavoo speimentale a livello laboatoiale. Poi vi è l aea più ampia della psicologia dell educazione e la conoscenza dei metodi d insegnamento, olte alla conoscenza patica dell insegnamento e delle abilità associate al lavoo in classe. Inizialmente si mia a definie le dimensioni che contibuiscono alla pepaazione di un efficace insegnamento della scienza. In seguito si tattano le abilità di insegnamento specifiche al contesto scientifico. Successivamente si occupa spazio iguado l educazione dell insegnante cica la conoscenza scientifica e le abilità elative, con infomazioni ulteioi sulla competenza dell insegnante cica la speimentazione e l indagine scientifica. L ultima sezione esamina se siano contemplati specifici citei di acceditamento pe i pogammi iniziali di fomazione di docenti qualificati nell insegnamento scientifico. Quando esistono tali citei, la iceca mette in luce quali aspetti dell educazione vadano a copie. L infomazione qui contenuta ci dice solo cosa si tova nei egolamenti. Quanto ciò possa fonie un quado agionevolmente completo sull educazione degli insegnanti dipende da come ogni sistema educativo è govenato. Queste linee guida sullo sviluppo di standad di qualifica pe gli insegnanti sono state e sono mateia di dibattito pe le autoità peposte all educazione in molti paesi. 1

29 3.1.1Conoscenza ed abilità geneali ichieste pe l insegnamento Con conoscenza ed abilità geneali ichieste pe l insegnamento s intende la pofessionalità sviluppata dai pogammi di fomazione degli insegnanti indipendentemente dall agomento: teoie dello sviluppo del bambino, ceazione e gestione di ambienti di appendimento, lavoo con divesi guppi di agazzi e appocci coopeativi all insegnamento. Questo tipo di abilità iceve una copetua abbastanza compensiva, sia a livello ISCED1 che ISCED. Un po più ad ISCED1, sopattutto iguado le teoie sullo sviluppo del bambino. La sensibilità veso le diffeenze di genee pe ciò che concene attitudini e motivazioni, e la capacità di tene conto di queste diffeenze all inteno della classe sono aspetti di consideevole impotanza. La iceca, infatti, mosta che ci sono gandi diffeenze ta la maggio pate dei agazzi e delle agazze pe quanto iguada ciò che voebbeo impaae nelle loo lezioni di scienza, sulle modalità d insegnamento e di valutazione pefeite, ed l atteggiamento degli studenti veso la scienza. Tuttavia, questi sono gli aspetti meno citati negli standad di pogammazione pe le linee guida e le qualifiche iguadanti la fomazione dei docenti. Un numeo maggioe di paesi pende in consideazione le diffeenze sociali e cultuali insite nel backgound degli studenti. 3.1.Conoscenza e abilità ichieste pe la scienza In confonto a quelle geneali, i imandi alle abilità specifiche necessaie all insegnamento scientifico sono un po meno fequenti. Attività speimentali/investigative compaiono fequentemente a entambi i livelli. Una seconda aea ben copeta è la conoscenza dei divesi modelli d insegnamento (della scienza) e la loo stoia, olte alla conoscenza dei cuicula scientifici e dei loo obiettivi. L insegnamento scientifico a scuola deve essee sensibile alla compensione di senso comune dei fenomeni scientifici da pate dei bambini pe essee efficace (cioè, il agionamento spontaneo o pescientifico pota a appesentazioni o concezioni ingenue dei fenomeni). Ciò è stato mostato definitivamente in un ampio copo di iceca, che sottolinea le miiadi di modi in cui i bambini vedono e intepetano il mondo intono a loo. La conoscenza delle implicazioni di ciò e della abilità di tene conto di tale compensione di senso comune nelle lezioni in classe ed in laboatoio, tuttavia, manca in 13 sistemi educativi ad ISCED1 ed in 11 ad ISCED Infine aggionasi sugli sviluppi scientifici è itenuto impotante ad entambi i livelli quasi ovunque, sebbene in 5 paesi ciò sia veo solo a livello ISCED Conoscenza scientifica ed abilità Insegnae la scienza non vuol di solo possedee le abilità didattiche ichieste, ma anche un adeguata conoscenza dei contenuti. In questa sezione ci focalizzeemo sulla conoscenza scientifica. Quasi ogni sistema educativo in possesso di linee guida geneali include ifeimenti a concetti scientifici e teoie, e su attività scientifiche speimentali/di iceca. Ta le eccezioni l Italia. Quasi la metà dei sistemi educativi fa ifeimento alla conoscenza della stoia e dell epistemologia. Questa è l unica aea copeta dalle linee guida italiane al livello ISCED, mente non è pesente ad ISCED1. La maggio pate degli insegnanti a livello ISCED1 sono genealisti. Ad essi non viene ichiesto di istuisi nella iceca/speimentazione scientifica. A livello secondaio, invece, la maggio pate dei docenti è composta da specialisti. L infomazione pesentata in queste pime te sezioni mosta che gli standad definiti dalle autoità educative hanno molto da die su ciò che dovebbe essee incluso nella fomazione degli insegnanti, non solo in temini di abilità geneali d insegnamento, ma anche in temini di abilità e conoscenze più specifiche. In molti paesi euopei, gli istituti educativi più avanzati [in Italia univesità ed educazione post-univesitaia] godono di fome di autogoveno consideevoli. L acceditamento è uno dei mezzi adottati dalle autoità educative pe assicuae in questo quado l ottempeanza di deteminati standad di qualità nell istuzione 13

30 offeta. L acceditamento è dunque un pocesso attaveso il quale le autoità legislative e pofessionali giudicano se un istituzione o un pogamma soddisfa standad di qualità pedeteminati che la autoizzano ad offie un coso paticolae e a concedee la qualifica coispondente. Tedici sistemi educativi in Euopa posseggono citei di acceditamento pe i pogammi di educazione pimaia dell insegnante. Questi citei iguadano vai aspetti, inclusi il contenuto dei pogammi, il suppoto del pesonale agli studenti o, più specificamente, le questioni oganizzative. I citei contenutistici fanno ifeimento ad aspetti fondamentali della fomazione pimaia dell insegnante, cioè all istuzione su concetti e teoie scientifiche, istuzione nell indagine/speimentazione scientifica, istuzione nei metodi d insegnamento e, in misua minoe, nel gestie sistemi infomatici Istuttoi in istituzioni pe la fomazione pimaia dell insegnante Si consideano qui i egolamenti o le accomandazioni emanate dalle autoità educative cica le qualifiche e l espeienza pofessionale del pesonale esponsabile pe la componente pofessionale della fomazione pimaia dell insegnante di scienza. La pima sezione si occupa dei fomatoi degli insegnanti che lavoano in istituti pe la loo fomazione pimaia e svolgono cosi di caattee teoico iguadanti l istuzione pofessionale. La seconda sezione si focalizza sui esponsabili all inteno delle scuole che si occupano della guida o supevisione dei futui insegnanti nel loo tiocinio patico duante l istuzione pimaia e/o nella qualifica finale sul-posto-di-lavoo o nella fase d inseimento. In quasi tutti i paesi i futui insegnanti devono intapendee un tiocinio patico. Solo in Gecia non è obbligatoio. Livelli di qualifica in scienza In una ventina di sistemi educativi, il livello di qualifica in scienza è specificato in egolamenti o accomandazioni. Nella maggio pate dei casi è necessaio un maste scientifico postunivesitaio. In alte un bachelo. In alte ancoa un dottoato in ambito scientifico. In alti - ta cui l Italia - non vi sono egolamenti sulla qualifica scientifica di tali fomatoi pe il livello pimaio (ISCED1), mente misue analoghe alle pecedenti si applicano ai fomatoi pe il livello secondaio infeioe: la Spagna ichiede un bachelo, l Italia ed alti un maste, ed il Potogallo un dottoato. Vengono affontate di seguito le qualifiche specifiche in tipi d insegnamento. Anch essi sono soggetti a egolamentazione o accomandazione nella maggioanza dei paesi. Qui si distingue in: a) qualifiche d insegnamento: un diploma o cetificato in educazione e insegnamento. b) qualifiche come fomatoe d insegnanti: diploma o cetificato che testa che il suo possessoe ha la conoscenza e le abilità necessaie pe fomae insegnanti. Mente il pimo è soggetto a egolamenti, solo una piccola minoanza di paesi possiede egolamenti di qualifica specifica come fomatoe d insegnanti. [6] Essa è obbligatoia solo in Bulgaia, Romania, Danimaca e Cipo. Alti te paesi le includono ta le accomandazioni Espeienza pofessionale Nell insegnamento: cica 15 paesi hanno egolamenti che ichiedono o accomandano che i fomatoi d insegnanti abbiano espeienza essi stessi in veste d insegnanti, sia pe il livello ISCED1 che ISCED. Nella iceca educativa: meno di meta dei paesi posseggono egolamenti sul bisogno di possedee espeienza nella iceca educativa. Questa espeienza è obbligatoia solo in 4 paesi dell Euopa centale e a Malta. In alti, si accomanda che i fomatoi abbiano qualche espeienza nella edazione di libi di testo scientifico. Si pende in consideazione chi guida o sostiene gli insegnanti in coso di fomazione all inteno delle scuole duante il loo tiocinio o nella qualifica finale sul-posto-di-lavoo o nella fase d inseimento. Mia ad identificae quali figue pofessionali compongono i fomatoi e ) se vi siano egolami o accomandazioni ichiedenti il completamento di speciali cosi di fomazione miati all assunzione di esponsabilità di guida. Nella maggioanza dei paesi, sono gli insegnanti stessi ad assumesi esponsabilità di guida o facilitazione. Solo a Malta il tiocinio è monitoato da esteni. In alti paesi è il leade del compato scientifico o il peside. 14

31 In una minoanza di paesi, pe lo più in Euopa centale, è obbligatoio pe i mentoi o facilitatoi icevee un istuzione speciale, o lo si accomanda. In Estonia c è bisogno di 5 anni di espeienza e di un coso univesitaio miato all assunzione di questa esponsabilità. In Romania si ha un istuzione specializzata duante il lavoo. In alcuni paesi, come in Spagna, dipende dalla egione autonoma in cui ci si tova. In Svezia viene lasciato all autonomia dell istituto decidee se allocae isose pe la fomazione delle guide o facilitatoi inteni. Nel Belgio fiammingo ed in Italia, guida e sostegno sono genealmente foniti da insegnanti di notevole ilievo il cui lavoo sia iconosciuto dai loo colleghi e dai loo supeioi. In Fancia sono scelti da membi dell ispettoato e selezionato pe la loo eccellenza pofessionale Ci occupiamo dei cuicula scientifici pescitti o accomandati nei due livelli scolastici di nosto inteesse, olte agli appocci e gli obiettivi peseguiti. Si noti che: - In ambito pimaio la scienza viene pesentata come un agomento integato nella quasi totalità dei paesi consideati (salvo l Olanda, dove sono sepaati), - In ambito secondaio infeioe la tendenza è invetita (con l eccezione di pochi paesi, ta cui l Italia, dove la scienza esta un agomento integato). La pima sezione del capitolo esamina se i cuicula compendano appocci che icopono gli aspetti contestuali della scienza. Pimaiamente: stoia e questioni sociali. La seconda sezione si occupa del contenuto dei cuicula scolastici ufficiali, espessi in temini di attività e/o obiettivi pescitti o accomandati, con speciale iguado a te aspetti: a) lavoo speimentale e patico b) tecnologia dell infomazione e delle comunicazioni (ITC) c) comunicazione. Infine l ultima sezione fonisce una panoamica sulle ifome in coso ed il dibattito intono ai cuicula scolastici di scienza. Le tabelle indicano in quali paesi viene pescitto l insegnamento della stoia della scienza e/o delle questioni sociali ad essa connesse. Nel caso italiano, i cuicula compendono solo l insegnamento di questioni sociali. Ciò ad entambi i livelli d istuzione, in ambito di discussione come pue nelle attività in classe. Tale impostazione è in contasto con quelle di molti alti paesi d Euopa, dove entambi i campi sono compesi nei cuicula, sopattutto a livello ISCED. I cuicula scolastici possono pesentasi in vai modi, includendo a seconda dei casi le aee geneali di conoscenza (concetti) da copie, le attività specifiche da svolgee (ciò che agli studenti viene chiesto di fae) e i isultati d appendimento da ottenee (le abilità che gli studenti dovebbeo acquisie). Si osseva che, mente più attività possono essee miate al conseguimento dello stesso obiettivo, una singola attività può contibuie a più di uno di essi. I egolamenti e le accomandazioni sono assai mutevoli da paese a paese. In alcuni si tende a specificae le attività d insegnamento e d appendimento ma si tace sugli obiettivi. In alti non si pescive né si accomanda attività specifiche, e l educazione scientifica scolastica è espessa in temini di obiettivi d insegnamento e d appendimento. In alti ancoa si esplicitano entambi gli aspetti. Si icodi che se un aspetto non viene specificato nelle pescizioni sui cuicula, ciò non implica necessaiamente la sua assenza dalla patica didattica. Pe esempio, l uso di tecnologie dell infomazione può essee pescitto come attività a scuola (ad esempio comunicae con gli alti agazzi) ma l abilità di usae l ICT non è necessaiamente un isultato d appendimento in sé. Il lavoo patico e speimentale costituisce un aspetto impotante ed altamente distintivo dell insegnamento scientifico, e tutti i cuicula pescitti o accomandati vi fanno ifeimento. Compiee ossevazioni è incluso quasi ovunque come foma di attività o obiettivo. Nella iceca sulla didattica scientifica si è data molta attenzione alle abilità cognitive complesse. Lo sviluppo di tali abilità duante l istuzione scientifica sta diventando sempe più vitale dato che molte opeazioni ichiedenti abilità cognitive di basso livello - come l applicazione di fomule - possono essee svolte dal compute. 15

32 Attività che ichiedono un copo complesso di conoscenza e competenza e qualche gado d indipendenza da pate degli alunni sono incluse nella maggioanza dei cuicula scientifici a livello ISCED. In contasto, esse sono meno evidenti nei cuicula di livello pimaio, come nel caso dell attività: veificae una legge scientifica mediante l espeimento. Ciò si applica anche ad alte attività scolastiche impegnative sul piano cognitivo, come ad esempio: fomulae ipotesi e testale e lavoo a pogetto di caattee scientifico. Questa diffeenza di appocci si può vedee anche nel caso di abilità meno complesse, come quella di seguie accuatamente istuzioni speimentali e l abilità di selezionae ed usae appaati e stumentazioni appopiate. L uso dell ITC non iguada solo i cosi di scienza. Ricecae infomazioni su intenet e Comunicae con alti agazzi sono attività utilizzabili pe appendee qualsiasi agomento. Registae e pesentae isultati speimentali e dati e compiee simulazioni coispondono invece ad attività più caatteistiche di agomenti scientifici. Nel caso della scienza, la pesenza dell ITC è omai diffusa a livello secondaio infeioe, mente è meno evidente nei cuicula pimai, pobabilmente peché l uso dell ITC ichiede il possesso di abilità cognitive elativamente complesse. La iceca sulla didattica scientifica iguadante sopattutto il livello secondaio supeioe ( Science Education Reseach and the Taining of Science Teaches, sezione A.4) evidenzia il consideevole beneficio icavabile dall oganizzazione a scuola di questo tipo di lavoo, poiché incoaggia gli studenti ad impegnasi in attività teoiche e può aiutali a fomae associazioni cognitive ta la teoia e l espeienza. Impaae a discutee di scienza ed a comunicae ciò che si sta facendo (o si è stato fatto) è un aspetto impotante dell educazione scientifica che fa pate di divese aee del cuiculum scolastico ed emege come un aspetto a cui viene assegnata alta pioità in Euopa, almeno a livello di pescizioni o accomandazioni. Esistono te fome di discussione sulla scienza: 1) discussioni sul uolo che la scienza assume nella società ed i modi in cui si connette alla vita quotidiana, ) discussioni sulla iceca d infomazioni (abilità di manipolazione dei dati, compensione della divesità delle fonti e della qualità dell infomazione, capacità di usae la documentazione scientifica), 3) discussioni su espeimenti (cioè, sape pesentae e comunicae pocedue e isultati). Mente a ISCED ci si aspetta che i agazzi si occupino di tutti i te gli aspetti in quasi tutti i paesi, a livello ISCED1 la situazione è più diffeenziata. 1) Quasi ovunque gli alunni pimai discutono di scienza in elazione alla società e alla vita quotidiana, e accoppiano questo discoso alla iceca di infomazioni. Questa attività potebbe anche essee miata alla discussione sulla compensione di senso comune della scienza, consentendo al docente di stabilie il livello di compensione degli alunni e, di conseguenza, le attività di appendimento ad essi più appopiate. ) Un analisi delle abilità di manipolazione dei dati seve a sottolineae l impotanza della pesentazione e della comunicazione dell infomazione. 3) Un alto aspetto della comunicazione nell educazione scientifica iguada l educazione a pesentae e comunicae pocedue e isultati speimentali. Tutti i sistemi educativi lo includono a livello secondaio solo sette a quello pimaio. I cuicula scolastici di scienza sono attualmente soggetto di dibattito e ifoma in gan pate dei paesi euopei. La discussione iguada un ampio spetto di questioni (appocci metodologici e l ammontae del tempo d insegnamento) ed in alcuni paesi è associata ad una ifoma geneale del cuicolo scolastico. 16

33 La ifoma dei contenuti cuiculai spesso ichiede delle modifiche in alti settoi, come la valutazione degli studenti e, a monte, la fomazione degli insegnanti. Nella scuola pimaia insegnanti dall istuzione scientifica più limitata devono pendee pate a cosi che li aiutano a soddisfae i più ecenti equisiti del cuiculum, che assegna maggioe impotanza alla scienza. Nel caso di insegnanti di scuola secondaia, l istuzione aggiuntiva isulta pofondamente legata a questioni di tipo metodologico. In Lettonia l obiettivo geneale è ottenee un cuiculum stuttuato ispetto alle abilità, e non solo ad un set di fatti da memoizzae, come ea in pecedenza. In Estonia si ceca di intodue delle modifiche dei contenuti, abilità da acquisie metodologie ed in paticolae, il uolo del docente e dell alunno nel pocesso di appendimento. In alcuni paesi si va in diezioni contastanti: nella Repubblica Ceca si ceca di unifomae i cuicula al quado nazionale. In Olanda si vuol concedee a iguado maggioe autonomia agli istituti scolastici (ad es: lascia scegliee se insegnala come soggetto integato, o in agomenti sepaati). La Gan Betagna sta ifomando il cuiculum del Key Stage 3, fino ad alloa consistente in una lunga lista di fatti, pe podue un cuiculum più ilevante e flessibile, con più enfasi sui fondamenti concettuali più impotanti e su pocessi chiave come l indagine e la valutazione. In Italia sono stati intodotti, sia a livello pimaio che secondaio infeioe, nuovi cuicula fomulati in temini di obiettivi di appendimento specifici, all inteno di una ifoma più geneale dell educazione. In elazione alla scienza, il ministeo dell istuzione ha lanciato il pogetto Insegnae Scienze Speimentali nel 006. Questo pogetto mia da un lato a miglioae i livelli di abilità in matematica e scienza pe studenti di età compesa ta i 6 ed i 16 anni e, dall alto lato, a sostenee lo sviluppo continuativo della pofessionalità degli insegnanti in tali settoi. In Lituania e Finlandia si pala anche dell ammontae di tempo necessaio pe lo studio e l appendimento efficace in campo scientifico Le ifome iguadano anche la metodologia. In Fancia si ceca di intodue una dimensione d indagine già pesente nei pogammi a livello pimaio sotto il nome di la main à la pate(un appoccio del metteci le mani ) e lascia giocae agli studenti una pate impotante nello sviluppo della popia conoscenza. In più i nuovi pogammi foniscono un incentivo ad adottae un appoccio multidisciplinae in ceti agomenti come la salute o l ambiente sostenibile, che iguadano molte discipline. L obiettivo è di tattali continuativamente in tutta l educazione secondaia infeioe. In Olanda si vuol fa patie i cuicula dalle concezioni e dai agionamenti di senso comune degli studenti, pe poi sviluppae una compensione più accuata dei fenomeni scientifici. Nei paesi in cui queste ifome iguadano l inteo cuiculum scolastico, si ceca di stabilie standad educativi, pe esempio in foma di competenze chiave, e si pende in consideazione l idea di ampliae l autonomia delle scuole nella definizione conceta dei cuicula. Rifome di questo tipo vanno genealmente a baccetto con l intoduzione o il affozamento di accetamenti esteni sugli studenti basati su test che misuino la loo competenza e conoscenza ispetto agli standad stabiliti Le iceche sull insegnamento scientifico La iceca sull educazione scientifica è inteessata allo sviluppo di abilità di alto livello (fomazione dei concetti, modellazione, poblem solving e pocedue scientifiche), ed è un campo la cui impotanza sta cescendo apidamente nell ambito dell educazione scientifica. E a queste abilità cognitive più complesse - non acquisibili tamite un modello tasmissivo dell insegnamento né impaando a memoia - che la iceca inizia a dae più attenzione. Minoe pioità icevono invece le abilità compotamentali (come essee capaci a manovae la stumentazione ) e le abilità cognitive di basso livello (ad esempio, le abilità di impaae e ipetee leggi e definizioni, applicae fomule, isolvee poblemi standad). Ciò è dovuto in pate allo sviluppo di sistemi di computazione ed elaboazione automatica. 17

34 Si sente oggi il bisogno di inquadae la iceca in un contesto sociale più ampio e, in paticola modo, di consentie a più gente possibile di giocae pienamente il loo uolo di cittadini in società tecnologicamente e scientificamente avanzate. Ciò ichiede la compensione non solo della conoscenza scientifica e degli sviluppi tecnici associati (la tecnoscienza [9]), ma anche della natua della scienza e dei suoi metodi, assieme ad un abilità di ingaggiae uno spetto di discussioni scientifiche in dibattiti pubblici di ampio aggio che possono coinvolgee questioni ambientali, economiche, sociali ed etiche. Bisogna individuae una scala di pioità ta gli obiettivi che questa pospettiva offe. I icecatoi stanno cecando di dischiudela agli appoti di alte discipline, in paticolae alla psicologia, alla filosofia e alla stoia della scienza, alla linguistica, e stanno esploando il potenziale di metodi divesi al fine di accescee la motivazione degli studenti, il loo piacee nell appendimento, miglioae la loo pecezione della scienza, e l efficacia di vai metodi d insegnamento ed appendimento nello sviluppo delle competenze desideate. Le questioni geneali possono essee spezzate in divese domande. - Quali appocci all insegnamento e all appendimento vanno pivilegiati? L attenzione si concenta sulla iceca intono all insegnamento e l appendimento di concetti scientifici, lo sviluppo di pocedue scientifiche (A.3) e le abilità associate alla discussione (A.5). - Quali sono i contibuti specifici che i compute possono dae all insegnamento ed appendimento scientifico? La domanda pecedente iguada i contibuti dati all insegnamento scientifico da queste tecnologie, quando usate sia pe accogliee ed elaboae dati che pe le simulazioni. - Come vanno motivati gli alunni Si daà attenzione ai fattoi capaci di accescee l inteesse del bambino e degli adolescenti veso gli studi scientifici. Possiamo anche poci delle domande sulla penetazione dei nuovi appocci all insegnamento scientifico e alla fomazione dei docenti, una domanda che appae in molte fome a seconda del focus della iceca: - Quali concezioni della scienza e del suo insegnamento sono oggi diffuse ta gli insegnanti di scienza in fase di fomazione quelli già in sevizio? - Che genee di conoscenza pofessionale consente di sviluppae abilità d insegnamento scientifico? - In che modo gli insegnanti devono adottae le innovazioni suggeite loo? Ci occupeemo adesso della iceca nell appendimento delle discipline scientifiche. La iceca in questo settoe si divide in due filoni: 1) Alcuni studi illustano i modi in cui un fenomeno o tipo di fenomeno paticolae viene appesentato. Ad esempio concetti associati all eletticità, meccanica, ottica, chimica e biologia. ) Alti si occupano più a fondo di identificae le stuttue geneali di agionamento che sostengono i modelli divesi usati pe intepetae i vai fenomeni. Alcuni studi hanno mostato l esistenza e indagato la natua di stadi nello sviluppo della compensione dei cicuiti elettici, anteioi al aggiungimento di un livello di compensione compatibile con le leggi scientifiche pe come oggi s insegnano: - Cicolazione sequenziale: la coente elettica si indebolisce passando in ogni componente del cicuito, fino a tonae al geneatoe, dove iguadagna l enegia peduta. - Cicolazione a coente costante: la coente fonita dal geneatoe è sempe la stessa indipendentemente dal cicuito. I concetti di enegia e flusso di coente sono confusi ed intecciati. Il focus del pimo passaggio dello sviluppo concettuale deve iguadae la costuzione e la diffeenziazione dei concetti di coente, voltaggio ed enegia elettica. Nel campo dell ottica, gli stadi di sviluppo coinvolti nella fomazione dell immagine sono stati stabiliti in una vaietà di contesti (Galili e Hazan 000). 18

35 - Una concezione olistica, nota come l immagine viaggiante ; se una lente è pazialmente oscuata, solo pate dell immagine passa attaveso la lente. - Raggi di luce concepiti come binai feoviai ; un solo aggio che lascia un punto oggetto è sufficiente a taspotae l infomazione elativa a quel punto e quindi ottenee la sua immagine. Il uolo del tempo nella spiegazione dei fenomeni da pate degli alunni (agionamento lineae causale, Viennot 1996, vedi p 76: Raisonne en Phisique: la pat dus ens commun, Buxelles, De Boeck): - la scienza agiona in temini di elazioni ta vaiabili, il che conduce alla covaianza (una vaiabile non cambia pima di un alta, né gioca un uolo causale nel cambiala). - il agionamento di senso comune coinvolge una naativa, costuita in temini di successine di eventi e nella quale l inteelazione di causa ed effetto gioca un uolo impotante. Invece di gestie il cambiamento concomitante di due vaiabili, gli studenti agionano in tappe, ciascuna delle quali pende in consideazione una singola vaiabile. Il isultato di una tappa conduce logicamente alla successiva. Quando molte vaiabili cambiano simultaneamente, si descive il fenomeno come composto da una seie di tappe ciascuna delle quali coinvolge un singolo cambiamento (di una singola vaiabile). La iceca sui concetti e modalità del agionamento di senso comune e la loo esistenza al cambiamento attaveso metodi tadizionali d insegnamento, ha gettato luce sulle difficoltà di appendimento specifiche ad un dato dominio. Ciò ha condotto alla iceca sulle stategie d insegnamento adatte a sviluppae modalità di pensieo scientifico. A patie da questo copo di lavoo (vedi bibliogafia p.59), si sta lentamente giungendo ad un consenso sull impotanza di intapendee, a monte, due tipi di analisi pe escogitae stategie d insegnamento ed appendimento adeguate: - un analisi della conoscenza scientifica ilevante [pe ciò che si sta insegnando], del suo sviluppo e del modo in cui può essee usata (pe fae pedizioni od offie spiegazioni) - un analisi delle difficoltà incontate nell appendimento e dei concetti popi degli studenti. I isultati di analisi di questo genee vengono usati in situazioni d insegnamento ed appendimento ivedute, basate su una icostuzione educativa o un appoccio ingegneistico all insegnamento che tiene conto sia dei contenuti da appendee che dei concetti popi degli studenti (Méheut e Psillos 004). Riceche di questo genee poducono una vaia gamma di isultati. Foniscono indici metodologici pe la ealizzazione di situazioni d insegnamento specificate in temini di isultati d appendimento desideati, basati sulla conoscenza scientifica da impaae compaata con la conoscenza degli alunni. Indicano l impatto di divese situazioni d appendimento sullo sviluppo cognitivo in una vaietà di ambiti scientifici. In base alle assezioni fonite dai divesi icecatoi in questo settoe non mancano finalità educative al lavoo speimentale nell ambito dell insegnamento scientifico. Ta di esse figuano: - la motivazione dei agazzi, - lo sviluppo di abilità di manipolazione - un miglioe appendimento della conoscenza scientifica e dei metodi di calcolo. Di seguito viene esposta un ampia seie di consideazioni iguadanti alcune citiche diette alle modalità steeotipate dell attività speimentale dell insegnamento scientifico in ambito secondaio. Mente l educazione pimaia semba più apeta ad attività d indagine - ta cui testae le ipotesi gioca un uolo significativo - le attività patiche a livello secondaio sono usate pincipalmente: - pe illustae concetti scientifici - pe veificae una legge scientifica - in modo induttivo (espeimento, ossevazione, misuazione e conclusione) I agazzi devono compiee una seie di attività pestabilite, fae ossevazioni, misuazioni e aggiungee conclusioni che paiono auto-evidenti, sempe dieto l assunzione fittizia che non siano già note in patenza. Dall analisi delle pescizioni dei cuicula, emege che l obiettivo comune a divesi paesi e a discipline come fisica e biologia pe quanto iguada il lavoo patico è quello di familiaizzasi con gli appaati ed i fenomeni (manipolae l appaato, podue un avvenimento e ossevalo). Un obiettivo meno comune, sia ai paesi consideati che alle vaie discipline, è l oganizzazione di una stategia pe condue un indagine: 19

36 -in fisica si guada all appendimento di leggi scientifiche e alla manipolazione delle elazioni ta vaiabili (impaae a gestie i dati e ad usali pe aggiungee una conclusione). Molti studi ivelano le difficoltà incontate dai agazzi nel costuie legami ta espeimento e teoia. Le attività patiche foniscono poche occasioni ai agazzi pe dibattee sulla fisica. La manipolazione dell appaato e la pesa delle misue occupano una pate impotante del tempo dei agazzi e conducono ad attività di caattee outinaio, a detimento della iflessione sugli espeimenti o sulle questioni teoiche coelate. La citica e i suggeimenti indicano due filoni pincipali di sviluppo pe il lavoo speimentale: - fonie un quado più icco di ciò che compota fae scienza: fomulae e ifomulae una domanda o un poblema, fomulae un ipotesi, pianificae un espeimento, miglioae un potocollo, contollae uno spetto di vaiabili, accogliee, analizzae ed intepetae i dati, usando le simulazioni, discussioni, ecc.. - dae più autonomia ai agazzi: impegnali in compiti a soluzioni più apete e pemettegli di sviluppae abilità di più alto livello cognitivo. Alcuni dei suggeimenti ientano nell idea di sviluppae una cultua scientifica, una cultua che assegni un uolo impotante allo sviluppo da pate dei agazzi di una compensione delle attività e pocedue scientifiche. A patie dal lavoo di Piaget è stata svolta molta iceca sullo sviluppo del agionamento ipotetico-deduttivo nell appendimento della scienza. Sono stati indagati divesi tipi di compiti. In alcuni casi si è data enfasi allo studio dell effetto povocato dal cambiamento di date vaiabili. In alti i poblemi sono più apeti, e la scelta delle vaiabili da studiae viene lasciata ai agazzi stessi. Dunque il uolo del lavoo speimentale nei cuicula scientifici è cambiato dagli anni 90. Inizialmente centato sull appendimento di abilità manipolative e di fomazione dei concetti, e oganizzato in accodo con una descizione steeotipata del metodo scientifico, tali cuicula hanno dato gadualmente maggioe attenzione alla natua delle indagini a conclusioni apete come condotte dalla scienza stessa: la fomulazione di ipotesi, lo sviluppo dell appaato e delle pocedue speimentali, la selezione dei dati da accogliee e la comunicazione dei isultati. Dallo studio (sull uso degli standads nell educazione scientifica) è emesa la nozione di sviluppo pogessivo della competenza degli alunni nell indagine scientifica in un aco di paecchi anni. Ad esempio, secondo Milla semba che i agazzi ta 1 e 14 anni si pongano più pontamente in una situazione di ottimizzae un effetto o un fenomeno, e susseguentemente (ta 14 e 16) sono capaci di adottae un appoccio più scientifico nell esploae le elazioni ta vaiabili. Data la necessaia dipendenza del cuiculum dal contesto (tipo di scuola, numeo di alunni, insegnante e livello di scolaizzazione degli allievi), gli autoi suggeiscono di coinvolgee gli allievi in attività coispondenti ai cescenti livelli di indipendenza ichiesti pe l indagine scientifica. Pe questo Winschitl (003) popone una pogessione negli stadi di indagine, dalla più familiae (veifica di espeimenti e pocedue pescitte) veso le più autentiche fome di indagine, sia guidate (vengono poste domande agli studenti) che apete (sono gli studenti stessi a fomulae le questioni da indagae). Tanto più che studi intapesi su studenti dai 15 ai 17 anni mostano che gli appocci più apeti ceano un senso di insicuezza negli insegnanti e negli studenti, i quali tovano paticolae difficoltà nell escogitae pocedue speimentali e pesentae i loo dati. Quando l aiuto è attentamente stuttuato, si ossevano effetti positivi sia in temini di appendimento di concetti scientifici e della compensione della natua della scienza (Haigh e Foett005). Lo stesso copo di iceca indica stadi possibili nello sviluppo di indagini scientifiche sempe più apete. Mostano anche che esta del lavoo da fae in questo ambito, sia nella chiaificazione degli obiettivi che nel suggeie modi possibili pe fae acquisie agli studenti le necessaie competenze e 3) peché gli insegnanti individuino le stategie d insegnamento appopiate. Ciò pone la necessità di chiaie un ceto numeo di questioni epistemologiche. Quali sono le caatteistiche essenziali del lavoo speimentale? 0

37 E possibile veificae, ifiutae o cooboae un ipotesi in base ad un singolo espeimento? Se è così, in quali condizioni? Le isposte a tali domande sono aamente inequivocabili, sebbene lo sviluppo della iceca nell insegnamento e appendimento della scienza sta gadualmente conducendo a isposte più pecise. Questa chiaificazione diviene ugente quando si desidea insegnae la natua della scienza, che oggi costituisce un punto impotante nei cuicula che cecano di pomuovee la scienza come elemento di conoscenza geneale. Può essee utile all educazione in geneale agendo come data-base, facilitando gli esecizi individuali, o consentendo il tasfeimento d infomazione e l appendimento a distanza. I due aspetti che inteessano a noi sono più specifici all educazione scientifica: a) Inseie ed elaboae automaticamente dati speimentali (il compute come stumento di laboatoio). b) Usae il compute a scopi di simulazione. In geneale vai studi hanno lasciato dei dubbi sui benefici dell 1) e suggeito alcuni modi di integae il ) in quelle pocedue che sembano paticolamente poduttive in temini di attività cognitiva degli studenti. Vediamo: 1) Le iceche di Hucke e Fische (00) hanno messo in discussione il contibuto dato dai compute nell elaboazione dei dati. Essi concludono non è utile pe potae gli studenti ad impegnasi in iflessioni teoiche e può idue l attenzione pestata dagli studenti agli espeimenti, distogliendo la loo attenzione veso il lavoo con il compute. )Beaufils e Richoux (003) si occupano della possibilità di visualizzae modelli teoici e dello sviluppo di attività che: - Esploino e manipolino modelli miati allo sviluppo della conoscenza delle loo caatteistiche e all adozione delle egole che govenano la loo funzione. - Conducano alla modellazione, usando gli stumenti dell ICT pe sviluppae modelli di fenomeni fisici. - -Meheut (1997), da una pospettiva simile, ha cecato di fa sviluppae agli studenti (1-13 anni) un modello di stuttua della mateia capace di fae pedizioni e di spiegae la temoelasticità dei gasi. - -Buty (00) ha esploato il potenziale d appendimento ed i limiti dell uso di softwae che simula l ottica geometica pe compendee come le lenti conducono alla fomazione delle immagini. E stato mostato che la coodinazione ta attività speimentali e di simulazione può fungee da ponte cognitivo ta la teoia e l espeienza patica. -Niedee (00) -Goldbeg e Oteo (001) hanno mostato che le attività cognitive che accompagnano il pocesso coinvolto nel compito della concettualizzazione sono inizialmente più intense se lo studente è impegnato nella simulazione (la fase di costuzione del modello), che nelle attività speimentali (collegae il modello all espeimento) Inolte si può consideae come inteessante il uolo dei gafici come intemediai ta i fenomeni fisici e la teoia. Infatti Bisdikian e Psillos (00) hanno indagato i pocessi cognitivi degli studenti nella compaazione di gafici deteminati speimentalmente e simulati, duante un attività di pevisione, manipolazione di appaato e misuazione. La iceca che espoemo può essee usata pe aiutae gli insegnanti a scegliee il tipo di dibattito adatto a fomae il tipo di abilità di agomentazione che desideano pomuovee e a diigee i loo inteventi duante le discussioni in classe. Suggeisce anche citei pe la valutazione della competenza degli studenti nell agomentae. A patie dagli anni 90 l enfasi posta nel pomuovee la scienza come un elemento di conoscenza geneale ha iposto inteesse nelle abilità di agomentazione impiegate nel contesto di dibattiti socioscientifici, visti 1

38 anche come oppotunità di acquisie una compensione concettuale ed epistemologia della scienza (Sadle e Zeidle 005). Alcuni studi sono paticolamente ilevanti pe la tesi qui discussa. - Studi di ilievo (Bell e Ledeman 003) hanno ivelato l impotanza di consideae le dimensioni emozionali, sociali e moali ineenti a questi dibattiti e sollevae inteogativi sul legame posto in alcuni cuicula ta l acquisizione di idee epistemologiche (compendee la natua della scienza) e lo sviluppo di abilità usate nei dibattiti socioscientifici (iconoscee affemazioni pseudoscientifiche e applicae la conoscenza scientifica alla vita quotidiana) - Simmoneaux (003) ha mostato che le discussioni basate sul ole-playing [da intendesi come assegnazione di opinioni a studenti, come nelle scuole hassidiche] favoiscono abilità etoiche (povocazione, sospetto, ionia), mente lezioni incentate su discussioni più fomali sono più popizie al agionamento azionale. - Gace e Ratcliffe (00) studi sui valoi ed i concetti utilizzati da studenti in dibattiti sulla consevazione delle specie. Mostano l impotanza dei giudizi di valoe nei dibattiti. Concludono che è impotante usae dibattiti di diveso genee pe pomuovee lo sviluppo concettuale. - Zeidle (005) valoizzano l impotanza della scelta degli agomenti, alcuni dei quali possono pivilegiae l emozionale a spese del azionale. - Zoha e Nemet (00) ipotano i isultati di una unità d insegnamento miata allo sviluppo della compensione della genetica e delle loo abilità di discussione. L unità include l insegnamento della genetica assieme ai pincipi dell agomentazione ed il uolo che giocano nei dibattiti. Sono convinti della sua efficacia sotto entambi gli aspetti. Pe quanto iguada le abilità di discussione, si tatta delle seguenti: iflettee pima di tae conclusioni, miglioe qualità degli agomenti, contenuti più sofisticati. - Mok (005) passa in assegna le possibili agioni pe un uso limitato di attività volte a pomuovee le abilità di discussione da pate degli insegnanti: 1) sono abilità difficili da acquisie e devono essee appese specificamente; ) le attività necessaie sono impegnative in temini di tempo e 3) gli insegnanti non hanno sviluppato le isose pe pianificale e gestile. Basandosi sulla tipologia poposta da Motime e Scott (003), popone un tipo di comunicazione inteattiva e dialogica in contasto a quella non inteattiva e autoitaia adatta a miglioae la qualità del dibattito in classe. Analizza gli inteventi dell insegnante in base alle loo finalità; assicuae la coettezza dell infomazione scambiata, ipotae il discoso sul tema e ampliae il dibattito, iapilo quando giunge ad un punto moto, incoaggiae il coinvolgimento degli alunni, e gestie l uso dei temini. La iceca di Haeussle ed il suo appoccio (distingue ta componente situazionale e pesonale) Impotante iceca pluidecennale (1987, 1998, 000) sulla motivazione. L obiettivo è distinguee le qualità intinseche dello studente da quelle che deivano dalla situazione d appendimento. Le pime possono essee categoizzate in età e genee. Le seconde è sono analizzate nei temini di te componenti: discipline scientifiche, contesto (scienza come sfozo pesonale, applicazione della scienza alla vita quotidiana, pepaazione al mondo del lavoo, connessioni sociali della scienza) e appoccio d insegnamento (tasmissione icezione, poblem solving, discussione in classe). La questione è investigae come questi fattoi inteagiscono in temini di motivazione degli alunni. Diffeenze di genee Pe quanto iguada la scienza, le agazze dagli 8 ai 14 anni sono genealmente più in biologia che in chimica o fisica, mente gli inteessi sono più divesificati ta i loo coetanei maschi, inteessati un po più in fisica che in biologia (Stak e Gay 1999). Haussle ha consideato un campione ta gli 11 ed i 16 anni in divesi Laende della Gemania, mostando che: Le agazze ipongono meno inteesse dei agazzi nello studio della fisica. Questa discepanza si assottiglia con il passae dell età, anche se pe entambi i sessi si egista con il tempo un piccolo decemento di inteesse nella fisica.

39 Ragazzi e agazze si inteessano in aspetti divesi della scienza, con le agazze ugualmente o un po meno inteessate dei agazzi in agomenti come luce, suono e caloe, e molto meno in meccanica, eletticità e adioattività. Le diffeenze di genee sono paimenti evidenti in temini di contesto di insegnamento ed appendimento, con le agazze attiate fotemente veso caiee nell ate, medicina o consulenza ed i agazzi veso la fisica come tendenza intellettuale e come base pe lavoae nella iceca o in ambito tecnico. In conclusione, i icecatoi affemano che le diffeenze di genee non sono molto significative pe quanto iguada gli inteessi nelle discipline scientifiche, ma che dal loo lavoo emege una caatteistica impotante. Pe le agazze l inteesse nella fisica sta nella sua utilità, nelle sue elazioni con alte discipline e nella sua significatività a livello quotidiano. Ciò si accoda con quanto detto da Jones, Howe, Rua (000) che mostano che gli inteessi extascolastici sono più stettamente attinenti alla biologia (guadae uccelli, piantae semi, giadinaggio). Pe quanto iguada gli agomenti scientifici, le agazze pefeiscono agomenti che hanno un attinenza con la pecezione e la vita (coloe, dieta, comunicazione con animali e Aids. I agazzi, di conveso, hanno espeienze extascolastiche attinenti alla fisica (giochi elettonici, azzi, micoscopi). Pe quanto iguada gli agomenti scientifici, i agazzi pefeiscono agomenti tecnici (aeoplani, computes, nuove fonti di enegia). Una eintepetazione dei suoi studi pecedenti(1998), ha condotto Haeussle all identificazione di te tipi divesi di alunni (pe quanto iguada il loo appoccio alla scienza): - Tecno-scientifico: ¼ del totale. Ha fote inteesse nella scienza come impesa intellettuale, negli atefatti e nelle caiee tecnologiche. 4/5 sono agazzi; - Umanista: poco meno di ½. Pincipalmente inteessato nel compendee i fenomeni natuali e le loo conseguenze pe l umanità. Ragazzi e agazze si tovano in ugual numeo - Cittadino: ¼. L inteesse pincipale sta nell impatto della fisica sulla società. La maggio pate degli alunni in questo guppo (3/4) sono agazze. Le diffeenze di genee dunque sono macate solo nel pimo e nel tezo pofilo. Al vaiae dell età il pimo mosta un chiao decemento nelle diffeenze di genee, il secondo è stabile, il tezo mosta un incemento. L insegnamento scientifico dovebbe favoie attenzione veso questioni socioeconomiche e alla pepaazione dei agazzi pe futui impieghi. I agazzi sono molto inteessati negli aspetti economici, patici e pesonali della scienza, che non si tovano nei cuicula di scienza tadizionali. Questi isultati sono stati utilizzati pe designae unità d insegnamento che hanno potato a benefici cognitivi ed affettivi nel medio temine, specie nel caso delle agazze. Un guppo vuole mettee più enfasi sui concetti ed i metodi scientifici. Il secondo sulla tecnica e gli aspetti patici della scienza. Impotanza dell insegnante e Coelazione o no ta motivazione e qualità dell appendimento Diamo attenzione anche ai isultati che emegono da una iceca di Osbone, Simon e Collins (003): L impotanza dell insegnante: l efficacia di un cuiculum è tascuabile se compaata a cosa può fae un insegnante competente ed entusiasta [dell insegnamento, speo, non della mateia e basta]. In alte paole, la padonanza dell agomento da insegnae è un fattoe deteminante. La elazione ta gli atteggiamenti ed i isultati dell appendimento: i isultati della iceca sembano contaddittoi. Mente alcuni studi mostano una coelazione positiva ta motivazione degli alunni e qualità dell appendimento, alti no. 3.La supeconduttività nella scuola secondaia Divese iceche sottolineano la necessità di innovae i pogammi di fisica del liceo in paticolae pevedendo contenuti di fisica contempoanea (Aubecht, 1989; Gil & Solbes, 1993; Nasello 000, Ostemann, Moeia 004). Anche se l'attenzione pincipale è oientata ad intodue temi fondamentali 3

40 come la meccanica quantistica e la elatività (Ostemann, Moeia 000a), un numeo cescente di lavoi evidenzia l'impotanza di pendee in consideazione alti aspetti come la supeconduttività: Espeimenti dimostativi di levitazione in laboatoi didattici sono stati poposti in un contesti divesi (Schneide et al, 1991; Abd-Shuko, Lee 1998, Bown 000; González-Joge, Domaco 004; Zwittlinge, 006; Schon et al 008;. Stehlow, Sullivan 009); pecosi didattici sulla supeconduttività e elative mateiali di suppoto pe gli insegnanti che pesentano i pogessi nelle applicazioni tecnologiche dei supeconduttoi (Ostemann, et al. 1998a, Gough 1998 AAVV 007), possono attivae la costuzione di modelli, una citica i-analisi delle conoscenze in meito magnetico e popietà elettiche dei mateiali, stimolando la connessione ta scienza e tecnologia, il ponte ta fisica classica e quantistica (Ostemann, Moeia 004), apono una iflessione sulla natua della scienza (Tasa 009). Pecosi fomativi attuati nella scuola con gli studenti e con gli insegnanti in fomazione costituiscono i pimi positivi test di fattibilità (Osteman 000, Ostemann, Moeia 000b, 004; Schon 008; Tasa 009). In paticolae nel pogetto di Ostemann e Moeia (00b), sul tema della supeconduttività è stato pepaato un testo di 74 pagine(ostemann et al., 1998a, 1998b) pe gli insegnanti scuole secondaie basate su divesi ifeimenti(rose-innes e Rhodeick, 1988; Cyot e Pavuna, 199; Luiz, 199; Nobel, 1996; Pueu Neto, 1996). iltesto compende una beve descizione stoica del fenomeno, le popietà di base di un supeconduttoe (Zeo esistività ed effetto Meissne), temodinamica della tansizione supeconduttoe, la teoia di London, la teoia Ginzbug-Landau, la teoia BCS, levitazione magnetica, supeconduttoi di tipo II e applicazioni della supeconduttività. In laboatoio è stato utilizzato un chip supeconduttoe (YBaCuO, Tc = 9 K), delle dimensioni di una moneta, a scopo dimostativo. tale mateiali è stato utilizzato pe la fomazione insegnanti. Esso ha il pegio dalla sintesi in chiave didattica di contenuti innovativi. Ha il limite di gan pate delle poposte didattiche in cui la spiegazione di fenomeni e concetti sostituisce una didattica attiva di costuzione dei concetti I Pogetti della famiglia Supecomet Pe supeae l'appoccio descittivo-qualitativo genealmente seguito nelle opee citate, nel contesto dei pogetti euopei della famiglia Supecomet ( AAVV 010, 011;. Kedzieska et al 010), sono stati sviluppati mateiali didattici e pecosi didattici sulla supeconduttività nella scuola supeioe e speimentati dai patne italiani dei pogetti coodinati da Maisa Michelini a Univivesy di Udine. Dalla iceca, condotta in divese scuole italiane, con più di 500 studenti e 100 insegnanti, sono emesi diffeenziati pecosi fomativi, che pemettono di integae la supeconduttività negli odinai cuicula delle scuole supeioi, coinvolgendo gli studenti nell'analisi della fenomenologia e concentandosi sul compensione concettuale dei pocessi alla base della levitazione supeconduttività (Coni et al 009;. Michelini, Viola 011; Viola 010). Sono stati sviluppati quatto pogetti coelati: Supecomet, Supecomet, MOSEM, MOSEM. Tali pogetti ( sono fondati sull esigenza, individuata da divesi filoni di iceca, che sia necessaio ioganizzae i contenuti della fisica classica pe dae spazio e integae oganicamente la fisica modena [19-]. Hanno studiato come individuae ponti di accodo ta fisica classica e modena [3-4], adottando appocci didattici attivi basati sulla laboatoialità [5, 15, 5-6], in cui l opeatività attuata con mateiali semplici, nuove tecnologie, stumenti multimediali è posta al sevizio della costuzione concettuale [0, 4-34]. La supeconduttività è stata scelta come tema della fisica del 900 ilevante pe i suoi contenuti e le sue icadute tecnologiche [0-], da inseie in continuità con i cuicola di elettomagnetismo, e come spunto pe una loo ioganizzazione [-3]. La disponibilità di supeconduttoi, a costi accessibili, ha candidato divesi appocci basati su esploazioni fenomenologiche e analisi delle sue applicazioni tecnologiche [19-0, 8-9]. 3..Il pogetto Supecomet (SUPERCOnductivity Multimedia Educational Tool phase ), è stato un Pogetto biennale che si è sviluppato all inteno del Pogamma Leonado da Vinci fase II dell Unione Euopea. 4

41 Obiettivo del Pogetto è stata la messa a punto di applet multimediali pe l insegnamento della supeconduttività ivolti in paticola modo a studenti di Scuola Secondaia Supeioe pe la ceazione di una comunità intenazionale a livello euopeo pe il innovamento dell insegnamento della fisica. L intoduzione del tema della supeconduttività nel cuiculum di fisica delle Scuole Supeioi avviene pe mezzo di: - una applicazione inteattiva su CD-Rom (animazioni, film di espeimenti dimostativi, testi esplicativi sviluppati nell ambito del pogetto Supecomet); metodi pedagogici modeni come, pe esempio, appendimento collaboativo e poblem solving. In Italia l Univesità di Udine ha guidato e coodinato la speimentazione che ha coinvolto studenti di Scuola Supeioe, dalla Sicilia alle egioni del Nod. In questo contesto sono stati sviluppati molti e diffeenziati mateiali: animazioni inteattive, testi, video, mateiali hands-on pe espeimenti qualitativi e quantitativi elativi ai fenomeni, di elettomagnetismo ed elettostatica, connessi con la supeconduttività, una guida pe l insegnante e un seminaio pe il taining degli insegnanti [Michelini et al, 007]. Questi mateiali sono stati utilizzati sia nei seminai di fomazione insegnanti che nelle speimentazioni in classe. Dopo un pimo peiodo di speimentazione e disseminazione, i mateiali sono stati integati con nuove poposte allo scopo di mettee a punto quella che è la vesione finale della applicazione. In paticolae, duante il pimo anno del Pogetto sono stati podotti: un CD-ROM con mateiali didattici; una guida pe l insegnante pe chiaie caatteistiche e uoli dei mateiali di suppoto (testi, woksheets e pesentazioni multimediali) e spunti pe pecosi didattici. Duante il secondo anno: i mateiali sono stati tadotti nelle lingue dei paesi patecipanti al pogetto; l applicazione è stata speimentata in classi di Scuola Supeioe dei paesi coinvolti nel Pogetto; il coso di aggionamento e la guida pe l insegnante sono stati testati con un guppo di insegnanti di ifeimento. Il guppo italiano, guidato dalla Pof. Maisa Michelini dell Univesità di Udine, nel pimo peiodo ha tadotto e adattato tutti i mateiali pe la speimentazione, ha collaboato alla definizione di poposte didattiche incluse nella guida pe l insegnante, ha cuato l adattamento dei mateiali ai cuicula dei vai tipi di scuola in Italia, e duante il secondo anno e un peiodo di estensione, ha condotto vaie tipologie di speimentazione. Alla fine del peiodo di speimentazione e disseminazione sono state appotate modifiche e coezioni ai mateiali ed essi sono stati integati fino a podune un vesione finale. Aticoli da citae pe questo testo: Engstom V, Ieson G, Latal H, Mathelisch L, Michelini M, Peetes W, Rath G (008) The Supecomet Poject: teache semina, in FFP9, Sidhath B. G. et al. eds., AIP 1018, Melville-New Yok,.1-4. [31]Michelini M, Viola R, Engstom V (008) Supeconduttività: espeimenti e modelli, in Didamatica Infomatica pe la didattica, pate I, Andonico A et al eds., Lateza ed., Bai, [3]Michelini M, Viola R (008) Gli stumenti multimediali della speimentazione Supecomet, in Didamatica Infomatica pe la didattica, Andonico A et al eds., Lateza ed. Bai, I pogetti Mosem Maio Gevasio, Maisa Michelini, Loenzo Santi, Albeto Stefanel, Rossana Viola (014) I pogetti MOSEM e la supeconduttività pe una innovazione didattica a scuola: il contibuto italiano di iceca didattica, Il Gionale di fisica, in stampa] Il pogetto MOSEM (Minds-On expeimental equipment kits in Supeconductivity and ElectoMagnetism fo the continuing vocational taining of uppe seconday school physics teaches) e il successivo MOSEM 5

42 (MOdelling and data acquisition fo the continuing vocational taining of uppe seconday school physics teaches in pupil-active leaning of Supeconductivity and ElectoMagnetism based on Minds-On Simple ExpeiMents) sono stati appovati nell ambito del pogamma Leonado da Vinci dell Unione Euopea pe pomuovee l innovazione didattica in fisica, utilizzando e sviluppando mateiali e isultati dei Pogetti euopei Supecomet [30-36]. Hanno coinvolto olte 30 patne di 11 nazioni (fig. 1) [33-35], ta cui 11 istituti supeioi patne-speimentatoi di pogetto pe la validazione di mateiali, stumenti didattici e poposte, 10 istituti supeioi coinvolti nelle fasi di fomazione insegnanti, valutazione mateiali e poposte didattiche, e speimentazioni didattiche pe un totale di 1300 studenti e 0 insegnanti di scuole supeioi. Fig.3.1 In giallo I paesi coinvolti nei pogetti MOSEM del LLL-LdV PROGRAMME e la home-page del sito della famiglia dei pogetti SUPERCOMET ( La dimensione di iceca del pogetto e i elativi isultati hanno iguadato quatto divesi piani: A) pogettazione e ealizzazione di appaati didattici nel quado del Reseach and Development (R&D) [37-38], B) citei di pogettazione dei mateiali didattici e iceca fondata sul quado teoico della Designed Based Reseach (DBR) [39-40]; C) implementazione, secondo il Model of Educational Reconstuction (MER) [41], di attività didattiche sulla supeconduttività con gli studenti e iceche empiiche sui pocessi di appendimento; D) fomazione insegnanti e elative iceche di sviluppo pofessionale, nel quado teoico del Pedagogical Content Knowledge (PCK) [4]. Fig.3.. LTK-Low tech kit e HTK-High-Tech kit di MOSEM. Sono oganizzati come insiemi di isose da assemblae pe attività in classe su magnetismo, coente elettica, induzione elettica (LTK), esploazione dei fenomeni supeconduttivi e di conduzione elettica nei solidi (HTK). La diffusione di mateiali innovativi in sistemi scolastici diffeenti ichiede una gande flessibilità e modulaità, pe pote ispondee alle esigenze di divesi cuicola nazionali, tipologe di scuola, stili di insegnamento. I mateiali didattici di suppoto di MOSEM sono stati pogettati e messi a punto come ambienti di isose multifunzionali a cui attingee pe implementae poposte didattiche validate dalla iceca, pesonali pecosi di insegnamento/appendimento basati sui mateiali del pogetto o che ne utilizzano singoli espeimenti, video, simulazioni. Ne sono esempi: i kit speimentali Minds-On ealizzati con 6

43 mateiali povei e con le nuove tecnologie, che possono assee asssemblati in modi diffeenti pe ealizzae più espeimenti (fig.); le simulazioni basate su modelli, che ne consentono un uso esploativo completamente apeto; le applicazioni multimediali fotemente inteattive, che integano animazioni, misue con sensoi, video analisi, modellizzazione; le guide pe l insegnante, disponibili in cataceo e in ete, che illustano mateiali, diffeenziati pecosi e metodi di insegnamento attivo (fig. 3). L adattabilità dei mateiali e delle poposte a contesti e cuicoli divesi è uno dei pincipali esiti aggiunti dai pogetti MOSEM. [33-36] Le scuole e gli insegnanti coinvolti nelle validazione dei mateiali e nelle speimentazioni hanno espeito vaie tipologie (Modelli) di seminai di fomazione, basati sui mateiali del pogetto, tadotti nelle divese lingue dei paesi patecipanti ed esploabili anche in un ambiente web nazionale pedisposto allo scopo ( Nell ambito di tali pogetti l insegnante speimentatoe si è confontato con alti insegnanti e icecatoi del popio paese e di alti paesi, su una piattafoma web e in pesenza. L insegnante che ha potato in classe i mateiali ha lavoato all inteno di un contesto di icecaazione, a patie dai wok-shop fomativi pe studi di fattibilità, costuzione di pecosi e stumenti didattici e di monitoaggio dell appendimento. L attuazione e valutazione di speimentazioni in classe è stata sostenuta da discussioni in itinee di confonto e analisi dei pecosi di appendimento via via seguiti dagli studenti. La multidimensionalità della fomazione e la pogettazione diffeenziata hanno costituito gli aspetti più innovativi della modalità di fomazione insegnanti dei pogetti. [30-36] Fig Mateiali di suppoto pe insegnanti. La guida pe l insegnante, che include un esposizione divulgativa di concetti e scopete sulla supeconduttività, indicazioni sui seminai di fomazione; poposte di attività con gli studenti, schede di lavoo; descizione sintetica degli espeimenti; le guide LTK e HTK, con descizioni degli espeimenti che si possono ealizzae con tali kit, illustazioni, documentazioni di dati campione, avvetenze su impiego e sicuezza [34-36]. Le speimentazioni nelle scuole dei paesi patne sono state un significativo test di fattibilità sull intoduzione della supeconduttività nella scuola supeioe. La diffeenziazione, la icchezza e l ampiezza delle poposte e la fote integazione di espeimenti/video/modellizzazione/simulazione si sono dimostati gli elementi che hanno consentito di adattae le poposte olte che a contesti divesi anche ai divesi stili e pecosi di appendimento degli studenti. [31-34] In tale ambito pogettuale la collaboazione italiana al pogetto, dell Unità di Riceca in Didattica della fisica dell'univesità di Udine (URDF) si è caatteizzata come contibuto di iceca su divesi piani: 1) R&D - pogettazione e messa a punto di pototipi pe lo studio speimentale della esistività di solidi in funzione della tempeatua e dell'effetto Hall con sensoi collegati via USB all'elaboatoe, ) DBR - pogettazione e validazione di poposte speimentali low cost e elativi pecosi didattici integati con i temi cuiculai di elettomagnetismo e in Laboatoi di Esploazione Opeativa e Concettuale in contesti infomali, 3) PCK modelli, stumenti e metodi di sviluppo pofessionale degli insegnanti 7

44 8 4) MRE - studi empiici sui pocessi di appendimento degli studenti.

45 CAPITOLO 4 Supeconduttività: stoia, espeimenti, modelli pe una icostuzione didattica dei contenuti 4. 1 Intoduzione Nella pospettiva di una icostuzione concettuale dei contenuti, si pesentano qui le pincipali tappe stoiche delle iceche sulla supeconduttività, discutendo i pincipali isultati speimentali aggiunti in questo ambito e i pincipali modelli sviluppati pe descivelo. 4. Le pincipali tappe stoiche della supeconduttività La supeconduttività fu scopeta ta Apile e Maggio del 1911 dal fisico olandese H.K. Onnes. All epoca di Onnes, a Leida, le pincipali linee di iceca vetevano sullo studio delle popietà dell elio, liquefatto lì pe la pima volta nel 1904, e sullo studio dei sistemi fisici alle basse tempeatue (ottenute popio usando l elio liquido). Pima del 1911 si iteneva che la esistività avesse un valoe esiduo al di sotto del quale non potesse scendee. Gli espeimenti condotti a basse tempeatue avevano come scopo la deteminazione di questo valoe esiduo; come pimo metallo fu utilizzato il mecuio. Tale elemento liquefa ad una tempeatua piuttosto bassa (34,3 K, ovveo -38,83 C). Negli anni successivi fuono poposte vaie teoie fenomenologiche e nel 1957 Badeen, Coope e Schiffe sviluppano la teoia micoscopica della supeconduttività basata sulla meccanica quantistica, nota come BCS Theoy. Questa teoia costituisce tuttoa la spiegazione più esauiente della supeconduttività dei mateiali metallici. L anno pima Coope pesentò un poblema iguadante coppie di elettoni legati in un gas di Femi degenee. Ta gli anni 60 e 70 fuono studiati composti di leghe intemetalliche caatteizzate da tempeatue di tansizione più alte. Nel 1986, a seguito di lunghi studi sulle popietà elettoniche delle peovskiti (che possiedono impotanti popietà feoelettiche), Mulle e Bednoz ottenneo la tansizione allo stato supeconduttivo ad olte 30K nel composto Ba - La - Cu - O: questo espeimento apì la stada ad una nuova classe di supeconduttoi che tansiscono a tempeatue supeioi a 90 K e che possono essee affeddati con azoto liquido. Questi sono detti supeconduttoi ad alta tempeatua citica (HTS); l anno successivo vinseo il Pemio Nobel. L ossevazione del compotamento supeconduttivo nei mateiali feoelettici fu una scopeta ivoluzionaia, poiché fino agli anni 60 si pensava che tali mateiali non potesseo essee supeconduttivi. Nel 1988, Pakin scopì la supeconduttività a 15 K nel composto Ti Ca Ba Cu 3 O x e nel 1993 ci fu la scopeta della supeconduttività a 135 K nel composto HgBa Ca Cu 3 O 8. Non esiste ancoa, peò, una teoia micoscopica, come BCS, in gado di spiegae la supeconduttività ad alte tempeatue. Negli ultimi anni è stato scopeto un alto mateiale inteessante, S RuO 4, che è il pimo mateiale supeconduttoe di tipletto, anche se è caatteizzato da una tempeatua di tansizione piuttosto bassa (si veda Paagafo 4 pe i dettagli). 9

46 Nel 008 si è visto che sostituendo nel composto LaOFeAs (che è supeconduttivo a bassissime tempeatue) una pate di ossigeno con il fluoo, la tempeatua di tansizione aumenta fino a cica 60K. È stato ossevato che la popietà supeconduttiva è legata al feo. Un campo di iceca attuale iguada lo studio di effetti di supeficie dei mateiali supeconduttoi topologici, nei quali tali effetti di supeficie sono più ilevanti di quelli bulk. Attualmente sappiamo che in molti metalli che non sono caatteizzati da un odine magnetico, a tempeatue estemamente basse, si manifesta lo stato supeconduttivo. Olte 0 elementi metallici diventano supeconduttoi al di sotto di una ceta tempeatua citica (T c ); alti elementi acquistano questa peculiaità sotto pecise condizioni (alta pessione; sottofoma di film sottili). Di seguito si può ossevae la tavola peiodica degli elementi dove sono stati evidenziati gli elementi supeconduttivi: Figua4.1: Tavola peiodica degli elementi; sono evidenziati gli elementi supeconduttivi Dalla tavola peiodica in Figua 3.1 si nota che non sono supeconduttivi Cu, Ag, Au, cioè quelli che sono i buoni metalli. Questa è un evidenza speimentale. Vicevesa diventano supeconduttoi mateiali che a tempeatue odinaie non sono dei buoni conduttoi. 4.3Le popietà fondamentali dei supeconduttoi Dai pimi espeimenti condotti a basse tempeatue fu ossevato pe il mecuio un andamento del tipo ipotato in Figua3.1. Popietà 1 30

47 Figua4.: Andamento qualitativo della esistività in funzione della tempeatua Figua4.3: Caduta a zeo della esistività in un film a cescita epitassiale di YBa Cu 3 O 7 (Hopfengätneet al., 1991). Fu ossevata un impovvisa tansizione nel diagamma esistività- tempeatua del mecuio. Essa diminuiva con busca tansizione dal valoe di 0.1Ωm a 10-5 Ωm a 4.K, ma questa stima ea legata alla sensibilità dello stumento, petanto la esistività si può consideae nulla. Onnes ossevò che tale elemento passava in uno stato con popietà elettiche completamente divese da quelle note fino a quel momento e lo chiamò stato supeconduttivo. Egli eseguì lo stesso espeimento con alti metalli e ossevò un compotamento simile a quello del mecuio. 31

48 Un alta impotante evidenza speimentale (1933 da Meissne e Ochsenfeld in Gemania) fu che questi elementi nella fase supeconduttiva diventano pefetti diamagneti, cioè all inteno si genea un campo magnetico che si oppone al campo esteno applicato. Fu ossevato che la suscettività aveva l andamento del tipo in Figua3.4 Figua 4.4:(a) Andamento della suscettività in funzione della tempeatua misuata in due divese condizioni ZFC affeddamento a campo nullo (cicoletti chiusi)e affeddamento a campo diveso da zeo (cicoletti apeti) pe una soluzione esa in polvee(cechi) e campioni di ganoallineatidiyba Cu 3 O 7 in un campo di5mt conb APPװc (tiangoli) eb APP c (quadati), (b) suscettività nomalizzata pe campioni affeddati a campo nullo di(a), (c) misue di χ a FC a0,3t, tacciate con la stessa convenzione (Lee e Johnston, 1990). Figua 4.5:Dipendenza dalla tempeatua del ecipoco della suscettibilità 1/χ pe una vasta seie di tee ae R elemento sostituto R Ba Cu 3 O 7-δ di supeconduttoi nella gamma di tempeatue K in un campo di 1 T (linee continue). I dati pe i coispondenti composti non supeconduttivi iscaldati sottovuoto(linee tatteggiate) vengono mostati pe confonto. Il compotamento lineae è indicativo pe il paamagnetismo (Taascon et al., 1987b) 3

49 Popietà Figua4.6: Andamento qualitativo della suscettività in funzione della tempeatua Figua4.7:Flusso di coente attaveso un filo nomale a sinista e supeconduttoe di tipo I a desta. Si noti che la pofondità di penetazione λ detemina lo spessoe sia della egione di tansizione all'intefaccia che quella dello stato supeficiale. Figua4.8:Andamento del campo magnetico inteno < R ed esteno > R in funzione della distanza dal cento di un cavo supeconduttivo in cui fluisce una coente I confinata nello stato supeficiale. Un alto impotante isultato speimentale che fu ossevato è del tipo ipotato in figua

50 Popietà 3 Figua4.9.Discontinuitànelcaloe specifico di un campione di (La 0.9 S 0.1 ) CuO 4 in possimità dei 40K. Nel iquado viene messo in ilievo l ampiezza del salto. L andamentoat 3 indicato dalla cuva tatteggiata mosta come la tansizione avvenga olte la egione dove imane valida l appossimazione T 3. Figua Salto del caloe specifico temico ta l Al supeconduttivo confontato con il caloe specifico nello stato nomale(phillips, 1959, vedi Cow eong, 1990, p5.). Il caloe specifico a basse tempeatue decade esponenzialmente Un alta popietà che fu ossevata successivamente è la seguente: Effetto isotopico: dallo studio della tempeatua di tansizione e dai isultati speimentali si evidenzia che tale tempeatua è legata alla massa dello ione e, quindi, alla fequenza di oscillazione del fonone ( ω = K M ): α T C M (3.1) 34

51 La teoia oiginale BCS, che saà specificata nel seguito, pevede che l esponente isotopico α sia ½. La maggio pate dei comuni supeconduttoi sono in accodo con questa pevisione, tuttavia esistono delle eccezioni come ad esempio il molibdeno e l osmio, che mostano un effetto idotto, o il utenio che ha effetto isotopico essenzialmente nullo. 4.4Teoia BCS e coppie di Coope Dalla Popietà 1(annullamento della esistività) si intuisce che gli elettoni si muovono coeentemente come se non ci fosseo ostacoli, cioè gli elettoni si legano e non si espingono; esiste una ceta attazione ta gli elettoni. Dalla Popietà (pefetto diamagnetismo) si intuisce che all inteno del sistema si cea, al di sotto della tempeatua di tansizione, una coente spontanea che si oppone al campo magnetico applicato estenamente. Questa coente spontanea, quindi, essendo anche la esistività nulla, cicoleà pe anni (il tempo stimato è di cica 10 5 anni). Dalla Popietà 3(caloe specifico con andamento esponenziale decescente) si può ossevae che l andamento esponenziale decescente del caloe specifico è un compotamento tipico dei sistemi i cui livelli eccitati sono sepaati dallo stato fondamentale mediante un gap di enegia. Passae da uno stato nomale a uno supeconduttivo significa che c è tansizione di fase dovuta a meccanismi di inteazione foti e petanto non è applicabile una teoia di tipo petubativo. La teoia BCS è una teoia di campo medio, ma in questa tattazione viene analizzato un modello semplificato, cioè viene studiato il compotamento di due elettoni, pe capie peché essi si attaggono, e pe spiegae la pesenza di un gap di enegia nello spetto. Coope consideò due elettoni in possimità del livello di Femi in pesenza di un inteazione attattiva e notò la fomazione di uno stato legato, la cui enegia isulta facilmente calcolabile. Nella teoia BCS viene supposta la pesenza di un gap di enegia, che viene successivamente calcolato in funzione della tempeatua aggiunta dal mateiale. L inteazione ta gli elettoni è cetamente di tipo coulombiano, ma il compotamento attattivo è stato ossevato in un gas di elettoni inteagenti pe azione coulombiana, in pesenza di un eticolo, e quindi dei fononi. In queste condizioni la costante dielettica è inomalizzata e tale inteazione può essee anche attattiva. Quindi l inteazione attattiva che viene ipotizzata è dovuta alla pesenza degli ioni: un elettone si muove e il eticolo (quindi i fononi) segue il suo moto, poi aiva un alto elettone, che vede l elettone di pima che ha inteagito con i fononi e tale inteazione può compotae un cambio di segno. In tal caso l elettone isente di una caica positiva e quindi inteagisce in modo attattivo con l alto elettone, ma non è detto che si cei uno stato legato, bisogna comunque effettuae delle veifiche. Figua4.11: Ceazione di una coppia di Coope pe effetto del eticolo Il fatto che gli elettoni si legano attaveso questo meccanismo è deivabile dall effetto isotopico che espime il uolo impotante appesentato dal eticolo cistallino. In una descizione micoscopica del eticolo, quest ultimo è descivibile tamite delle quasi-paticelle dette fononi. I fononi, in patica, appesentano le eccitazioni elementai associabili alle vibazioni eticolai. Nella descizione del sistema elettoni-fononi, se si considea momentaneamente soltanto il gas di fononi (di essi si disquisià nel posieguo della tattazione), è possibile utilizzae i isultati ottenuti dal modello di 35

52 Dude pe un gas di elettoni; infatti, come pe gli elettoni in Dude, i fononi sono consideati libei ed indipendenti. Il modello di Dude fu sviluppato agli inizi del Novecento pe spiegae le popietà di taspoto nei metalli. In tale modello è stata applicata la teoia cinetica dei gas di Maxwell-Boltzmann agli elettoni in un solido sulla base di alcune assunzioni fondamentali: gli ioni sono consideati immobili e dotati di caica positiva tale da compensae la caica negativa degli elettoni affinché sia consevata la neutalità del metallo. Gli elettoni vengono, quindi, tattati come un gas non inteagente, cioè vengono tascuate le inteazioni ta elettone ed elettone (appossimazione di elettone indipendente) e le inteazioni (di tipo Coulombiano) ta elettone-ione (appossimazione di elettone libeo); l elettone inteagisce con gli ioni solo mediante gli uti, cioè eventi istantanei che cambiano buscamente la sua velocità. Il tempo che intecoe ta un uto e l alto lo si indica con τ ed è detto tempo di ilassamento. La velocità di uscita dalla collisione, inolte, ha una diezione casuale, non coelata alla velocità pima della collisione, e modulo legato alla tempeatua locale. Si può consideae la isposta dielettica di un gas di elettoni supposto infinitamente esteso. Si può valutae l equazione del moto di un elettone libeo, posto nel campo elettico esteno, che isulta del tipo: 36 E ( k ω t ) i (, t) = E 0 e (4.1) Dove Eè il vettoe campo elettico, è il vettoe posizione ispetto ad un sistema di coodinate abitaio, E 0è una quantità complessa descivente l ampiezza e la polaizzazione dell onda, ω è la pulsazione e kè il vettoe d onda complesso. Si assume che il campo fisico sia appesentato dalla pate Reale di questa elazione complessa. Quindi, l equazione del moto di un elettone libeo posto nel campo elettico (4.1) conduce alla funzione dielettica (pate eale): ω p ε ω = 1 (4.) ω ( ) con 4πσ 0 ω p = (4.3) τ e con la condizione ωτ >> 1. A seconda di come è fatto ω, si può avee uno stato di opacità o di taspaenza del campione: infatti, isolvendo l equazioni di Maxwell con il campo elettico dato dall equazione (4.1), se ω<ω P, la soluzione è un esponenziale decescente (opacità); mente se ω>ω P si ottiene una soluzione oscillante (taspaenza). Se si ilassa l assunzione che gli ioni siano fissi, si può pensae che essi vibino intono alla loo posizione di equilibio. In quest ottica lo studio del poblema Hamiltoniano lo si può affontae utilizzando i modi nomali. Genealmente il linguaggio dei modi nomali è sostituito da una descizione copuscolae equivalente, pe l'appunto i fononi. Anche in questo caso esiste un dualismo onda-paticella. I fononi (dal geco phonos,cioè suono) sono quasipaticelle che descivono quanti di vibazione in un eticolo cistallino. In geneale la teoia delle vibazioni eticolai è applicabile sia ai metalli che agli isolanti. L applicazione igoosa di questa teoia ai metalli è complicata dal fatto che gli ioni sono caichi e che sono pesenti elettoni di conduzione. Anche la più semplice teoia delle vibazioni eticolai in un metallo deve tene conto della pesenza di un insieme di elettoni che non possono essee consideati legati fotemente al coe ionico. Gli elettoni di conduzione inteagiscono con gli ioni attaveso foze elettostatiche intense quanto la foza Coulombiana dietta ta gli ioni. Questi elettoni imuovono il poblema connesso al lungo ange dell inteazione elettostatica dietta ta gli ioni. Supponendo di ignoae le foze che gli elettoni di conduzione esecitano sugli ioni, alloa la teoia delle vibazioni di un eticolo metallico può essee tattata come la teoia dei modi nomali pe un insieme di N paticelle di caica Ze e massa M in un volume V. Nel limite di gandi lunghezze d onda si può fae un analogia ta il gas fononico è il gas elettonico, che è caatteizzato da una ceta fequenza di plasma ω P, come è noto dai isultati ottenuti dal modello di Dude: - fequenza di plasma pe un gas di elettoni:

53 4πσ 0 4π n e ω p = = (4.4) τ m con - fequenza di plasma pe un gas di fononi: 4 πσ 0 ne 4 neze Ω p = ( Ze) = π M Z M M massa dello ione numeo di fononi a disposizione densità di fononi (ogni ione può cedee Z caiche) (4.5) Si ottiene che i fononi oscillano ad una fequenza pai a quella di plasma e cioè ad una fequenza costante. Questo isultato è peò scoetto, infatti nello spetto enegetico dei fononi non sono pesenti solo i ami a fequenza, e quindi enegia costante (ami ottici), ma anche i ami acustici. Pe coeggee questa tattazione si deve consideae l'effetto dello sceening del sistema "gas di elettoni" sul gas di fononi. Da un punto di vista puamente effettivo, l'influenza del gas di elettoni sullo spetto enegetico ω dei fononi, si taduce in una inomalizzazione ispetto alla costante dielettica del gas di elettoni. Ω p Ω p Ω pk ω ( k) = = = ε el KTF k + KTF (4.6) 1+ k Nel limite in cui il vettoe d'onda di Thomas-Femi è molto maggioe di k (limite di gandi lunghezze d'onda) si ottiene: Ω pk ω KTF (4.7) Ω p - ω k, quindi si itova il amo acustico con 300 m s che è la velocità del suono. K TF Petanto il amo acustico è conseguenza del fatto che i fononi sono immesi nel gas di elettoni: gli elettoni contibuiscono sul piano effettivo con una costante dielettica (che è quella di Thomas-Femi). Oa si considei il sistema globale "fononi più elettoni": la costante dialettica di questo sistema è tale che: TOT EXT ε Φ = Φ (4.8) con TOT Φ potenziale totale che agisce sul sistema EXT Φ potenziale esteno (né dovuto agli elettoni né ai fononi, ma a tutte le estanti caiche estene) ε costante dielettica del sistema globale L analogo pe la pate elettonica è: EL TOT EXT ION ε Φ = Φ + Φ (4.9) Si è consideato l'effetto sui soli elettoni delle alte due pati del sistema, ovveo gli ioni e le estanti caiche (ovviamente non si consideano gli stessi elettoni). Analogamente pe gli ioni: Si hanno quindi te equazioni costitutive: ION TOT EXT EL ε Φ = Φ + Φ (4.10) 37

54 TOT EXT ε Φ = Φ EL TOT EXT ION ε Φ = Φ + Φ (4.11) ION TOT EXT EL ε Φ = Φ + Φ EL ION NOTA: le inteazioni elettone-elettone e ione-ione sono contenute nei temini ε e ε nella seconda e nella teza equazione della (4.11) ispettivamente. Sommando la seconda con la teza si ha: EL ION TOT EXT ε + 1) Φ = Φ (4.1) ( ε Quindi pe la pima equazione della (4.11) si ha che la costante dielettica del sistema globale è: EL ION ε = ε + ε 1 (4.13) Si ha: = = EL ION ION ε ε + ε 1 EL ε 1 ε 1 + EL ε (4.14) Siccome Ω ION p ε ( ω) = 1 ω (4.15) EL KTF ε ( k) = 1 k si ottiene: 1 k = ε ( ) Ω p k + K 1 (4.16) TF EL ε ω Sapendo che la inomalizzazione dello spetto fononico è: Ω p ω ( k) = (4.17) EL ε si ottiene, infine: 1 k ω = (4.18) ε k + KTF ω ω ( k) Si può immediatamente notae che questa costante dielettica non è una semplice somma di contibuti ma contiene in maniea aticolata il contibuto elettonico e quello ionico, infatti mente il pimo pezzo k ω k + K contiene il contibuto puamente elettonico, il secondo TF non contiene solo ω ω ( k) quello ionico ma anche quello elettonico: infatti la ω ( k ) al denominatoe contiene la costante dielettica EL di Thomas-Femiε (equazione (4.15)). Oa si considei l inteazione colombiana nuda (cioè piva degli effetti di sceening elettonico e fononico l uno sull alto) nello spazio dei k: 4πe V ( k) = k (3.19) 38

55 pe intodue l effetto dello sceening globale si moltiplica V (k) pe 1 (esattamente come in ε e elettostatica, quando, in pesenza di un mezzo, il potenziale nudo 1 si moltiplica pe, con ε costante ε dielettica del mezzo). Quindi, l inteazione colombiana diventa: 4πe k ω = 4πe ω V( k) = (4.0) k k + KTF ω ω ( k) k + KTF ω ω ( k) Siccome ω può essee maggioe o minoe di ω ( k ), la epulsione coulombiana può divenie attazione; questo isultato è di fondamentale impotanza. Può instauasi, quindi, un attazione ta gli elettoni a causa dell inteazione con il eticolo, descitta dal ω temine. ω ω ( k) Questa isulta essee una sota di pemessa al fenomeno della supeconduttività; in definitiva: se può esseci attazione ta gli elettoni (ed il isultato a cui si è appena giunti confema che può esseci), si cea alloa un nuovo stato fisico, non iconducibile a nessun alto descitto in pecedenza (liquido di Femi) dato dallo stato supeconduttivo. Assumiamo oa che pe effetto dei fononi gli elettoni si attaggano e studiamo le conseguenze di questa assunzione. Conviene studiae un modello semplice consideando due elettoni in possimità del livello di Femi, petanto i vettoi d onda sono tutti maggioi del vettoe d onda di Femi, poiché al di sotto di tale enegia tutti gli stati sono occupati. Bisogna deteminae la funzione d onda che è costituita da una pate spaziale e una pate di spin: Ψ, = f, g σ σ ( ) ( ) ( ) 1 1 1, La funzione g ( σ,σ 1 ) dipende dallo spin dei due elettoni: 1 σ 1 = σ = Petanto lo spin totale è (pe la composizione dei momenti angolai 1 ): 1 = 0 σ TOT (4.1) (4.) (4.3) Se σ TOT = 0 alloa si ha la funzione d onda associata ad uno stato di singoletto, che è antisimmetica: 1 g 0 ( σ 1, σ ) = ( ) 1 1 (4.4) Speimentalmente si osseva che tutti i supeconduttoi sono di singoletto, tanne S RuO 4 che è di tipletto. Ne segue che pe l antisimmetia della funzione d onda, la pate spaziale deve essee necessaiamente simmetica, mente pe S RuO 4 la pate spaziale deve essee antisimmetica., cioè la pate spaziale, si può scivee ispetto alle coodinate del cento di massa e della coodinata elativa: 1 - il cento di massa è individuato da R = ( 1 + ); La funzione f (, 1 ) 1 l tot Composizione momenti angolai: dati due momenti angolai l 1,l il momento isultante è dato da: l1 + l = l1 l 39

56 40 - la coodinata elativa è 1 = ρ quindi: ( ) ) (, 1 ρ R R q i e f Φ = (4.5) Dove q è la quantità di moto del cento di massa (si compota tipo una paticella libea e petanto la funzione si può assumee di onda piana). Si può poe la velocità del cento di massa nulla pe consevazione della quantità di moto del cento di massa( 1 = q R i e ), alloa: ( ) ) (, 1 ρ Φ = f (4.6) e pe la simmetia della pate spaziale si deve avee che: ) ( ) ( ρ ρ = Φ Φ (4.7) Inolte, assumendo che la coppia di elettoni in consideazione si muova con velocità del cento di massa nulla, significa che i due elettoni si muovono con quantità di moto uguali in modulo e diezione e opposte in veso e possiedono spin opposto. Quindi i due elettoni sono caatteizzati da questa configuazione. Oa si supponga che Φ sia data dalla tasfomata di Fouie disceta: > = Φ k F k k i e k g ρ ρ ) ( ) ( (4.8) Pe pote effettuae la tasfomata di Fouie deve valee l invaianza taslazionale, ma esistono anche supeconduttoi che non sono invaianti pe taslazioni. È evidente che la simmetia della Φ implica che ) ( ) ( k g k g = (4.9) Inolte la somma è vincolata (k>k F ) poiché se k<k F si ha che 0 ) ( = k g, come conseguenza del pincipio di esclusione di Pauli. Il poblema Hamiltoniano è un poblema a due copi: ( ) ( ) ( ) ,,, E V m m h h Ψ = Ψ + (4.30) Sostituendo la funzione d onda discussa, tendendo conto che la (4.10) non agisce sulla pate di spin ma solo sulla pate spaziale, cioè sulla (4.8), si ottiene: ( ) ( ) > > + = + F k F k k i F k k k i e k g V k m e k g ρ ρ ε ε ρ h ) ( ) ( (4.31) È stato assunto che il potenziale sia di tipo centale ( ) ρ V ed è stato espesso l autovaloe ifeendolo all enegia di Femi: E ε F ε + = (4.3) Nella (4.11)moltiplicando pe ρ ' k i e ambo i membi e integando si ottiene la seguente espessione: ( ) ( ) + = + > > > F F F k k k i F k i k k k i k k k i k i e k g e d k g V e k m k g e e d ρ ρ ρ ρ ρ ε ε ρ ρ ρ h ) ( ) ( ) ( ' 3 ' 3 (4.33) Pe comodità, gli integali vengono eseguiti sepaatamente: 1. Se la quantità di moto del cento di massa non fosse nulla, alloa l impulso saebbe non nullo e i due elettoni non saebbeo più degenei in enegia. Affinché siano degenei bisogneebbe fonie ad uno dei due elettoni la diffeenza di enegia applicando un campo magnetico esteno, ottenendo così la supeconduttività in campo magnetico. In quest ultimo caso si avebbe una coppia di Coope con impulso diveso da zeo.

57 . Poiché: k > k F 3 d ρ e iρ ( k k ') g h m h m 3 ( k ) k = L g( k ') k' 3 i ( k k ') ρ e ρ = (4.34) 3 d L δk k' (4.35) Cioè l integale è nullo, poiché la funzione integanda è combinazione di funzioni seno e coseno, a meno che k=k, così che la funzione integanda diventa uguale ad 1. Poiché ρ ρ 3 ( ρ) g( k ) = L g( k ) Vk k ' k (4.36) 3 i ( k k ') d e V > > k k F k F 3 i ( k k ') d e V = ρ ρ 3 ( ρ) L Vk k' Cioè è la tasfomata di Fouie di V ( ρ). L integale al secondo membo della (4.13) è tipo l integale 1. studiato (4.16), petanto: 3 h L g( k ') m (4.37) 3 3 k' + L g( k ) Vk k ' = ( ε + ε F ) L g( k ') k > kf (4.38) L 3 si può semplificae da ambo i membi e esta un equazione integale con g(k ) incognita. Riscivendo la (4.18): h g ( k') k' ( ε + ε F ) = g( k) V k k ' m k> k F (4.39) Lo scopo di questa tattazione è capie se questi elettoni si attaggono, ottenendo uno stato legato, cioè conoscee ε; si utilizza un modello molto semplificato. Pe esempio, si può suppoe che il potenziale sia fattoizzabile V k k ' = WkWk ', ma la tattazione non si semplifica al massimo. Pe semplificae ancoa di più si può ipotizzae la costanza del potenziale nelle vicinanze del livello di Femi: 3 h k h k' L λ ε F e ε F < hωd m m Vk k ' = h k h k' (4.40) 0 ε F o ε F > hωd m m Il segno meno davanti al pimo temine è stato intodotto pe l ipotesi di potenziale attattivo, L 3 è il volume e λ è la costante di accoppiamento. La scala dell enegia è quella fononica, cioè l ampiezza dell intono del livello di Femi è fonita dall enegia dei fononi, poiché il potenziale è attattivo nel loo spetto; in alte paole, si confonta l enegia dei due elettoni, che sono intono al livello di Femi con l enegia fononica ( h ω D, doveω D è la fequenza di Debye). Affinché vi sia inteazione ta i due elettoni è necessaio che entambi possiedano enegia in un ange pai a hωdintono a ε F ; ed è sufficiente che solo uno dei due elettoni abbia enegia supeioe ad hωdpe non avee inteazione. 41

58 4 Figua4.1: Effettiva inteazione elettone-elettone in possimità della supeficie di Femi Si può scivee dunque: ( ) = + k F k g L k m k g ) ( ' ') ( 3 h λ ε ε (4.41) Pe isolvee questa equazione è conveniente eseguie una somma ispetto a k su ambo i membi: ( ) + = ' 3 ' ' ) ( ') ( k F k k k m k g L k g ε ε λ h (4.4) OSSERVAZIONE: l ipotesi della costanza del potenziale nello spazio dei k coisponde ad ipotizzae che, nello spazio Reale, tale potenziale sia della foma δ di Diac. L indice della sommatoia è muto, petanto al pimo membo è conveniente sostituie k con k in modo da pote semplificae tale temine con lo stesso temine al secondo membo, dato che è costante ( Cost k g k g k k = = ' ') ( ) ( ): ( ) ( ) + = + = ' 3 ' 3 ' 1 1 ' 1 ) ( ) ( k F k F k k k m L k m k g L k g ε ε λ ε ε λ h h ( ) + = ' 3 ' 1 1 k F k m L ε ε λ h (4.43) La (4.3) è un equazione agli autovaloi che non è semplice da isolvee; petanto è conveniente tasfomae la sommatoia in integale 3 : ( ) + = F k m k d ε ε π λ ' 1 ) ( ' h (4.44) k vaia nella shell D ω h. È utile definie la seguente quantità: ( ) ξ ε ε ε ε ε : ' ; ' ' = = + F F F k m k m k m h h h (4.45) L integale si può scivee, intoducendo un integazione fittizia ispetto a ξ: 3 ( ) ( ) = k F k d k F V k V 3 3 ) ( 1 lim π

59 3 1 d k' 1 ξ δ ( ξ ξ ) λ = π d ( k) 3 (4.46) ( ) ξ ε ma 3 d k' N ( ξ ) = δ ( ξ ( k) ξ ) 3 (4.47) (π ) è la densità degli stati, quindi l integale nella (4.6) si può scivee: 1 hωd 1 = dξ N ( ξ ) (4.48) λ 0 ξ ε Gli estemi di integazione sono giustificati dal fatto che la ξ indica quanto diffeisce l enegia dell elettone dal livello di Femi, ma l inteazione avviene in un ange pai a h ω D. È agionevole ipotizzae che in questo ange la densità degli stati sia costante e quindi può essee ifeita al livello di Femi N(0): 1 hωd 1 = N (0) dξ (4.49) λ 0 ξ ε Oa l integale è facilmente isolvibile: 1 = N (0) hω ε ω D ln( ξ ε ) D = ln h 0 λ λn(0) ε hω ε = D (4.50) N (0) 1 e λ Si può ipotizzae che λ sia piccola e quindi: ε h ω D e λ N (4.51) ed è l enegia dello stato legato, che è negativa. L enegia del sistema è più bassa quando gli elettoni inteagiscono, ispetto al caso in cui non inteagiscono, petanto gli elettoni tendono a legasi. L enegia ea stata ifeita nella (4.1) all enegia di Femi ( E = ε + ε F) e si è ceato un gap nell enegia di eccitazione: OSSERVAZIONI: = hωde E = ε F λ N (0) (0) (4.5) - pe ogni λ finito il gap Δ ha valoe finito; - il isultato ottenuto è ifeito alla scala di enegia fononica, come conseguenza della supposizione che i fononi siano i esponsabili di questo meccanismo; 1 - non si può sviluppae in seie λ e, ciò iflette il fatto che la teoia BCS non può essee icavata da un calcolo petubativo; - nella (3.39) c è N(0), quindi la densità degli stati al livello di Femi può vaiae, ingandendo o diminuendo, così, il gap di enegia e la T c. Se si iuscisseo a ceae mateiali con tale gap più gande si otteebbeo T c più elevate; - nel caso in cui il numeo di elettoni fosse elevato e ci fosse un elettone spaiato, il suo effetto è tascuabile;quest analisi è stata fatta nello spazio dei k e se due elettoni sono vicini in questo spazio, nello spazio Reale sono lontani (tipicamente qualche migliaio di Angstom). Le coppie di Coope si muovono in modo solidale nello spazio eale a distanze elevate l una dall alta. 43

60 44

61 CAPITOLO 5 Espeimenti significativi pe la scuola 5.1 Intoduzione Di seguito si ipota una accolta di espeimenti esploativi e quantitativi che sono significativi pe una poposta didattica iguadante l insegnamento della supeconduttività integata con i cuicola di elettomagnetismo a livello secondaio. Ciascun espeimento viene pesentato indicando: titolo, finalità, mateiale necessaio e foto/illustazioni degli appaati, pocedua, isultati e conclusioni; suggeimenti pe gli insegnanti. Essi hanno costituito la base di ifeimento pe la poposta pogettata e speimentata nel contesto della pesente tesi. Si popongono attaveso una descizione sistematica anche come ifeimento pe insegnanti che vogliano in futuo utilizzali pe autonome speimentazioni in classe. 5. Effetto Meissne puo Finalità: indagae la capacità di isposta ad un campo magnetico esteno popia di un supeconduttoe Cenni teoici:se un mateiale effettua la tansizione da stato nomale a supeconduttivo, esso etoagisce alla pesenza di un campo magnetico esteno annullando attivamente al suo inteno il campo magnetico esteno e podotto ad esempio da un magnete posto sulla sua supeficie. Questo vincolo a zeo del campo magnetico all'inteno di un supeconduttoe è distinto dal diamagnetismo pefetto che isulteebbe dalla sua esistività elettica nulla. Resistenza zeo voebbe die che, se si è tentato di magnetizzae un supeconduttoe, si geneeebbe un loop di coente tale da annullae esattamente il campo imposto (legge di Lenz). Se il mateiale possiede già un campo magnetico costante al suo inteno quando viene affeddato effettuando la tansizione supeconduttiva, dovebbe pemanee il campo magnetico. Se non si poducesse alcun cambiamento nell intensità del campo magnetico applicato, non si dovebbe manifestae alcuna tensione applicata (legge di Faaday) atta poi a pilotae coenti, anche in un conduttoe pefetto. Quindi l'espulsione attiva di campo magnetico deve essee consideata un effetto completamente diveso dalla esistenza nulla. Mateiale utilizzato: sottile disco magnetico, pinzette di plastica, azoto liquido, ecipiente di polistiolo, supeconduttoe Meissne. 45

62 Figua 5.1: Attezzatua utilizzata Pocedimento: posizionae il magnete al di sopa del pellet Meissne ed ossevae gli effetti magnetici podotti avendo pontamente atteso che si sia instauato l equilibio temico ta il supeconduttoe a tempeatua ambiente e l azoto ciogenico (77 K). Vanno distinti essenzialmente due casi legati alla pocedua di pepaazione dell appaato speimentale: (caso A) affeddando pima la pasticca di YBCO ed in seguito ponendo sopa il magnete (caso B) ponendo il magnete sopa l YBCO a tempeatua ambiente e poi affeddando l inteo sistema Figua5.: Sistema magnete feo magnete utilizzato in seguito Caso A Fenomeno ossevato. il magnete potato sopa all YBCO affeddato viene espinto indipendentemente dalla pate con cui viene avvicinato, ossia dal polo affacciato all YBCO. E possibile che posizionando oppotunamente il magnete sopa all YBCO esso esti in levitazione stabile. Ta YBCO e magnete si osseva una fote inteazione anche avvicinando il magnete latealmente]. Conclusione: L YBCO manifesta evidenti popietà diamagnetiche. Tali popietà si manifestano in pesenza del magnete (indipendentemente dal polo avvicinato) e sono l esito di una etoazione dell YBCO alla pesenza del magnete. L YBCO infatti espinge comunque il magnete e non inteagisce con un oggetto feomagnetico che non si stato pecedentemente magnetizzato. Caso B Fenomeno ossevato: Il magnete si stacca dall YBCO e levita sopa di esso. Conclusioni: l YBCO evidenza la sua natua di diamagnete pefetto (campo magnetico B = 0 al suo inteno, a pate le zone in cui si ha pinning che è un effetto pe quanto debole nel caso degli YBCO utilizzati, ma comunque decisivo pe la ealizzazione di configuazioni di levitazione stabile del magnete). Suggeimento: è oppotuno mostae che un supeconduttoe non è un magnete; infatti da qualsiasi diezione venga avvicinato il magnete si osseva come unico effetto la epulsione. 46

63 La polaità del magnete non ha influenza alcuna sulla iuscita dell espeimento: infatti può levitae da entambi i suoi lati. Avvicinando una clip d acciaio all YBCO, in assenza del magnete vicino, non si osseva alcuna inteazione. E inteessante mostae che in assenza di azoto liquido il magnete è tanquillamente appoggiato al di sopa del supeconduttoe; ciò pe dimostae ancoa una volta che il supeconduttoe non è un magnete, ed esibisce popietà magnetiche solamente al di sotto di una ceta tempeatua citica T c. 5.3 Confonto ta effetto Meissne e pinning Finalità: indagine sulla capacità di un supeconduttoe di mantenee fotemente saldo un magnete Cenni teoici: in un supeconduttoe ideale di tipo II nello stato misto sono pesenti fenomeni dissipativi che, ceando un aumento di tempeatua del mateiale, limitano la coente citica. Se peò il mateiale consideato non è ideale, ma contiene disomogeneità, difetti puntuali o di linea come dislocazioni ottenibili con defomazioni plastiche, inclusioni di fasi divese, queste possono attae e tenee ancoati i flussoidi. Il motivo pe cui i votici tendono a imanee attaccati a questi difetti è il fatto che in quella posizione si dimosta minimizza l'enegia libea di Gibbs del sistema. Tale fenomeno di ancoaggio pende il nome di pinning e le impefezioni che lo deteminano sono dette centi di pinning. Mateiale utilizzato: sottile disco magnetico, pinzette di plastica, azoto liquido, ecipiente di polistiolo, supeconduttoe ad effetto Meissne. Montaggio dell'appaecchiatua: L appaecchiatua è fomata dai seguenti elementi: sistema feo magnete, contenitoe pellet Meissne. Figua 5.3: Sistema magnete feo magnete utilizzato in seguito. Pocedimento seguito: posizionae il magnete al di sopa del contenitoe Meissne ed ossevae gli effetti magnetici podotti avendo pontamente atteso che si sia instauato l equilibio temico ta il supeconduttoe a tempeatua ambiente e l azoto ciogenico (77 K). 47

64 Figua 5.4: Sistema magnete feomagnete + moneta 0 centesimi + disco di YBCO. La moneta da 0 centesimi inseita ta il magnete ed il dischetto supeconduttivo funziona essenzialmente da spaziatoe esosi necessaio pe mantenee distanti i due mateiali e ceae una sota di legame magnetico. Conclusioni (aggiungimento degli obiettivi) E stata ealizzata la levitazione magnetica, si è manifestato un nuovo effetto detto pinning ancoaggio cioè ta magnete e dischetto supeconduttivo. In questa configuazione si può ossevae che ta magnete e YBCO si ha sia una fote epulsione quando li si ceca di avvicinae,sia una fote attazione, quando li si ceca di allontanae. La epulsione è l esito di un fote effetto Meissne, l attazione è l esito dell ancoaggio del campo magnetico nelle zone in cui esso peneta all inteno dell YBCO. Tale ancoaggio, che si manifesta come sospensione dell YBCO sotto al magnete, caatteizza l effetto pinning e lo diffeenzia dal pue effetto Meissne che si manifesta unicamente nella epulsione ta YBCO e Magnete. Al esiduo di effetti pinning è dovuta la stabilità della levitazione che si osseva nel caso dei supeconduttoi di II tipo cine le pastiglie di YBCO. Figua 5.5: Mantenendo in sospensione si cea un link magnetico 48

65 Figua5.6: Mantenendo in sospensione il sistema descitto in pecedenza si cea un link magnetico che favoisce l ancoaggio ta magnete e pastiglia supeconduttiva Il magnete imane fotemente legato al disco di supeconduttoe. Quando il campo magnetico applicato è più alto del campo citico infeioe ma più basso del campo citico supeioe, un supeconduttoe del II tipo pemette al flusso magnetico di penetalo nella foma di votici, una minuscola aea nomale cicondata da supecoenti. Sotto l'azione di una foza di Loentz estena o pe attivazione temica, i votici possono muovesi. Il loo moto induce dissipazione dell'enegia ed eventualmente può distuggee la supeconduttività. Recenti pogessi nella nano-fabbicazione hanno potato a staodinaie possibilità pe l'implementazione di stuttue di pinning nei supeconduttoi e contollae così il moto dei votici. La dinamica dei votici in geometie supeconduttive confinate ha geneato molto inteesse nell'ambito dello studio sia delle popietà fondamentali dei votici e sia dei dispositivi basati sul loo moto. Duante gli ultimi anni una vasta mole di lavoo scientifico è stata dedicata al miglioamento di alcuni paameti citici dei mateiali supeconduttoi. In paticolae, l'intoduzione di un eticolo egolae di centi di pinning atificiali in film sottili supeconduttivi può potae alla iduzione del moto dei flussoni dando luogo a valoi più alti della coente citica. Questo isultato è di impotanza patica poiché pe applicazioni tecnologiche è ichiesto ai supeconduttoi di lavoae a coenti citiche alte. 5.4 Levitazione invesa o ovesciata Finalità: effettuae alcune consideazioni in meito alla diezionalità delle popietà magnetiche di un supeconduttoe di II tipo. Si ceca di descivee in temini di qualità del link magnetico che si è instauato ta magnete e dischetto supeconduttoe. Mateiale utilizzato: sottile disco magnetico, pinzette di plastica, azoto liquido, bicchiee di plastica, vetino di plexiglass, supeconduttoe Meissne, azoto liquido Figua 5.7: Mateiale utilizzato duante l espeimento 49

66 Pocedimento: posizionae il magnete al di sotto del vetino di plexiglass, su cui è stata appoggiata una moneta da 0 centesimi. Posizionae il bicchiee di plastica al di sopa del sistema descitto in pecedenza e vesae lentamente l azoto liquido all inteno del bicchiee. Figua 5.8: Sistema magnete feomagnete utilizzato in seguito Figua 5.9: Sistema bicchiee di plastica con pastiglia supeconduttiva inseita al suo inteno Figua 5.10: Immagini che mostano il magnete levitae saldamente al di sotto del bicchiee di plastica Ossevazione: Il magnete esta sospeso sotto il bicchiee. Se si ceca di allontanalo esso semba ancoato sotto all YBCO estando alla distanza a cui è stato ceato lo stato supeconduttivo. Conclusioni: L effetto di ancoaggio dovuto al pinning compota che magnete e YBCO esti in una fissata distanza fa loo indipendentemente da quale dei due sistemi si tovi più in alto. Questa configuazione 50

67 caatteizza l effetto pinning. Essa non si può ealizzae nel caso in cui si utilizzi un SC con solo effetto Meissne, ossia con SC che pesentano debole effetto pinning. Suggeimento: Mostae che pu stattonando il bicchiee in sopa e sotto il magnete imane fotemente legato al bicchiee; tutto questo pe testimoniae l alta qualità del link magnetico instauatosi ta magnete e dischetto supeconduttoe. Inolte è utile evidenziae il fatto che, una volta imosso il magnete e posto a distanza notevole dalla pate infeioe del bicchiee di plastica esso isulta duamente attatto dal disco supeconduttoe se imesso nelle sue vicinanze. 5.5 Leaking beake: il ecipiente che pede Finalità: indagine sulle popietà magnetiche di una pastiglia supeconduttiva. Mateiale utilizzato: sottile disco magnetico, pinzette di plastica, azoto liquido, ecipiente polistiolo, Meissne supeconduttoe. Montaggio dell'appaecchiatua: Figua 5.11:Pellet Meissne contenente la pasticca di YBCO Pocedimento posizionae il magnete al di sopa del Meissne pellet ed ossevae gli effetti magnetici podotti. Conclusioni: La tempeatua di ebollizione dell'azoto liquido si aggia attono ai 77 K, quella dell ossigeno liquido è di cica 90 K. Quando l'azoto liquido viene vesato nel beche di alluminio, viene affeddato al di sotto di 90 K, anche all'esteno di esso (infatti l alluminio è un buon conduttoe temico ed il foglio è sottile). L'ossigeno dall'aia viene liquefatto in possimità della supeficie fedda del bicchiee e si ottiene qualche goccia di liquido. Il bicchiee non pede. L'ossigeno liquido è una sostanza paamagnetica, viene attatto da una calamita. E infiammabile, se una goccia cade su un fiammifeo acceso, si ealizza un baglioe. L'ossigeno liquido può essee ossevato anche duante gli espeimenti di levitazione: gocce di ossigeno liquido si condensano sul pellet supeconduttoe e vengono attatte dal magnete: a volte si può ossevae il manifestasi di una goccia che salta dal pellet al magnete. 51

68 Figua5.1:PelletMeissne 5.6 Dimostazione dell'esistenza delle coenti pesistenti in un disco supeconduttivo Finalità: indagine sulle caatteistiche delle coenti pesistenti pesenti in un supeconduttoe Cenni stoici:in uno dei suoi espeimenti Onnes lo scienziato scopitoe della supeconduttività fece passae una coente in un filo chiuso affeddato a 4 K. Un anno dopo la coente ancoa fluiva nel filo senza pedite misuabili. Onnes tovò che i supeconduttoi pemettono l'esistenza di quelle che lui chiamò coenti pesistenti, cioè coenti elettichee che continuano a fluie senza una diffeenza di potenziale che le sostenga. Viene detto costante di tempo di un cicuito e si tatta di una quantità caatteistica costante. Fisicamente la quantità di coentee contenuta nell'induttoe tamite la elazione al momento iniziale, nel momento in cui l'inteuttoe T viene chiuso, viene scaicata ento il cicuito: tale coente elettica si dissipa completamente nella esistenza R secondo la soluzione appena tovata: la coente tende esponenzialmente a zeo pe t. Il tempo caa eis co di questa caduta di coente è popio deteminato dalla costante di tempo: essa è il valoe dell'istante pe il quale la coente pende il valoe di: Mateiale utilizzato: sottile disco magnetico, pinzette di plastica, ecipiente polistiolo, supeconduttoe Meissne, azoto liquido, sonda di Hall pe la misua dell intensità del campo magnetico podotto 5

69 Figua 5.13: Immagine affiguante il mateiale utilizzato Pocedimento: posizionae il magnete al di sopa del pellet Meissne ed ossevae gli effetti magnetici podotti. Figua5.14: Sistema magnete feo magnete utilizzato in seguito Conclusioni: (aggiungimento degli obiettivi) effetto della levitazione magnetica ottenuta tamite Suggeimento: è oppotuno mostae che un supeconduttoe non è un magnete; infatti da qualsiasi diezione venga avvicinato il magnete si osseva l unico effetto della epulsione. 53

70 Figua 5.15: Tabella contenente i limiti di decadimento di alcune coenti pesistenti ossevate speimentalmente I valoi misuati con il gaussometo sono i seguenti: B = 4,8 mg con la sonda di Hall posta al di sotto del ecipiente di polistiolo B = 0,4 mgsenza la sonda di Hall (mg sta pe milligauss) L'unità di misua del campo magnetico teeste nel sistema intenazionale (SI) è il tesla (T) ma in patica si utilizza il suo sottomultiplo nanotesla (nt), pai a 10 9 T, oppue il gauss (G) (1 G = 10 4 T). Dall'equatoe ai poli, sulla supeficie teeste, il valoe del campo vaia da cica poco più di nt all'equatoe ai cica nt delle zone polai. Spiegazione del fenomeno 1. Quando l'asta e magnete vengono imossi dal ing un campo viene ancoa ilevato dalla sonda Hall.. Non appena viene imosso il ecipiente con l'anello supeconduttivo ed allontanato dalla sonda Hall una lettua efficace ileva un campo magnetico nullo. 3. Quando l'anello viene ibaltato idealmente il segno dei cambiamenti di campo. Tuttavia può accadee di ossevae una vaiazione essenzialmente nel valoe. 4. Idealmente non si dovebbe ossevae un campo magnetico indotto, ma solamente un campo di valoe idotto. 5. Un campo magnetico vaiabile genea un campo elettico; questo fenomeno è descitto dall'equazione di Faaday Neumann. La foza elettomotice indotta (EMF) in cicuito chiuso è uguale alla vaiazione del flusso magnetico nel tempo attaveso il cicuito. La EMF è espessa in Volt, mente il flusso magnetico in webe. Una coente elettica viene indotta in un qualunque cicuito chiuso quando il flusso magnetico attaveso una supeficie delimitata dai cambiamenti del conduttoe. Ciò si manifesta se il campo si vaia in modulo o il conduttoe viene imosso attaveso di essa. 54

71 Quando il magnete e l'asta si tovano in possimità del cento dell'anello nello stato " nomale", alloa il campo esteno podotto dal magnete passa attaveso l'anello e imane intappolato un ceto flusso magnetico. Quando l'anello viene affeddato tamite l ausilio di azoto liquido, si ealizza una tansizione allo stato supeconduttivo con l instauasi di esistenza nulla. Nel momento in cui il magnete viene imosso, vaia il flusso e secondo la legge di Lenz la FEM indotta nel cicuito da questo flusso vaiabile poduce una coente che genea il popio campo magnetico in modo tale da annullae tale vaiazione. Poiché il flusso non vaia con il tempo la coente imane costante. Questa coente pesistente è il isultato di un effetto meccanico quantistico che influenza le modalità con cui gli elettoni viaggiano nei metalli nello stato supeconduttivo. Ciò viene fuoi dallo stesso tipo di movimento che pemette agli elettoni all'inteno di un atomo di obitae incontastati attono al nucleo. La coente indotta è un cicuito intono all'anello e quindi, quando l'anello viene invetito il campo podotto ha segno opposto. 5.7 Misua dell'autoinduttanza di un campione di gadolinio effettuata a divese tempeatue Finalità: indagine sulle popietà magnetiche di un campione di gadolinio Cenni teoici: il gadolinio è un metallo delle cosiddette tee ae ha aspetto bianco-agenteo. Cistallizza a tempeatua ambiente in una foma esagonale compatta. A diffeenza degli alti lantanidi, è elativamente stabile all'aia, puché secca. Diventa supeconduttivo a tempeatue infeioi a 1,083 K. È fotemente magnetico a tempeatua ambiente ed è l'unico metallo non appatenente al guppo dei metalli di tansizione a mostae popietà magnetiche. In questa espeienza si vuole misuae l'autoinduttanza di un campione di gadolinio. Quest ultima è da consideasi la popietà dei cicuiti elettici tale pe cui la coente che li attavesa induce una foza elettomotice che, pe la legge di Lenz, si oppone alla vaiazione dell'intensità della coente stessa. La gandezza fisica associata, detta anche coefficiente di autoinduzione L del cicuito, è il appoto ta il flusso del campo magnetico concatenato col cicuito e la coente elettica passante. Piee Cuie fu il pimo a scopie che esiste una tempeatua citica pe ogni mateiale feomagnetico al di sopa della quale il mateiale si compota come paamagnetico. La suscettività magnetica segue la legge di Cuie-Weiss: DoveC è una costante caatteisticaa del mateiale, è la densità e in Kelvin. la tempeatua di Cuie misuata Mateiale utilizzato: pinzette di plastica, campione di gadolinio, elettocalamita, multimeto Montaggio: 55

72 Figua 5.16: Campione di gadolinio utilizzato Pocedimento: posizionae il campione di gadolinio all inteno dell elettomagnete e misuane il valoe dell autoinduttanza in divese condizioni di tempeatua: - iscaldato con l asciugacapelli, - affeddato in una miscela di acqua ghiaccio. Figua 5.17: Elettomagnete I valoi misuati sono i seguenti: Figua 5.18: Attezzatua utilizzata L = 4,61 mh vuoto L = 5,1 mh con il campione di gadolinio posto al suo inteno L = 6,53 mh dopo ave posto il campione di gadolinio in una miscela di acqua e ghiaccio L = 7,90 mh dopo ave iscaldato il campione di gadolinio con un asciugacapelli Raffeddae il campione di gadolinio nuovamente e ipetee la pocedua in esame egistando i valoi della tempeatua (T) e i coispondenti valoi dell autoinduttanza (L). Non appena il gadolinio viene potato al di sopa della tempeatua di 0 C diviene paamagnetico. Pe ogni elemento feomagnetico esiste una tempeatua citica detta di Cuie al di sopa della quale si ha il 56

73 passaggio dalla fase feo magnetica a quella paamagnetica. Pe il feo la tempeatua di Cuie vale K, pe la magnetite (magneti natuali) vale 858 K invece pe il gadolinio vale 93 K. 57

74 5.8 Misua della foza d'inteazione ta un supeconduttoe ad alta tempeatua citica (HTSC) ed un magnete pemanente posto a divese altezze Finalità: Riconoscee l andamento della foza di inteazione ta magnete e supeconduttoe Mateiale necessaio: sensoe di foza, sensoe di posizione della Pasco,suppoto in metallo, pinzette, azoto liquido, bicchiei di plastica, disco supeconduttoe, magnete pemanente, ecipiente Meissne Figua 5.19:Sistema magnete pemanente Figua 5.0: Sistema magnete supeconduttoe Figua 5.1:Suppoto di metallo Descizione della pocedua 58

75 Figua 5.: Magnete pemanente posto in un ecipiente Avvicinando il bicchiee di plastica contenente il supeconduttoe immeso in azoto liquido sostenuto da un apposito sostegno al elativo ecipiente in cui è posto il disco supeconduttoe è possibile egistae un andamento decescente della foza di inteazione ta i due sistemi. La salita e la discesa gaduale del suppoto supeioe può essee ealizzata tamite un soffietto a manovella che ne facilita il movimento lento senza salti impovvisi. Dati speimentali: Figua 5.3: Nel gafico sono ipotati esempi di andamenti della foza di inteazione in funzione della distanza ta un magnete tenuto femo ta due bicchiei di plastica taspaenti ed un supeconduttoe posto all inteno di un ecipiente 59

76 Figua 5.4: Andamento della foza di inteazione ta un magnete posto all inteno di un ecipiente (come affiguato nella possima Figua) ed supeconduttoe in funzione della posizione (discesa - linea blu scuo; salita - linea maone) Figua 5.5: Set up speimentale Consideazioni conclusive Pe miglioae la misua è possibile ealizzae un suppoto supeioe maggiomente saldo avente due punti di appoggio. 60

77 5.9 Dimostazione delle caatteistiche essenziali di un teno supeconduttivo Stabilità del teno supeconduttivo ed impotanza della taccia magnetica composta da te fasce magnetizzate in modo diffeente NSN. Finalità: Riconoscee la fote stabilità del vagoncino posto al di sopa della otaia Mateiale necessaio: monootaia, vagoncino di plastica, azoto liquido, spaziatoe di medio spessoe, azoto liquido, disco supeconduttoe, pinzette di plastica Figua 5.6: Binaio monootaia Figua 5.7: Sistema binaio monootaia + vagoncino Figua 5.8: Vagoncino e monootaia Descizione della pocedua: la pocedua da seguie pe endee mobile il vagoncino al di sopa della otaia è la seguente: posizionae uno spaziatoe di plastica al sopa della otaia ed un disco supeconduttoe con fote pinning. Alla fine poe il vagoncino al di sopa dell anello supeconduttivo. Vesae dell azoto liquido all inteno del vagoncino ed attendee del tempo sufficiente affinché si instaui l equilibio temico ta le vaie pati pesenti nel sistema. 61

78 Figua 5.9: Binaio monootaia 5.10 Misua della esistività di un campione di YBCO in funzione della tempeatua Finalità: indagine sulle popietà elettiche di un supeconduttoe Cenni teoici: i supeconduttoi sono paticolai mateiali che, se affeddati fino a tempeatue molto basse, e comunque al di sotto di una tempeatua T c, detta tempeatua citica (molto possima allo zeo assoluto, 0 K = 73 C, e caa eis ca di ogni mateiale), vedono buscamente annullasi la loo esistività elettica. Si compotano come supeconduttoi cica 30 elementi e molte loo leghe e composti. Il fenomeno della supeconduttività fu scopeto nel 1911 dal fisico tedesco HeikeKamelingh Onnes ( ), ossevando che la esistività del mecuio, a valoi possimi a zeo (cica 4 K), si annullava buscamente, anziché assestasi su valoi minimi. Figua 5.30: Stumentazione:intefaccia + placchetta 6

79 Figua 5.31: PC e stumentazione Mateiale utilizzato: Kit didattico della Leybold, azoto liquido, contatti elettici Figua 5.3: Recipiente contenente l azoto liquido Stumentazione:Leybold Didactic GMBH kit speimentale pe la deteminazione della tempeatua di tansizione supeconduttiva (Instuction Sheet 66605), composto da: 63

80 Figua 5.33: Contatti pe il montaggio dell appaecchiatua 1) adattatoe pe l acquisizione dei dati ) contenitoe di alluminio all inteno del quale è alloggiata una sbaetta di mateiale supeconduttoe YBCO munita di contatti pe la deteminazione della tensione e della coente e diun sensoe pe la tempeatua (con un ange da 0 C a -00 C) 3) contenitoe pe l azoto liquido, oppotunamente stuttuato in modo tale da alloggiae l inteo equipaggiamento di cui al punto 1) 4) tasfomatoe o Cicuito di alimentazione composto di un geneatoe di coente continua G (580mA), 1V Figua 5.34: Contatti pe la misua della esistenza R 64

81 Figua 5.35: Scheda di misua In paticolae l adattatoe pe l acquisizione dati, mostato in figua 4.3, ha i seguenti connettoi: 1. alimentatoe con uscita stabilizzata. misua di tensione di ingesso (supeconduttoe esteno) 3. sensoe di tempeatua di ingesso (supeconduttoe esteno) 4. uscita di misuazione della tempeatua 5. tensione di uscita della misua (Ua) 6. fattoe di guadagno 7. offset 8. ingesso modulo di misua 9. on-off 10. Pesa jack pe il plug-in di alimentazione Risultati ottenuti 65

82 66 Figua 5.36: Andamento tipico della esistività di un campione di YBCO in discesa

83 5.11 Moto di un magnete all inteno di un tubo metallico Figua 5.37: Andamento tipico dello spazio in un moto ettilineo unifome Il moto non è unifomemente acceleato come quello di un copo che cade nel vuoto o di un magnete che cade in un tubo di plexiglas. Dopo un tansitoio iniziale, difficile da deteminae con gli stumenti a disposizione, si osseva che la legge oaia tovata speimentalmente è quella di un moto ettilineo unifome. Figua 5.38: Caduta di un magnete all inteno di un tubo metallico e coenti indotte Il magnete in caduta è fenato dalle coenti indotte nel metallo del tubo podotte dal movimento di caduta del magnete stesso. Esame del poblema 1. La foza peso del magnete ne fa aumentae la velocità. Figua 5.39: Rappesentazione di un copo soggetto alla foza peso ed una foza di tipo viscoso 67

84 . Aumenta la apidità di vaiazione del flusso del campo magnetico attaveso la sezione del tubo. 3. Si genea una foza elettomotice indotta pe la Legge di Faaday- Newmann. 4. La coente indotta nel tubo aumenta con la velocità di caduta del magnete. 5. Aumenta il campo magnetico indotto che, pe la legge di Lenz, si oppone alla causa che l ha geneato. 6. Sul magnete aumenta la foza fenante. 7. La velocità tende a diminuie in contasto con l effetto della foza peso (questo è un effetto contaio alla causa iniziale). 8. Quindi dopo una fase tansitoia iniziale si può aggiungee una condizione di equilibio in cui la foza isultante sul magnete è nulla e la sua velocità è costante. 9. Pe studiae il poblema facciamo l ipotesi che la foza fenante sia di tipo viscoso: = Tecnica di esecuzione ed andamenti Figua 5.40: Semplici accogimenti tecnici Lo zeo della scala gaduata deve coincidee con l apetua del tubo posta in basso Il magnete A è quello in caduta, il magnete B viene tenuto all esteno del tubo alle vaie altezze e seve pe tenee e libeae il magnete A Quando si inseisce il magnete A (figua di sinista) l alto magnete B (figua di desta) deve essee già posizionato alla quota oppotuna pe agganciae il magnete A Pe agganciae coettamente il magnete A in caduta occoe che esso sia sempe oientato nello stesso modo (attazione) ispetto al magnete B Figua 5.41: Andamento tipico con divesi mateiali a confonto Tubo da 7 mm - METALLI A CONFRONTO - magnete piccolo 68

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86 70 CAPITOLO 6 LA PROPOSTA DIDATTICA SULLA SUPERCONDUTTIVITÀ NELLA SCUOLA SECONDARIA 1.Intoduzione In questo capitolo viene pesentata la poposta didattica sull insegnamento della supeconduttività nella scuola secondaia speimentata in sei classi di scuola secondaia supeioe delle povince di Udine e Saleno. Vengono discusse le motivazioni pe l intoduzione nella scuola secondaia di un tema di fisica modena e avanzata. le scelte metodologiche didattiche fatte pe l attuazione in classe della poposta di cui vengono discusse l impostazione e il filo del pecoso, olte che degli stumenti utilizzati pe attuae una stategia IBl con gli studenti e monitoae i loo pecosi di appendimento. Nei successivo capitolo 7 vengono invece pesentati i contenti di speimentazione e le modalità con cui il pecoso didattico è stato adattato e modificato pe implementalo nei divesi ambiti di speimentazione. Nel capitolo 8 viene pesentata l analisi dati. 6.. Motivazioni pe l inseimento delle Supeconduttività nella scuola secondaia supeioe La supeconduttività è un contesto ilevante facente pate la fisica del ventesimo secolo. Risulta davveo inteessante pe vai motivi: le sue applicazioni [1-3] e pe numeosi spunti teoici che può fonie. Può essee intepetata a divesi livelli teoici [4-5], offendo punti di collegamento utili ta fisica classica quantistica e la tattazione modena della teoia dei campi [6]. Nella pospettiva di innovae i cuicoli scolastici con l intento di inglobae aee sempe più ampie di fisica modena e ipensae il cuiculum si sono concentati vai contibuti in letteatua scientifica i quali imacano la possibilità di esploae questa fenomenologia in un laboatoio scolastico [7-11]. Tuttavia, pochi studi sono stati effettuati cica l'appendimento degli alunni in questo settoe ed il modo in cui utilizzano concetti ilevanti di elettodinamica ed elettomagnetismo allo scopo di analizzae questioni fondamentali quali campo magnetico e coente elettica all'inteno della mateia [6]. In un pogetto di iceca a lungo temine sono stati pogettati e speimentati pecosi fomativi che integano la supeconduttività nei cosi di elettomagnetismo odinai [1-13]. Questi pecosi attivano pocessi di appendimento degli studenti con l'esploazione fenomenologica e speimentale, in paticolae tamite la misua della caduta della esistività [14]. Sono stati condotti espeimenti di iceca, poponendo un appoccio alla supeconduttività centato sulle popietà magnetiche. È emeso che gli studenti che utilizzano sopattutto la appesentazione delle linee di campo sono in gado di da conto in modo coeente dell effetto Meissne [1-13, 15]. La supeconduttività appesenta uno dei fenomeni più spettacolai della fisica della mateia condensata. Quando un mateiale supeconduttoe viene affeddato sotto una deteminata tempeatua caatteistica (tempeatua citica o di tansizione), la coente elettica può scoee con esistenza nulla. Allo stesso

87 tempo, un eventuale campo di induzione magnetica viene espulso (in tutto o in pate: lo studio di questo secondo tipo di supeconduttoi è valso il Pemio Nobel nell'anno 003 ad A. Abikosov e V. Ginzbug, dal mateiale supeconduttoe (effetto Meissne, caatteistica che lo diffeenzia da un "semplice" conduttoe pefetto). La supeconduttività una manifestazione macoscopica della natua quantistica della mateia: l'esistenza di una debole inteazione attattiva fa elettoni del mateiale (come quella dovuta all'inteazione elettone-fonone) detemina la tasfomazione dello stato fondamentale dal nomale gas di Femi ad uno stato in cui le eccitazioni fondamentali sono sistemi legati di due elettoni con spin e quantità di moto opposti (coppie di Coope). Fino agli anni 80 la supeconduttività veniva consideata esauientemente descitta dalla teoia micoscopica BCS (dagli autoi Badeen, Coope e Schieffe, pemi Nobel nel veniva consideata come esaustiva nel descivee i fenomeni supeconduttivi. Un espeimento di iceca è stato condotto con 16 studenti (18 anni) di una classe di un liceo scientifico di Udine in 10 oe di attività di laboatoio svolte utilizzando fogli di lavoo Inquiy Based Stimoli e di un questionaio utilizzato come pe e post test. Sono stati studiati come gli studenti sono stati in gado di oganizzae una visione dinamica del pocesso di levitazione magnetica e attivato il collegamento ta le popietà elettiche e magnetiche dei supeconduttoi. 6.3 Il contesto della iceca condotta nella pesente tesi Nel contesto di un pogetto di iceca a lungo temine, sono stati pogettati e speimentai pecosi fomativi che integano la supeconduttività nei cosi di elettomagnetismo della scuola secondaia supeioe [cit. Supecomet e Mosem]. Questi pecosi attivano pocessi di appendimento degli studenti con l'esploazione fenomenologico e speimentale, sia attaveso espeimenti qualitativi, sia con misue con sensoi collegati in linea con l elaboatoe pe caatteizzae l andamento della esistività con la tempeatua e in paticolae mette in evidenza il fenomeno del beakdown della esistività alla tansizione di fase. Sono stati condotte speimentazioni di iceca in divesi contesti e con divesi guppi di studenti delle ultime classi elle scuole supeioi italiane, da cui è emeso che gli studenti nelle pime esploazioni della levitazione magnetica di un piccolo magnete posto sopa a un supeconduttoe affeddato alla tempeatua dell azoto liquido quando ossevano la levitazione si appotano a questa fenomenologia intepetando attibuendo inizialmente ai supeconduttoi popietà tipiche di oggetti magnetici odinai identificandoli ad esempio con magneti, oggetti feomagnetici. I modi con cui descivono e intepetano fenomenologicamente il fenomeno della levitazione si modificano pogessivamente quando esploano situazioni divese (ad esempio invetendo la polaità del magnete, cambiando il magnete, analizzando in che modo si modifica l inteazione magnetica ta due oggetti quando ta essi vi è un supeconduttoe). Il iconoscimento della natua diamagnetica dei supeconduttoi emege come esito della fenomenologia. Essa viene associata a una descizione di come un supeconduttoe modifica un campo magnetico esteno attaveso la appesentazione con le linee di campo del campo magnetico. Si sono ilevate coelazioni ta come gli studenti appesentano i campi magnetici nella mateia con le linee di campo e il iconoscimento della natua di diamagnete ideale dei supeconduttoi [citae lavoi sulle noste speimentazioni] La connessione ta popietà elettiche e magnetiche nei supeconduttoi viene attivata dall analisi del uolo delle coenti paassite podotte da un magnete in caduta su o dento un conduttoe metallico. Tova infozo nello studio speimentale dell andamento della esistività di campioni di YBCO in possimità della tansizione di fase. Tale esploazione non attiva la suddetta connessione se questa non viene innescata in pecedenti esploazioni allo scopo di soffemasi sul uolo dell induzione elettomagnetica nella levitazione magnetica vista come un pocesso di caduta di un magnete su un conduttoe ideale che avviene quindi a velocità di egime nulla [51]. 71

88 Sono state complessivamente pogettate ed implementate speimentazioni di iceca in 6 classi coinvolgendo 145 studenti con modalità divese. E stato messo a punto un pecoso speimentale descitto in seguito utilizzando schede di lavoo basate su una stategia di tipo Inquiy Based Leaning ([5] McDemott, L.C.) discusse e ipotate in appendice nella pesente tesi. Lo stato iniziale delle concezioni degli studenti è stato monitoato con pe e post test discusso nel paagafi finali e anch esso allegato alla tesi e sono stati studiati come gli studenti descivono l effetto Meissne, quali ifeimenti concettuali utilizzano e in quali contesti lo fanno, e come diffeenziano nelle loo descizione le fenomenologie dell'effetto pinning dall effetto Meissne puo. 6.4 Impostazione della poposta didattica La poposta didattica taduce l impostazione di seguito descitta che pevede un appoccio effettuato attaveso una esploazione fenomenologica peliminae delle popietà magnetiche della mateia opeata pe caatteizzae feomagneti paamagneti e diamagneti secondo il tipo e la foza dell'inteazione ta un (potente) magnete ed oggetti di divesi mateiali. L'analisi fenomenologica della popietà magnetiche di un disco di YBCO a tempeatua ambiente completa questa pate intoduttiva. Quest ultima viene ipetuta quando il disco di YBCO viene affeddato tamite l uso di azoto liquido. La natua diamagnetica dell YBCO emege nettamente non solo tamite l'inteazione sistematicamente epulsiva ta il magnete e il disco di YBCO, ma anche ossevando che l anello di YBCO schema il campo magnetico a T = T NL, quando esso viene inteposto ta un magnete e un anellino feomagnetico. Il collegamento ta le due caatteistiche tipiche dei supeconduttoi(r = 0, B = 0) viene in seguito poposto analizzando la caduta di un magnete su conduttoi odinai di mateiale diveso, e quindi astaendo a patie dal concetto di esistività quella limite tipica di un supeconduttoe cioè quella nulla. È stata effettuata un'analisi delle divese fome di levitazione e sospensione pe effetto pinning, sottolineando il fote legame ta il magnete e il disco YBCO che si veificano anche a distanza. Essa mia a distinguee l'effetto pinning e l'effetto Meissne. La stategia adottata consisteva nell'attivazione della costuzione di modelli mediante analogia emegente confontando la levitazione supeconduttivo e alte situazioni come, ad esempio, due magneti vincolati con poli opposti di fonte, un oggetto diamagnete odinaia e un magnete, la caduta di un magnete su / dento un conduttoe odinaio. I concetti di campo, la sua appesentazione fomale da linee di campo, il concetto magnetizzazione e il dipolo vettoe magnetico sono stati icostuiti attaveso e pe l'analisi delle inteazioni che avvengono ta sistemi odinai. Lo scopo del pesente lavoo è studiae come gli studenti usano questi concetti come ifeimento concettuale nell'analisi del Meissne e gli effetti pinning. La stategia poposta consiste di una sequenza di mico - step concettuali di un pecoso disciplinae attaveso le poposte della mappa. In ogni singola espeienza si chiede agli allievi di vivee un'espeienza in foma di gioco, vebalizzando tutte le popie ossevazioni e poi di esplicitae le popie convinzioni e icostuie il lavoo svolto pima di fomalizzalo. Ogni gioco coinvolge gli studenti e pevede un momento di guppo. 6.5 Mappe concettuali e poceduali Due mappe illustano ispettivamente l'oganizzazione dei concetti e quella delle poposte di attività. Esse sono il ifeimento pe l'insegnante che seguendo i passi concettuali degli studenti oganizzano pecosi diffeenziati pe la costuzione concettuale. - Le meaviglie della levitazione e concettualizzazioni - Mappa dei pimi passi nei fenomeni supeconduttivi: isola concetti/senso 7

89 ORGANIZZAZIONE DELLA STRUTTURA DIDATTICA Modulo Zeo Campo magnetico Induzione eletto-magnetica Campo magnetico geneato da una sopia Modelli atomici Modello di Dude Metallo/isolante Resistività Caloe specifico Discontinuità pe T=T c Il pecoso può essee oganizzato solo dopo quello che lo pecede Il pecoso può essee oganizzato non solo in sequenza al pecedente R(T) = 0 Supeconduttoi Mico pecosi altenativi 73

90 PERCORSO: FENOMENI SUPERCONDUTTIVI Aea integazione Mico Aea Didattica 1 Se VFS negativa Recupeo Aea integazione Mico Aea Didattica Individuale Se VFS negativa Aea integazione Mico Aea Didattica 3 Recupeo Individuale Intensivo Se VFS negativa VFS Recupeo CeR Individuale Intensivo positiva VS negativa Recupeo Individuale 74 CERTIFICAZIONE CREDITO FORMATIVO Cetificazione cedito fomativo successiva

91 un chiao effetto quantistico si manifesta tamite SUPERCONDUTTIVITA caatteizzata da RESISTIVITA QUASI NULLA ρ = 0 ρ lim inf = 10-3 Ω cm contaddistinta da te paameti citici EFFETTO MEISSNER espulsione delle linee del campo magnetico da un campione supeconduttivo che può endee visibile tamite l'utilizzo di azoto liquido la cosiddetta LEVITAZIONE MAGNETICA Supeconduttoi di II tipo Tempeatua campo magnetico e densità di coente citica tena di vaiabili (Tc, Hc,Jc) mateiali ceamici come YBa Cu 3 O 7 supeconduttoe del II tipo 75

92 Pevedo Esploo vedo Pecezione visiva Levitazione magnetica Potee congelante azotoliquido FENOMENI SUPERCONDUTTIVI supecon duce stato fisico Misua esistività Supeconduttoe/ isolante Mancanza di poli magnetici Fote ancoaggio T c come soglia Tansizione di stato Collo esistività No feomagnetismo CORRENTI INDOTTE sono intepetate tamite l PRINCIPIO DELL'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA SUPERCONDUTTIVITA legato alla esponsabili dell' I=f.e.m./R da cui si icava LEGGE DI FARADAY- NEUMANN (LEGGE DI LENZ) f.e.m.= - Φ(Β) / Τ EFFETTO MEISSNER caatteistica essenziale dello - quantizzazione del flusso delcampomagnetico - effetto Tunnel nei supeconduttoi TEORIA MICROSCOPICA BCS BARDEEN COOPER SCHRIEFFER(1957) spiegabile in temini della STATO SUPERCONDUTTIVO 76 MAPPA CONCETTUALE NUM. Isola concetti/senso

93 6.6Mateiali didattici e stumenti di monitoaggio Il pecoso didattico pogettato pevede l utilizzato degli espeimenti pesentati nel capitolo 4. Sono inolte state messe a punto alcune poposte innovative pe dae isposta alle ichieste stesse degli studenti. In paticolae l'esploazione fenomenologica della supeconduttività è stata condotta utilizzando il kit High Tech e LowTech Kit sviluppato nei pogetti Mosem (fig.1). Figua 6.1. L'HTK del pogetto Mosem e alcuni esempi di mateiali pe effetto Meissne, levitazione magnetica, modello MAGLEV. Il coinvolgimento pesonale degli studenti è stato attivato tamite l uso di fogli di lavoo IBL tutoiali (WS di seguito), pogettati in pecedenti iceche [19] e modificati pe adattasi seguito il pecoso fomativo (in fig. un esempio). Questi sono stati pogettati pe attuae il azionale del pecoso pesentato nella sezione pecedente, attaveso domande e compiti legati alla mico-concettuali apeti. Sotto saà pesentato i nodi poposti agli studenti in due WS (WS1 e WS) qui analizzati, le situazioni analizzate dagli studenti, le domande sono pegati di ispondee, e le domande di iceca connesse a fuoco. Popietà WS1a-magnetiche dei mateiali - Una esploazione peliminae sul magnetismo nella mateia ed elettomagnetismo tovato la seguente intepetazione della supeconduttività e quindi sono qui inclusi mia a studenti modi di guadae alla popietà magnetiche dei mateiali odinai e la elativa appesentazione linee di campo. Gli studenti, consideando un oggetto immesi nel campo magnetico podotto da un magnete sono pegati di ispondee alle seguenti domande: tenendo conto della appesentanza linee del campo, i vettoi dipolo, il compotamento ossevato in esploazione speimentale, cecando di giustificae il compotamento ossevato in caso di a) feomagnetico; b) paamagnetico; c) gli oggetti diamagnetici. Il focus è ivolto ad analizzae il modo in cui gli studenti caatteizzano i divesi mateiali ed i quadi concettuali di ifeimento usati. Popietà WS1b-magnetiche di YBCO a T = T env. Analizzando l'inteazione di un magnete e un disco fisso YBCO alle estemità di un giogo sospeso, gli studenti sono tenuti a classificae opeativamente le popietà magnetiche del YBCO. Il focus è su: come gli studenti caatteizzano le popietà magnetiche di YBCO? quello concettuale di ifeimento hanno usato? 77

94 Figua 6. Tutoial WS1 pe l'esploazione dell'effetto Meissne. Linee WS1C-campo di un magnete ed un disco di YBCO a T = T env, in connessione con l'attività pecedente, lo studente considea la situazione a tempeatua ambiente T env e gli viene ichiesto di disegnae le linee di campo pe il sistema. Paticolae attenzione è stata dedicata al modo in cui gli studenti disegnano la linea di campo fuoi e dento i divesi oggetti coinvolti. WS1d-Fenomenologia della levitazione supeconduttiva a T = T NL, agli studenti viene ichiesto di ispondee alle seguenti domande iguadanti la situazione... Vesae l'azoto liquido sul sistema YBCO - magnete e attendee che la tempeatua diminuisce, Descivee cosa si osseva? Come si spiega questo? Fae ipotesi e ceca di spiegae che cosa è cambiato anche aiutae con un disegno. Quali aspetti sono focalizzato da pate degli studenti? Quali concetti hanno usato? I RQS si focalizzano su: come gli studenti spiegano i fenomeni ossevati? Si imane ad un livello descittivo o si intoduce un ifeimento concettuale pofondo tale da spiegae alcuni aspetti impotanti? WS1e. Popietà magnetiche di YBCO a T = TLN. Spostae il magnete, modificae l'angolo di avvicinamento. Sono cambiate le popietà di YBCO? Come? Quali popietà essi attibuiscono all YBCO? Come si motivano le popietà attibuite? come si spiegano questi cambiamenti? WS1f. Linee di campo del sistema. La levitazione magnete - YBCO. Tacciae le linee di campo pe il sistema descitto. Come gli studenti disegnae le linee di campo fuoi e dento i sistemi coinvolti? Come l YBCO modifica le linee di campo? Le linee di campo attavesano il dischetto di YBCO? Pe quanto iguada la WS3 qui saà consideato a soli due punti elativi all'effetto pinning: WS3 Caatteizzae effetto pinning. Come si fa a descivee l'effetto pinning? Come si fa a disciminae pinning effetto pe effetto Meissne? Nel pesente lavoo ci concentiamo su come gli studenti descivono effetto pinning, quale aspetto della fenomenologia si focalizzano; come spiegano il fenomeno e distinguono pe l'effetto Meissne. 78

95 Una seconda fonte di dati utile pe acquisie infomazioni sul modo in cui gli studenti oganizzano le loo conoscenze sui mateiali supeconduttoi è fonita dall analisi di una composizione scitta individualmente assegnata pe casa effettuata ispondendo alle seguenti domande apete: "Pe quanto iguada l'effetto Meissne: A) Cosa avete ossevato? B) Spiegae in temini di linee di campo e / o magnetico di dipolo vettoe momento ". Il tezo stumento di monitoaggio è il test utilizzato come pe test e post test. Le schede ed il test sono ipotate all inteno dell appendice numeo PERCORSO : FENOMENI SUPERCONDUTTIVI La poposta didattica messa a punto pe la speimentazione di iceca in supeconduttività consiste in un pecoso speimentale di tipo esploativo in cui le situazioni di studio vengono offete sotto foma di attività hands on inquiy. Duante quest ultime gli studenti conducono indagini con mateiali di studio povenienti dal mondo eale. Le attività di iceca hands-on possono vaiae dall estapolazione( captue ) senza alcuna iuscita di featues della scienza autentica al cattuane tutte le caatteistiche essenziali.i semplici espeimenti concettuali pesenti nei libi di testo sono una foma impotante di inchiesta hands-on e questi compiti condividono poche o nessuna delle caatteistiche tipiche della autentica iceca scientifica. Punti di foza Le libee attività di inchiesta hands-on isultano paticolamente indicate a favoie inventiva popie degli studenti,ad incoaggiae il contollo complesso della competenza di valutae gandezze fisiche mutevoli nel tempo e il ipensamento citico in meito a difetti metodologici. Si illusta qui il pecoso utilizzando le domande di iceca (DR) che ci si è posti in elazione alle divese situazioni (S). Situazioni poblematiche (S). domande di iceca (DR) 1. CAMPO MAGNETICO E SUE CONFIGURAZIONI 1. Avvicinae un magnete ad un alto magnete: inteazione ta due dipoli 1 Si tatta di una egione di spazio tidimensionale eale o si considea la necessità di una foza? S. Quesito iniziale: disponendo in laboatoio di un magnete e di un alto cilindo metallico molto simili ta loo, avendo appuato che una volta avvicinati, si osseva che pima si attiano e poi si attaccano l uno all alto, si pone la seguente domanda: la pocedua in base alla quale si stabilisce se entambi i cilindi sono due magneti S3. Esaminando l inteazione a distanza che si speimenta con divesi esploatoi nello spazio cicostante il magnete si individuano le linee di campo - Vengono individuati i divesi tipi di inteazione ta due magneti? 3 E pefeita una descizione in temini di foza oppue di campo vettoiale? 4 Vengono individuate le analogie fa campo elettico e magnetico? 4 - Viene iconosciuto che le linee di campo sono una stuttua simmetica tidimensionale? S4. Linee di campo in casi opposti: poli omologhi affacciati; poli divesi affacciati Rappesentazione, pe ognuna delle due situazioni, in 5 Viene ichiamato all attenzione l intevento del campo magnetico teeste nel delineae il campo isultante? 6 - Gli studenti descivono le linee e/o le confontano in divese situazioni? 79

96 temini di vettoi di dipolo e di linee di campo. Viene iconosciuto che la configuazione delle linee di campo pemette una pevisione sul tipo di inteazione ta i dipoli? S5. Possibile sospensione di un magnete sull alto Rappesentazione in temini di vettoi di dipolo e di linee di campo. 7 - Viene iconosciuta l impossibilità di sospendee un magnete sull alto a meno di intodue un vincolo? 8 - Gli studenti si mantengono su un piano descittivo o aggiungono un livello anche intepetativo? 9 - Viene usata una descizione in temini di dipoli? 10 - Vengono usate le linee di campo magnetico pe spiegae la fenomenologia? Figua.6.3 Linee di flusso del campo magnetico pe un anello. RISPOSTA AD UN CAMPO MAGNETICO ESTERNO S6. Inteazione ta un magnete e oggetti di diveso mateiale avvicinando il magnete a: S6.1. una gaffetta o una sfeetta: feomagnetismo S6.. una bilancia di tosione [solfato di ame e acqua] o [polvee di alluminio e acqua] o [solfato di ame e olio]: paa e diamagnetismo S6.3. sottile mina di gafite piolitica: diamagnetismo Rappesentazione, pe ognuna delle te situazioni, in temini di vettoi di dipolo e di linee di campo Viene utilizzata la descizione in temini di dipoli e di linee di campo pe appesentae le situazioni esaminate? 1 - Gli studenti si mantengono su un piano descittivo o aggiungono un livello anche intepetativo? Quali modelli intepetativi emegono pe la fenomenologia ossevata? 13 - Vengono iconosciute le analogie e le diffeenze ta le vaie situazioni? 14 - Viene iconosciuto che gli oggetti pesi in consideazione si compotano come dei dipoli, indotti dal campo magnetico esteno? 15 - L esploazione viene fatta avvicinando uno solo o entambi i poli del magnete? Figua.6.4 Cuvatua delle linee del campo magnetico in possimità di una sfea supeconduttiva in un campo applicato costante 80

97 S7. Analisi della possibilità di sospendee una sottile sfoglia di gafite piolitica su un magnete S8. Esploazione dell inteazione ta un magnete e un campione di YBCO (YBaCu3O7 - supeconduttoe del II tipo con debole pinning) pe deteminae il tipo di mateiale. 6 - Vengono individuate analogie e diffeenze col caso della sospensione di un magnete sull alto? 17 - Viene iconosciuta la necessità di un vincolo pe avee sospensione? 18 - L esploazione è basata su ipotesi esplicite/ implicite? 3. LE LINEE DI CAMPO S9. Analisi delle linee di campo all inteno e fuoi dai mateiali 19 - Viene tenuto conto del pincipio di sovapposizione di campi? Sia dento che fuoi il mateiale? 0 - Viene data una descizione/ intepetazione in temini di dipoli e/o di linee di campo? Figua 6.5 Penetazione di un campo magnetico applicato in un supeconduttoe semi infinito.la lunghezza caatteistica viene detta di penetazione λ ento cui il campo diminuisce di un fattoe e -1. S9.1. Analisi della possibilità che la pesenza di un mateiale in un campo magnetico costante ed unifome possa modificae il campo magnetico isultante S9.. Analisi di come si modifica il campo magnetico isultante se un mateiale feomagnetico, paamagnetico, diamagnetico viene immeso in un campo magnetico unifome, tenendo conto della appesentazione pe linee di campo, di quelle pe vettoi di dipolo e del compotamento ossevato nella esploazione speimentale. S9.3. Configuazione delle linee di campo del sistema magnete + YBCO (a T ambiente) S10. Esploazione del compotamento del sistema magnete +YBCO (supeconduttoe del II tipo con debole pinning) all abbassasi della tempeatua (affeddando con azoto liquido): effetto Meissne ed effetto pinning 1 Gli studenti iconoscono pienamente che si tatta di una tansizione di fase?? Vengono utilizzati quadi di ifeimento intepetativi o puamente descittivi? 3 - Viene utilizzata una descizione in 81

98 temini di linee di campo? Figua.6.6 Schema di una levitazione di un magnetino al di sopa di un supeconduttoe YBCO immeso in azoto liquido S11. Confonto e descizione in temini di dipoli pe ciascuno dei casi: 1) due magneti ) magnete e gafite piolitica 3) supeconduttoe e magnete 4 - Viene utilizzata una descizione in temini di dipolo? 5 - Quali modelli intepetativi emegono pe spiegae l effetto pinning? Mente nel caso della gafite piolitica il diamagnetismo evidenzia come si ealizza una sospensione non di equilibio della gafite piolitica, il supeconduttoe semba essee in equilibio. Figua.6.7 Reticolo esagonale tipico coinvolto nei cosiddetti Votici di Abikosov 4. EFFETTO PINNING E TRENO MAGLEV S1. Esploazione dell inteazione ta un magnete ed un campione di YBCO (YBa Cu 3 O 7 - supeconduttoe del II tipo) pe deteminae il tipo di mateiale. Le linee di campo del sistema magnete + YBCO (a T ambiente) S13. [Raffeddamento con campo magnetico] detto FC Field Cooling Esploazione del compotamento del sistema magnete + YBCO (supeconduttoe del II tipo con fote pinning) all abbassasi della tempeatua nei due casi: S14.1. magnete poggiato sul disco di YBCO S14.. con uno oggetto di plastica inteposto 6 In base a consideazioni di tipo teoico viene individuato e compeso l insogee di un legame paticolae che si instaua ta magnete e supeconduttoe? 7 - Quali modelli intepetativi emegono pe giustificae la diffeenza di intensità di tale legame ispetto al caso pecedente? Configuazione delle linee di campo dei sistemi dopo la 8

99 tansizione. S15. [Raffeddamento in assenza di campo magnetico] detto ZFC ovveo Zeo Field Cooling 8 In quale modo gli studenti iescono a spiegae i compotamenti ossevati? Raffeddae il campione di YBCO e poi povae ad avvicinae il magnete. S16. Un magnete in levitazione su un supeconduttoe YBCO (del II tipo con debole pinning) - il contibuto della legge di Faaday- Neumann- Lenz in alcuni fenomeni connessi alla levitazione magnetica: S1.1. il magnete esta in levitazione e non cade sul supeconduttoe S1.. pe il magnete in levitazione esiste un unico asse di otazione pemesso, l asse N-S magnetico del magnete 5. MISURA DELLA RESISTIVITA DI UN SUPERCONDUTTORE S17. Misua dietta della esistività di un campione di YBCO (YBa Cu 3 O 7 - supeconduttoe di II tipo). 9 - Quali modelli intepetativi emegono pe giustificae il collo impovviso della esistività? 83

100 CAPITOLO 7 Le speimentazioni di iceca sull appendimento della Sc nella scuola supeioe 7.1 Intoduzione Si pesentano qui i contesti in cui sono state condotte le speimentazioni con gli studenti, discutendo le divese modalità di lavoo con cui è stata implementata in classe la poposta didattica pogettata. 7. I divesi contesti scolastici in cui sono state effettuate le speimentazioni di iceca con gli studenti Il tema della supeconduttività è stato poposto in sei classi del salenitano ed una della povincia di Udine. Nei quatto istituti statali del Salenitano Liceo Da Pocida, Liceo Sevei, Liceo Gatto di Agopoli e Liceo Da Vinci con due guppi di studenti di classi V coinvolgendo 145 studenti e 4 insegnanti. Le lezioni eano di tipo espositivo con la dimostazione l ausilio di audiovisivi della levitazione ed esecizi pe gli studenti. Tali inteventi hanno avuto natua esploativa in meito a come un testo divulgativo sul modo in cui la supeconduttività attiva una compensione efficace negli studenti di scuola supeioe Il Liceo Scientifico Statale "A.Gatto" di Agopoli Il Liceo Scientifico Statale "A.Gatto" di Agopoli è un istituto con una tadizione scolastica lunga e collaudata. Soto come sezione abbinata al liceo classico, diventa autonomo nel 197 e nel 1998 gli viene annesso il Liceo Classico, la cui istituzione isale agli anni 45/ 46. Da alloa tale Liceo è stato sempe un solido punto di ifeimento cultuale pe tutto il teitoio cilentano. In questi anni, accanto alla nomale attività didattica, che ha consentito a molti giovani diplomati di conseguie lusinghiei isultati negli studi univesitai e nel mondo del lavoo, i Licei hanno pomosso una seie di valide iniziative di caattee cultuale che hanno coinvolto alunni e docenti, icevendone pubblici ed appezzati iconoscimenti. Il bacino d'utenza dei Licei di Agopoli si identifica quasi completamente con il teitoio del Distetto Scolastico n.58. Esso compende paesi situati sulla costa e paesi delle zone intene, pe cui si tova ad opeae in un contesto socioeconomico e cultuale eteogeneo, tale da influenzae l'attività educativa e didattica. In paticolae, sul teitoio esistono te maco-aggegati elativi ai Comuni di Agopoli, Capaccio e Castellabate e molti mico-aggegati elativi alle zone intene, che, nella maggio pate dei casi, contano 84

101 anche meno di 1000 abitanti e pesentano stuttuali difficoltà pe aggiungee la sede dell'istituto, sopattutto in oaio pomeidiano. L'economia, essenzialmente uale nelle zone intene, si fonda, in quelle costiee, sopattutto sul teziaio; i contatti e gli scambi cultuali, diffusi nella fascia costiea, gazie ad un'intensa e vivace attività tuistica, da qualche anno stanno poducendo, nelle aee più intene, un fioie di iniziative cultuali tese al ecupeo ed alla valoizzazione delle tadizioni e delle notevoli potenzialità ambientali, esaltate anche dalla ecente istituzione del Paco Nazionale del Cilento e Vallo di Diano. La pogammazione didattica tiene oppotunamente conto di tali ilievi, in paticolae pe alcune discipline, quali Lingue, Scienze, Stoia e Stoia dell'ate ed attaveso attività cuiculai e complementai, ecepisce i nuovi bisogni fomativi, anche in vista di oppotunità altenative pe l'inseimento nel mondo del lavoo. Negli ultimi anni si è egistata una sensibile cescita degli iscitti che oggi ammontano complessivamente a 1137 allievi, con un conseguente aumento delle classi, che sono aivate alle attuali Il Liceo scientifico"fancesco Sevei Il Liceo scientifico "Fancesco Sevei" istituito negli anni sessanta sose pe ispondee alle cescenti esigenze cultuali della zona Oientale della città di Saleno ed è una delle scuole stoiche della città che oggi conta più di 1400 alunni e 51 classi. Il teemoto del 1980 ese inagibile la sede e iniziò così pe la comunità scolastica un lunghissimo peiodo di tibolazioni. Il pefabbicato, finalmente ottenuto, sembò una vittoia ma pesto si ivelò pe quello che effettivamente ea: una sede tempoanea di emegenza. Con la consegna della sede definitiva nel novembe 1994 e con l inauguazione della nuova Palesta e dell Auditoium, possiamo essee fiei di avee un veo e popio campus studentesco pienamente ispondente alle esigenze dell'utenza e alla nomativa sulla sicuezza Il Liceo pende il nome da Giovanni Da Pocida, illuste figlio di Saleno, nato intono al 110 al sedile Potanova. Medico famoso già a tent'anni, definito negli atti ufficiali con il titolo Da Pocida, pe un feudo nell'isola di Pocida intestatogli dal pade, Giovanni Da Pocida colloca la sua espeienza di vita sullo sfondo di uno staodinaio momento della stoia del Mezzogiono d'italia e dell'euopa: Fedeico II, Manfedi, la Scuola Medica Salenitana Il Liceo scientifico" Da Pocida Il Da Pocida, dopo il Tasso, è il Liceo più antico di Saleno. Vanta ottantadue anni di stoia (1), contaddistinta dal succedesi di molte geneazioni di studenti, che qui si sono fomate al igoe degli studi umanistici e scientifici, sotto la guida di educatoi illuminati, di gande spessoe pofessionale, cultuale ed umano, mostando fote senso di appatenenza, consapevolezza civica e citica, capacità di pefomances significative e di billanti pecosi univesitai e pofessionali. Un impegno continuo e condiviso ha potato il Da Pocida a aggiungee, negli anni, elevati standad di qualità, iconosciuti e cetificati, gazie anche alla paticolae attenzione alla iceca, all'innovazione ed alla speimentazione. La stoia è impotante, ma non può essee endita paassitaia. La comunità scolastica è ben consapevole di questo. Il Liceo Scientifico Giovanni Da Pocida non nasconde l'ambizioso obiettivo di svolgee un uolo di oientamento e magisteo cultuale pe i giovani e meno giovani di Saleno e povincia. Il Liceo è impegnato nel govenae la difficile tansizione della scuola italiana attaveso l'autonomia ed oa anche attaveso le tasfomazioni intodotte dal iodino dei Licei. Gli obiettivi che intende aggiungee il Liceo sonno : qualificae l'intevento didattico - educativo, puntando sulla qualità dell'insegnamento, sulla seietà della scuola, sull'efficienza dei sevizi e sul ispetto delle egole di buona educazione e di civile convivenza democatica; sostenee le motivazioni pesonali degli allievi, sollecitandone lo studio, la fequenza scolastica e la patecipazione alla vita della scuola; 85

102 fae guppo, fae comunità, patecipando, confontandosi, collaboando;guadae sempe più avanti, sempe più in alto, senza accontentaci di quanto già possediamo e senza petendee di essee sempe nel giusto; miglioae l'oganizzazione dei sevizi scolastici ponendo al cento dell'attenzione l'utenza, nella logica gestionale della cultua oganizzativa basata sul successo fomativo; coniugae cultua e vita e offie a tutti la possibilità di essee se stessi, di potesi espimee secondo le popie capacità, favoendo iniziative ed oppotunità. Tabella oaia di ciascuna speimentazione Istituto supeioe Numeo complessivo di oe Numeo di inconti Docente ospite Liceo Scientifico Da Pocida 10 oe quatto inconti Si Liceo Scientifico Sevei 6 oe due inconti Si Liceo Scientifico Gatto di Agopoli 6 oe due inconti Si I poblemi di iceca pe queste speimentazioni sono stati i seguenti: RQ1 che caatteistiche devono avee i mateiali divulgativi pe essee poposti agli studenti? RQ. Quale uolo può giocae un testo di divulgazione scientifica nell appendimento degli studenti di contenuti scientifici innovativi come quello della supeconduttività? E stato pedisposto un " testo studente con una pesentazione di tipo divulgativo della supeconduttività E stata esposta un'intoduzione pe ivedee alcuni aspetti iguadanti la conoscenza ichiesta pe appendimento significativo delle popietà di base di supeconduttoi : un modello di metallo, coente elettico, Ampee di legge e legge di Faaday - Lenz. L' idea che sta dieto pone l'accento sulla diffeenza ta " supeconduttoe e conduttoe pefetto ".Nel testo vengono pesentate le loo divese isposte all applicazione di un campo magnetico esteno : supeconduttoi eagiscono ai campi magnetici statici (effetto Meissne ), mente i conduttoi pefetti eagiscono solo ai cambiamenti in flusso magnetico (legge di Faaday - Lenz ). I passaggi di stato vengono esi evidente tamite l uso ed il confonto ta i diagammi stato di un sistema gas - liquido - solido con diagamma di stato di un supeconduttoe che pesenta due stati: nomale e supeconduttoe. Questo viene fatto in modo qualitativo al fine di aiutae gli studenti a iguadae i contenuti già noti (cambiamento di stato) da un nuovo punto di vista e confontae l'oganizzazione molecolae acqua la in ogni stato con il più alto gado di oganizzazione elettonico che si veifica nel passaggio ta stato nomale a stato supeconduttivo. La levitazione viene esa palese anche qualitativamente attaveso l'uso di immagini e specchietti esplicativi Liceo Scientifico statale Mainelli di Udine La scuola in cui è stata effettuata la speimentazione nella povincia di Udine è il Liceo Mainelli, una delle più impotanti scuole supeioi di Udine e di più alto livello secondo i dati PISA e Invalsi. Le speimentazioni effettuate nelle scuole della povincia di Udine, hanno avuto la natua di speimentazioni di iceca pe lo studio dei pecosi di appendimento degli studenti. In paticolae è stata condotta una speimentazione con 16 studenti (18 anni) di una classe di un liceo scientifico di Udine in 10 oe di attività di laboatoio svolte. Più specificamente le domande di iceca a cui si è cecato di dae isposta sono: RQ1. Come studenti caatteizzano la levitazione SC e l'effetto Meissne? RQ. Quali ifeimenti concettuali vengono utilizzati nella descizione? Dipendono tali ifeimenti dal contesti esploato? RQ3. Come si diffeenziano i modelli degli studenti nella descizione dell effetto Meissne e in quella dell effetto pinning? 86

103 La speimentazione è stata condotta nell'ambito del pogetto IDIFO4 come pate del pogetto di dottoato di iceca ed è stato integato e implementato nell aco di una settimana scolastica odinaia di un insegnante ospite in una classe composta da 15 studenti (13 femmine e maschi). Nella valutazione del docente, effettuata secondo gli stumenti standaddi monitoaggio la classe ea stata valutata di livello medio in Fisica. Pima della speimentazione gli studenti avevano seguito un coso odinaio tiennale di fisica (3 oe a settimana) a base di insegnamento tadizionale e alcune sessioni di espeienze di laboatoio dimostativo. Gli studenti hanno affontato il pecoso sulla supeconduttività dopo un'intoduzione sulla inteazione magnetica, campo magnetico e il flusso, le popietà magnetiche dei mateiali, induzione elettomagnetica e la legge di Faaday- Neumann-Lenz guidati dal loo insegnante di classe. Le attività di laboatoio didattiche sono stati condotti utilizzando 4 fogli di lavoo IBL tutoiali in 7,5 oe e oe è stata dedicata alla pova di pe / post. 7.3 La stuttua della speimentazione di iceca condotta nelle scuole di Udine È stata condotta una speimentazione con 16 studenti (18 anni) di una classe di un liceo scientifico di Udine in 10 oe di attività di laboatoio svolte. Nella seguente tabella è pesentata la stuttua della poposta didattica speimentata nelle classi di quinta liceo scientifico. Viene pesentata sinteticamente qui sottolineando i concetti cadine via via sviluppati, le attività poposte agli studenti pe focalizzali su tali concetti, i poblemi di iceca che hanno costituito da un lato obiettivo pe gli studenti e guida pe la conduzione delle attività in classe e pe l analisi dati condotta successivamente all intevento didattico. Concetti Attività RQ 1. Magnetizzazione Esploazione inteazione di un magnete con oggetti di mateiali divesi. Campo magnetico Esploae lo spazio attono ad un copo magnetizzato, le inteazione ta copi magnetizzati. Misuae il campo magnetico 3. Le linee di campo Costuzione linee di campo con esploatoe 4. Defomazione delle linee di campo in pesenza di feomagneti 5. Attazione/epulsione e otazione 6. Instauasi delle coenti indotte Analisi di come si modificano le linee di campo in pesenza di un oggetto feomagnetico Esploae lo spazio attono Esploazione dell effetto che ha un magnete su una bobina quando lo si avvicina, lo si uota, lo si fa aumentae di intensità Come vengono iconosciute e distinte le divese popietà magnetiche dei mateiali? Come viene intepetato lo stato magnetizzato? Come viene distinta la popietà magnetica, dallo stato di magnetizzazione? Come viene descitta l inteazione ta copi magnetizzati? b) Come viene iconosciuta e descitta la natua vettoiale del campo magnetico? Con quali citei gli studenti costuiscono le appesentazioni a linee campo? Che uolo hanno nella loo costuzione concettuale? (appesentazioni iconiche, stumenti fomali?) Quale uolo viene attibuito agli oggetti feomagnetici? Come vengono descitte le divese inteazioni? Quale uolo hanno campo magnetico, linee di campo, magnetizzazione in tali descizioni? Come gli studenti iconoscono le coenti indotte? In quali situazioni le iconoscono? Quale uolo gioca il flusso? la sua 87

104 7. Effetto induttivo e condizioni dinamiche [levitazione Meissne] 8. Dipendenza della esistività dalla tempeatua e beakdown della esistività nei SC Simulazione dell espeienza della caduta di un magnete in un tubo metallico Misua della vaiazione di esistività di un supeconduttoe immeso in azoto liquido vaiazione nel tempo? Come viene in temini di vaiazione di flusso e foza di Loentz? Quali spiegazioni micoscopiche vengono date al fenomeno ossevato? [peché in temini micoscopici?] Come viene descitta? Quali modelli vengono attivati? Vengono legate popietà magnetiche ed elettiche degli SC? Più specificamente le domande di iceca a cui si è cecato di dae isposta sono: RQ1. Come studenti caatteizzano la levitazione SC e l'effetto Meissne? RQ. Quali ifeimenti concettuali vengono utilizzati nella descizione? Dipendono tali ifeimenti dal contesti esploato? RQ3. Come si diffeenziano i modelli degli studenti nella descizione dell effetto Meissne e in quella dell effetto pinning? La speimentazione è stata condotta nell'ambito del pogetto IDIFO4 da uno di noi come pate del suo pogetto di dottoato di iceca ed è stato integato e implementato nel tempo settimana scolastica odinaia di un insegnante che ha collaboato in un ultimo gado classe composta da 15 studenti (13 femmine e maschi). Nel pecedente valutazione del docente, effettuata secondo gli stumenti di monitoaggio standad, la classe è stata valutata di livello medio in Fisica. Pima della speimentazione gli studenti hanno fatto un coso odinaio tiennale di fisica (3 oe a settimana) a base di insegnamento tadizionale e alcune sessioni di espeienze di laboatoio dimostativo. Gli studenti hanno affontato il pecoso sulla supeconduttività dopo un'intoduzione sulla inteazione magnetica, campo magnetico e il flusso, le popietà magnetiche dei mateiali, induzione elettomagnetica e la legge di Faaday-Neumann- Lenz guidati dal loo insegnante di classe. Le attività di laboatoio didattiche sono stati condotti utilizzando 4 fogli di lavoo IBL tutoiali in 7,5 oe e oe è stata dedicata alla pova di pe / post. Stumenti e metodi 88

105 CAPITOLO 8 Analisi dati 8.1 Intoduzione Nel pesente capitolo viene analizzata in dettaglio la speimentazione di iceca condotta in Udine. Viene pesentato lo schema di attuazione del pecoso e il contesto. Viene discussa la metodologia di analisi dei dati. Vengono quindi pesentati e discussi i dati. In conclusione di iepilogano i pincipali isultati ottenuti. 8. Il pecoso didattico attuato Il pecoso didattico attuato ha tadotto opeativamente quello pogettato secondo lo schema sotto ipotato. NUMERO ORE PREVISTE: 10 (1 oa L.F. + 1 oa EXP.+ oe L.I. + 4 oe LAB. + oe QU. ) Aticolazione dell attività Fasi Stategie oe didattica 1 Somministazione questionaio iniziale- Concetto di campo magnetico e elative modalità di appesentazione - Uso della bussola QU.+LAB.: Tamite l'uso della bussola si taccia il disegno su un foglio A4 delle linee del campo magnetico geneato da un magnetino GeoMag Stesso pocedimento pe quello geneato da due magneti con poli opposti e poli omologhi affacciati Visualizzazione linee campo magnetico Cucialità diffeenza ta linee di foza vettoe di dipolo Mateiali dia paa e feomagneti - Espeienza: Magnete in caduta libea e discussione foza elettomotice indotta e uolo coenti indotte 3 Definizione del compotamento supeconduttivo Campione supeconduttivo di YBCO - Effetto Meissne e Levitazione L.I. + EXP.: Si utilizzano gli evidenziatoi: limatua di feo, matice ad aghi e lamina vede a gel pe isaltae l andamento di un campo magnetico Esploazione compotamento paamagneti e diamagneti tamite magnete su di un giogo montato LAB: Registazione dei tempi di caduta di un magnete in tubi di diveso mateiale: ame puo, ottone ed alluminio. L.F. + LAB: Si intoduce il concetto di supeconduttività assenza di esistività e campo magnetico nullo - Uso dell azoto liquido Lavoo pe casa: edigee una elazione scitta su Effetto Meissne e levitazione magnetica in 89

106 magnetica modalità: vedo-ossevo-spiego 4 Discussione sull Effetto L.I. + LAB.: Si mettono in patica delle tecniche pinning + Teno MagLeve sue efficaci di ancoaggio ta magnete e caatteistiche supeconduttoe - effetti della pesenza di difetti e di impuezze Visione di un campione tipico di tenino MagLev 5 Misua della esistività di un LAB. + QU.: Tamite il SW in dotazione si pendono campione supeconduttivo + in visione diettamente sul compute gli Somministazione andamenti esistenza-tempeatua pe un questionaio finale campione di YBCO in salita ed in discesa Cucialità visione dietta netta tansizione di stato Più in dettaglio questa è stata la sequenza degli inconti svolti, dei temi tattati è di seguito specificato: Pimo inconto 1 h somministazione agli allievi divisi in te guppi abbastanza omogenei ta di loo del questionaio iniziale 1 h Rivisitazione di concetti di magnetismo ed elettomagnetismo (già intodotti dal docente con della classe con appoccio tadizionale). Intoduzione del concetto di campo magnetico come egione di spazio tidimensionale in cui si manifestano degli effetti magnetici e modi altenativi di appesentazione tamite l esploazione del campo magnetico podotto da magneti singoli e copie di magneti pe costuine la appesentazione attaveso le linee di campo magnetico e l idea di sovapposizione di campi Analisi delle popietà magnetiche dei magneti e loo caatteizzazione tamite i vettoi di dipolo magnetico (fig. ). (1) () Si popone la seguente situazione:disponendo in laboatoio di un magnete e di un alto cilindo metallico molto simili ta loo, avendo appuato che una volta avvicinati, si osseva che pima si attiano e poi si attaccano l uno all alto, si pone la seguente domanda: la pocedua in base alla quale si stabilisce se entambi i cilindi sono due magneti. Si mia a fa iconoscee la pesenza dei poli magnetici in un magnete pemanente e l insogee di tali poli in un oggetto feomagnetico in pesenza di un magnete. Uso della bussola come stumento pe esploae il campo magnetico e individuae la diezione nod-sud tamite un ago calamitato e sua popietà di allineasi lungo le linee magnetiche del campo magnetico teeste Analogie fa campo elettico e magnetico (quali) e diffeenze (non esistenza dei monopoli magnetici). Espeienza di Oested - bussola posta vicino ad una filo pecoso da coente che evidenzia l esistenza del campo magnetico geneato da una coente elettica Concetto di flusso magnetico esploato Il flusso magnetico è una gandezza scalae, definita come flusso dell'induzione magnetica. Essa dipende dall'angolo d'incidenza delle linee di campo, dal valoe della pemeabilità magnetica e dall'aea della supeficie stessa. Secondo inconto Esploazione delle linee di campo magnetico podotto da un magnete utilizzando te divesi esploatoi:limatua di feo;matice ad aghi lamina vede a gel e indicatoi feomagnetici. Costuzione delle linee di campo magnetiche tamite l ausilio delle bussole poste su un foglio da disegno del campo magnetico geneato da: un singolo magnete,due magneti con poli omologhi ed opposti affacciati. 90

107 Diveso compotamento dei mateiali all'applicazione di un campo magnetico esteno e elativa suddivisione in feomagneti, paamagneti e diamagneti. Pe evidenziae i piccoli effetti di inteazione ta magneti e oggetti paamagnetici e diamagnetici odinai si sospendono questi ultimi su un gioco sospeso a un filo ealizzando un pendolo di tosione. Si esploa il compotamento di: Cilindetti di ottone;cilindetti di Alluminio;Vecchie monete da 00 lie; un tubicino di ame; due boccette iempite una di acqua ed un alta di alcool denatuato;tubicino di stagno;due boccette una vuota e l alta iempita da polvee di alluminio. Inolte sepaatamente si potevano invenie anche la limatua di bonzo; mine di gafite semplice; sottile stato di gafite piolitica. In paticolae con quest ultima la gafite piolitica si osseva la levitazione su un suppoto fatto da un quadupolo magnetico. Alla fine di questa lunga fase di esploazione delle popietà di isposta dei mateiali all applicazione di un fote campo magnetico si ichiede agli allievi di classificae secondo le modalità viste in pecedenza il compotamento di un mateiale nuovo: l YBCO una lega di Y Ba Cu ed O e ne è stata accetata la sua natua paamagnetica. Esploazione del compotamento dell YBCO a T ambiente e all abbassasi della tempeatua tamite l uso di azoto liquido. L evidente fenomeno di levitazione caatteizza la natua diamagnetica dell YBCO. Si esploano divese configuazioni pe ossevae le modalità in cui avviene la levitazione del magnetino al di sopa del supeconduttoe immeso in azoto liquido. Si esploa il compotamento magnetico dei mateiali supeconduttoi. Misua dei tempi di caduta di un magnete all inteno di tubi di diveso mateiale: ame puo, ottone e alluminio, pe iconoscee l insogenza delle coenti paassite e il uolo della esistività del mateiale nel deteminane la divesa intensità. Tezo inconto della speimentazione in supeconduttività 1 oa continuazione scheda sull esploazione speimentale del compotamento dei mateiali feo, paa e diamagnetici e del compotamento di un campione di supeconduttoe YBCO (YBa Cu 3 O 7 ) con l ausilio di azoto liquido.[cioè cosa si esploa? pe fae che cosa? pe impaae che cosa?] In seguito agli allievi è stata poposta un attività in cui un appesentante di ogni guppo illustasse in modo chiao tutte le fenomenologia fin qui vista in un pecoso di idee di tipo esploativo. Dall assunzione che l YBCO si compota da paamagnete successivamente ( aspetto visto poi nella patica) passando pe la levitazione del magnetino al di sopa di un supeconduttoe (effetto Meissne) alla diffeenza ta quest ultimo fenomeno e la levitazione della gafite piolitica al di sopa di un quadupolo magnetico. In seguito è stata sollevata una questione non di poco conto: che la levitazione fosse appannaggio di tutti i mateiali diamagnetici e non degli alti. Pe questo motivo è stata poposta un esploazione in senso contaio pe accetasi che solamente l YBCO si compota in modo pevisto - paamagnete a tempeatua ambiente - diamagnete al di sotto della sua tempeatua citica. La discussione è andata avanti passando in assegna l alto fenomeno visto in pecedenza: la caduta di un magnete all inteno di tubi di diveso mateiale: ame, ottone ed alluminio e discussione sul uolo delle coenti supeficiali in un supeconduttoe. oa Visione di una beve pesentazione (file.ppt) supeconduttività, fenomenologia, diffeenze ta supeconduttoe e conduttoe pefetto, due categoie dei supeconduttoi, coenti supeficiali, paameti citici di un supeconduttoe, Cosa succede micoscopicamente in un supeconduttoe? e cenni ti teoia BCS. Nell ultima pate dell oa sono state povate alcune tecniche di impinnaggio efficaci. 91

108 COMPITO A CASA: edigee singolamente una elazione scitta sull effetto Meissne che dà vita alla levitazione di un magnetino al di sopa di un supeconduttoe secondo una modalità consolidata: cosa faccio; cosa ossevo;come lo spiego. Quato inconto della speimentazione in supeconduttività (oaio ) al liceo G. Mainelli in Udine (15 allievi divisi in te guppi di lavoo) esploazione speimentale in un campione di supeconduttoe YBCO (YBa Cu 3 O 7 ) con l ausilio di azoto liquido alla iceca dell effetto pinning e di ben deteminate pocedue pe mettene in isalto la sua divesa natua ispetto all effetto Meissne. 1 pocedua: peso un ecipiente di polistiolo ed una pasticca di YBCO a fote pinning è stato indagato il compotamento del mateiale dopo ave vesato azoto liquido. Buona pate degli allievi è imasta meavigliata non vedendo l insogee del Meissne ma invece l instauasi di un vincolo fote ta magnete e YBCO. pocedua: stesso pocedimento di pima ma in modo sepaato (è da notae che tutto ciò è stato suggeito da un allieva). Pima si vesa l azoto liquido si attende che il sistema tansisca veso la fase supeconduttiva ed in seguito povando ad avvicinae il magnetino si osseva che esso viene in ogni caso espinto, quindi l insogee del Meissne. Su invito di un allievo è stato successivamente povato a spingee con foza il magnete sulla faccia supeioe dell YBCO e si è notato il manifestasi dell effetto pinning. Da tutte queste pove è stato mostato che Meissne e pinning sono complementai ma non antagonisti ed esistono ben definite pocedue pe mette in isalto o l uno o l alto. In seguito è stato mostato in miniatua il teno Mag Lev ossia una otaia ed un vagoncino mobile al di sopa. Da questo esempio si nota in pieno l impotanza dell effetto pinning, in quanto cecando di spostae a desta e a sinista o capovolgendo il vagoncino esso imane sempe ancoato sulla otaia. 8.3 Metodologia di analisi Gli appendimenti degli studenti sono stati monitoati con le schede di lavoo e il test (pe/post test) descitti nel pecedente capitolo e ipotate in appendice. L'analisi delle isposte apete è stata eseguita secondo i citei di analisi qualitativa (Citae), individuando qualitativamente i diffeenti modi altenativi in cui gli studenti concettualizzano il fenomeno della supeconduttività, nella pospettiva della metodologia di analisi fenomenogafica di Maton (1986). Le categoie sono state costuite identificando: - le isposte intepetative (quali modelli scientifici o elementi di tali modelli sono inclusi? Qual è il aggio di coeenza ispetto all insieme dei fenomeni esploati?) - le isposte in cui si espimono modelli descittivi (quali aspetti si focalizzano) - le isposte naive (le tipiche isposte degli studenti) Gli aspetti che sono stati pivilegiati duante la fase analisi hanno iguadato il modo in cui come gli studenti analizzano l inteazione magnete-supeconduttoe a T ambiente e a T = T NL, come caatteizzano lo stato supeconduttivo, l'effetto Meissne, l'effetto pinning e come lo distinguono dall'effetto Meissne? 8.4 Analisi dei dati Di seguitovengono pesentati e discussi i dati accolti dai te stumenti di monitoaggio qui pesi in consideazione pe ogni nodo concettuale specifico esposto. 9

109 WS1a popietà magnetiche dei mateiali. Dopo una libea esploazione dell'inteazione di un fote magnete con bae fatte da alluminio, ame, feo, legno..., studenti ichiesta di classificae le popietà magnetiche dei mateiali. Sono classificati in queste popietà in base a te citei: A - Popietà assunto nei confonti di un magnete si avvicina: "diventae" buono o non buono magneti (7/15 - Feo "diventae buoni magneti, l'attazione è fote", paa-"che imanga debole magnete ", dia-" debole campo magnetico "); B esplicazione degli effetti (attazione / epulsione) e l'integazione delle linee di campo e le appesentazioni dipolo magnetico vettoiali (4/15, come nella figua ipotata 4);. C) - Tipo di inteazione con un magnete (4/15 - "attazione, attazione debole, epulsione"). L'attenzione, nel caatteizzae univocamente il tipo di mateiale, sia su un singolo aspetto una pate da 1/4 studenti (citei B) fenomeno collega, modello di inteazione, popietà magnetiche. WS1b popietà magnetiche di un YBCO a T = stato poposto Tenv.The classificazione del YBCO a T = Tenv analizzando l'inteazione di un magnete e YBCO dischi sospesi all'estemità di un giogo. Figua 8.1 Esempio di citeio B della classificazione delle popietà magnetiche: le linee di campo e di appesentanza vettoe impulso magnetico è accompagnato dal fenomeno ossevato (attazione, attazione, epulsione, ispettivamente). Tutti gli studenti classificano l YBCO a T env come un mateiale paamagnetico ispondendo in due modi: A) l'inteazione con un magnete e una linee di campo vicino (8/15), come nel seguente esempio: "il mateiale in sospensione in una stuttua idonea è paamagnetica (attatto dal magnete) e lascia le linee del campo passano ". B) il cambiamento di compotamento magnetico con la tempeatua (7/15), essendo un mateiale "vaiabile magnetismo", peché "dipende dalla tempeatua": ". Alla T env ha un compotamento paamagnetico diventa diamagnetico a basse tempeatue". WS1C-Magnete e YBCO a T = T env : Rappesentazione linee di campo. Tutti gli studenti appesentano le linee di campo fuoi del magnete, compesa la zona intena dell YBCO. Nella maggio pate dei casil YBCO non influenza il campo (11/15 - fig 5a), in alcuni casi, influenzae il campo, causa la pesenza di un vettoe di magnetizzazione indotta nel mateiale (3/15 - Fig.5b). Figua 8. Un magnete poggiato su un disco YBCO a tempeatua ambiente: Esempi di linee di campo. 93

110 Si può ossevae che gli studenti non implicano alcuna linee del campo all'inteno del magnete, coeentemente con il fatto che la continuità delle linee di campo all'inteno del magnete non emegono dalla fenomenologia, pu essendo legate alla natua dipolae di magneti. WS1d-e-f - magnete su un disco YBCO a T = T NL. Studenti esploato l'inteazione ta un piccolo magnete e un disco YBCO, quando viene affeddato in azoto liquido (T = TNL). Hanno isposto a te domande:.8 Descizione del fenomeno ossevato..9 Come cambiae l'inteazione?.10 come e peché cambiae le popietà magnetiche del YBCO?. Gli studenti isposte possono essee divisi in te guppi: A) (9/15) c'è un "fote epulsione" (,8: "La isposta del mateiale all'avvicinasi del magnete è una fote epulsione, infatti si veifica la levitazione"), e quindi YBCO è cambiato ".9: da paamagnete a diamagnete ". Te divesi vengono fonite spiegazioni: pechè.10: E non è più attavesato da linee di campo, è possibile visualizzae attaveso l'espeimento con magnete e l'anello feomagnetico "(5/9)," cambiae i domini di Weiss, ma non so come "(/9) o semplicemente" diventa un diamagnete "(/9). B) (3/15) il YBCO acquisie popietà diamagnetici (.8: "Il campione di YBCO diventa diamagnete e un piccolo magnete posto sopa imane sospesa"),,9: "Ha cambiato la sua esistività",.10: "cambiae la sua tempeatua", "diventa un supeconduttoe". C) (3/15).8: "i magnetica attazione aumenti",.9: "Le popietà della cescita magnete" (/3), le popietà dei cambiamenti YBCO (1/3),.10: "Le popietà di YBCO cambiate, agisce come uno schemo magnetico "," diventa diamagnetico ". Studenti pevalentemente (Cat. A) sottolineano il tipo di inteazione ("fote epulsione"), l'assenza di linee di campo attaveso un disco YBCO a TNL e giustificae questo con una vaiazione delle popietà magnetiche del YBCO. In alcuni casi (cat B) attibuiscono il fenomeno classificae le nuove popietà magnetiche del mateiale che collegano popietà magnetiche ed elettiche. Il estante (cat. C), ispondendo a,9 domanda, non lo stess sulla evidente effetto epulsivo, ma piuttosto sottolineae la pesenza di un effetto attattivo, effettivamente pesente in questo tipo di supeconduttoi come pinning esidua, in alcuni casi aggiungendo che anche l' popietà del magnete vengono miglioate. Pe questi studenti semba che la stabilità di levitazione è un poblema cuciale, piuttosto li la epulsione evidente in sé. L'analisi delle condizioni di stabilità di levitazione è impotante ma pesenta aspetti geometici / contestuale non cuciali pe compendee il pocesso alla base della supeconduttività. Pe costuie un modello concettuale in gado di descivee i fenomeni, è necessaio distinguee i due pocessi divesi fenomeni dell'effetto Meissne e dell'effetto pinning e il uolo dei due effetti in elazione al tipo di supeconduttoe coinvolti. Due divesi pecosi di agionamento potebbeo essee individuate su come gli studenti collegano fenomeni e modelli: il fenomeno guidae il modello (cat A pevalentemente - popietà diamagnetico di YBCO è legato al iconoscimento dell'effetto epulsivo, che è associato a un compotamento diamagnetico); Il modello guidae l'analisi del fenomeno (cat B e C - il iconoscimento delle popietà diamagnetici spiegae la levitazione ossevata. Il 1/3 del campione evocando le vaiazioni della esistività del YBCO e nei domini di Weiss supeioe al semplice descizione fenomenologica suggeiscono possibili modelli intepetativi. Attività di modellazione può aiutali a chiaie la coeenza dei popi modelli. Queste attività sono utili pe tutti gli studenti di supeae l'appoccio descittivo fenomenologico puo evidenziato in /3 del campione e distibuito sui te guppi. Inizio lavoi isposta alle domande: Pe quanto iguada l'effetto Meissne: A) Cosa avete ossevato? B) Spiegae in temini di linee di campo e / o di moto dipolo magnetico. 94

111 Gli studenti analizzano la situazione a T = TNL, nei seguenti modi: A) cambiate nel YBCO popietà secondo la catena: ossevazione di levitazione popietà diamagnetici («La levitazione ossevati indicano che le epulsione popietà di YBCO vengono modificate come l'effetto è epulsiva ne consegue che è diventato diamagnetico.») ( 6/15); B) levitazione, pai al YBCO secondo la YBCO connessione diventa diamagnete diventa diamagnetico e questa è l'oigine del fenomeno della levitazione del magnete (5/15), in 3/5 casi, aggiungendo anche che R = 0. C) secondo una fase come "YBCO espinge il magnete con una foza che è uguale alla foza peso" (/15) o il "YBCO diventa diamagnetico" (/15). Un totale di 1/15 studenti sottolineano l'diamagnetismo di YBCO. Figua 8.3 Tipico disegno che fa uso dei citei A e B. Una spiegazione è stata inclusa da 1/15 studenti, più spesso in temini di linee di campo (8/1): l YBCO a T = T env è stata accechiato dalle linee del campo (ea paamagnetica) in T NL espelle le linee di campo, in 3 casi aggiungendo che ciò è dovuto alle coenti supeficiali (5/8); le linee di campo non attavesano la YBCO, il YBCO poiettato le linee di campo (/8); linee di campo intappolati (1/8). In alcuni casi si tatta solo di icodae: "diventa diamagnetica" (3/1) o semplicemente che «questo effetto [levitazione] chiama effetto Meissne» (1/1). I imanenti 3/15 degli studenti descivono solo l'effetto epulsivo ta il magnete e il supeconduttoe. Post test. Qui è consideato solo come 11/5 studenti nel post-test appesentano le linee di campo e spiegae il caso di un disco con esistenza nulla inseita in un campo omogeneo A) "Avendo esistività nulla possiamo die che il mateiale è un supeconduttoe. Ciò significa che ealizza un pefetto diamagnetismo: genea quindi un momento magnetico che si oppone al campo magnetico esteno, in modo da espellee completamente. All'inteno non sono pesenti linee di campo "- in oiginale in fig.8 (6/15) B) "Un mateiale che pesenti esistività nulla è un copo in cui tutti i domini sono oientati veso il campo magnetico in cui è immeso e poi il campo magnetico isultante è uguale alle linee estene e diigendosi veso desta il polo nod del copo saà al fianco e il sud a desta. il dipolo magnetico vettoe avà una diezione paallela al campo magnetico e la diezione opposta "(/15). 95

112 Figua 8.4 Risposta alla domanda pesente nel post test C) "Non avendo esistività esso non inteagisce con il campo". Le isposte di tipo A) e B) confemano la pova del legame ta popietà elettiche e magnetiche dell YBCO. Le pove di questo tipo avvaloano l idea di un collegamento ta esistenza e l assenza di attiti meccanici pesenti all inteno, assenza di esistenza/assenza di inteazione, emese in alto studio (3/15). WS - effetto pinning. Tutti gli studenti caatteizzati l'effetto pinning, evidenziando che "il magnete imane attaccato all 'YBCO", diffeenziandolo nella maggioanza dei casi (1/15) dall'effetto Meissne come tale si manifesta sempe in una epulsione, sia quando il magnete è inizialmente 'YBCO, sia se si è potato dopo T = TNL. Nel YBCO evidenziando effetto pinning, se viene affeddato lontano dal magnete, viene espinto dalla YBCO, altimenti imane "attaccato". 1/15 studenti sottolineano inolte che l'effetto Meissne è ancoa pesente, ma l'effetto pinning pevale. Se gli studenti distinguee i due effetti nella loo descizione, la appesentazione del campo di linee di evidenza che gli studenti non hanno elaboato un modello indipendente pe spiegae l'effetto pinning, come emege in figua 7. Figua 8.5 Rappesentazione delle linee di campo nel caso dell'effetto pinning. 8.5 Risultati ottenuti Dai dati emege che in pevalenza (1/15) gli studenti caatteizzano la levitazione SC come conseguenza delle popietà diamagnetici acquisiti dal YBCO spiegando anche che in alcuni casi il campione diventa un supeconduttoe o che la sua esistenza scende a zeo. In alcuni casi (3/15) imangono a individuante livello fenomenologico solo il sistema di foze che può gaantie la condizione levitazione (YBCO espinge il magnete con una foza che è uguale alla foza peso). Pe alcuni studenti il poblema della stabilità è cuciale e sottolineano la pesenza dell'effetto pinning esidua anche quando l'effetto Meissne è pevalente. Ciò 96

113 indica la necessità di sottolineae la pesenza dei due effetti nel caso del supeconduttoe ad alta tempeatua come YBCO, ma allo stesso tempo di distinguee ta i due effetti e costuie un semplice appoccio intepetativo ai fenomeni. (RQ1) Gli studenti utilizzano come ifeimento concettuale nella loo descizione dell'inteazione pevalentemente il concetto di campo. Pe quanto iguada la descizione delle popietà magnetiche, l'esploazione sistematica del meccanismo pe cui un magnete inteagisce con oggetti divesi attiva un uso pevalente della appesentazione del vettoe di dipolo magnetico, aspetto non è emeso in pecedenti iceche. Le due descizioni sono del tutto equivalenti, ma vengono utilizzate dagli studenti in contesti divesi (RQ). Come emeso in pecedenti studi [15], alcuni studenti indicano che un conduttoe con esistenza zeo è completamente taspaente al campo magnetico. Questo tipiche idee, testimoniate dagli studenti pima di analizzae i fenomeni supeconduttivi pemangono tuttavia anche dopo l'esploazione pesonale in laboatoio quando gli studenti dimostano di non legae assieme le popietà magnetiche a quelle elettiche in mateiali supeconduttivi quali l YBCO (RQ). Infine gli studenti sono stati in gado di distinguee a pieno l'effetto Meissne e l'effetto pinning ma non isultano in gado di costuie modelli in cui si evinca l utilizzo di un quado intepetativo caatteizzante l'effetto pinning (RQ3). 8.6 Conclusioni Nella pospettiva di innovae i pogammi della scuola secondaia supeioe, la supeconduttività è un contesto fenomenologico impegnativo, che può essee avvicinato da attività IBL nell ambito della scuola, impotante sia pe le applicazioni tecnologiche, sia dal punto di vista teoico che nell ottica di colmae il gap esistente ta fisica classica e fisica quantistica. E stato pogettato ed implementato un pecoso didattico integando lo studio della supeconduttività ad agomenti cuiculai legati all elettomagnetismo classico, utilizzando un appoccio fenomenologico basato su attività patiche di tipo esploativo ed espeimenti elementai. E stata eseguita una pova di fattibilità con più di 350 studenti appatenenti alle ultime classi di istituti supeioi in scuole italiane. Al fine di evidenziae i modelli attivati dagli studenti di fonte alla fenomenologia dei supeconduttoi è stato potato a temine un espeimento di iceca all inteno di una classe composta da 16 studenti (18 anni) di un Liceo scientifico di Udine nell aco di 10 oe di attività di laboatoio. Sono stati utilizzati fogli di lavoo IBL Stimoli e test inseiti in pe-post test al fine di monitoae lo sviluppo concettuale di appendimento degli studenti. È emeso che gli studenti pevalentemente attivano il legame ta la compasa dello stato supeconduttivo e le popietà diamagnetiche acquisite dall YBCO al di sotto della tempeatua citica. Pe spiegae questo cambiamento gli studenti cecano un intepetazione appellandosi anche ad un legame ta popietà magnetiche ed elettiche di supeconduttoe, ma è emeso che non colleganoq uesti concetti in modo genealizzato. Nel complesso il modello teoico utilizzato dagli studenti si ifà alla pesenza delle linee di campo magnetico o di un vettoe di dipolo magnetico secondo una pospettiva cultuale in cui si ifeiscono ispettivamente: A) la levitazione di un supeconduttoe nella sua evidenza fenomenologica; B) i cambiamenti nelle popietà dell YBCO non appena viene affeddato in azoto liquido. Esclusivamente da un punto di vista fenomenologico è possibile distinguee l'effetto pinning dal Meissne, anche se gli studenti non fanno deivae le loo affemazioni da un modello teoico indipendente capace di spiegane le diffeenze. Questo punto saà paticolamente esploato in futue iceche da un lato di individuae le difficoltà di appendimento degli studenti e il pecoso di appendimento e modificae il pecoso di focalizzazione sul effetto pinning. Dal pesente lavoo emege la necessità di sottolineae la pesenza del Meissne e l'effetto pinning Allo stesso tempo, nel caso del supeconduttoe ad alta tempeatua come YBCO, ma allo stesso tempo di distinguee ta i due effetti e costuie una semplice appoccio intepetativo ai fenomeni. 97

114 Cap. 9 Riflessioni conclusive La iceca discussa in questa tesi vete sulla icostuzione didattica (MRE, cap. II) delle tematiche iguadanti la supeconduttività e in paticolae le popietà dei mateiali supeconduttoi. Il pogetto di iceca si è incentato sullo sviluppo di una poposta didattica sull insegnamento/appendimento dello specifico agomento qui consideato ealizzato secondo la Design Based Reseach. Speimentazioni di iceca sono state ealizzate pe studiae la pogessione degli appendimenti degli studenti. Scopo della iceca è stato quello di chiaie gli elementi dell insegnamento/appendimento della supeconduttività nella scuola supeioe. Alla luce di questa finalità sono stati utilizzati quadi di ifeimento teoici, conoscenze disciplinai e dati empiici in quanto utilizzabili nella pogettazione didattica. In questi temini si sono affontati le sfide poste dalla pogettazione di un pecoso da utilizzae in contesti scolastici. In questo senso la iceca illustata in questa tesi fonisce quindi un esempio di come la pogettazione può contibuie a idue il gap ta teoia e patica didattica, che è uno degli aspetti consideati nel quado di ifeimento della Design Based Reseach. Il lavoo di iceca è stato oganizzato secondo le te componenti pincipali della Design Based Reseach: 1) analisi peliminae; ) ciclo di pogettazione, speimentazione, valutazione, evisione; 3) costuzione di conoscenza didattica dell agomento in temini di un pecoso. L appoccio DBR adottato nella iceca inteccia la iflessione disciplinae, la iceca in contesto sull inteazione ta i pocessi di insegnamento e appendimento, lo sviluppo di cuicolo su piccola scala, consentendo di discutee le domande di iceca attaveso un collegamento sistematico ta teoia e passi didattica che ha affozato coeenza e flessibilità del pocesso pogettuale. 1) Analisi peliminae La pogettazione didattica ha avuto come punto di patenza una analisi disciplinae, stoica, epistemologica, e pue della letteatua di iceca didattica sulla supeconduttività. L analisi disciplinae ha individuato come nuclei concettuali ilevanti: a) la natua diamagnetica dei supeconduttoi; b) Le peculiai modalità con cui un supeconduttoe inteagisce con in magnete; c) la intinseca connessione ta popietà elettiche e magnetiche nei supeconduttoi. Dalla discussione della letteatua didattica è emeso: a) la validità didattica dell appoccio laboatoiale allo studio dei mateiali supeconduttoi che consente di fondae i concetti patendo dalla fenomenologia, b) la necessità di potenziae l aspetto intepetativo pe chiaificae le elazioni ta popietà elettiche e magnetiche. Elementi chiave pe aiutae gli studenti a supeae le difficoltà di appendimento sono: a) la legge dell induzione elettomagnetica come quado concettuale peminente pe intepetae l effetto Meissne il quale nei modelli macoscopici basati sulle popietà elettiche assume un uolo centale in quanto detemina la isposta dei mateiali supeconduttoi all applicazione di un campo magnetico esteno, b) campo elettico non solo come ente esponsabile del movimento dei potatoi di caica, ma anche come vettoe del tasfeimento di enegia nel cicuito, che ende conto della caatteistica del cicuito di essee un sistema di elementi inteagenti. Questi elementi sono impotanti anche pe la compensione dei fenomeni della conduzione elettica da pate degli studenti. Infatti i cosi liceali foniscono elazioni matematiche (ad esempio pe quanto iguada la legge di Lenz o la legge di Joule) che gli studenti manipolano fomalmente, senza guadagnae una compensione concettuale pofonda e aticolata anche sul piano micoscopico dei contenuti fisici sottostanti (Stocklmaye & Teagust, 1996). ) Ciclo di pogettazione, speimentazione, valutazione, evisione 98

115 Sulla base degli aspetti individuati nella fase di analisi peliminae, sono state pogettate le attività pe gli studenti e pe gli insegnanti. In questa fase empiica della iceca sono state studiate: le stategie di agionamento degli studenti di scuole supeioi impegnati in contesti fomali e infomali nelle attività pogettate. In funzione delle diffeenti necessità e scenai della iceca sono state adottate modalità di analisi qualitativa dei dati accolti. I dati analizzati povengono dalle schede compilate dagli studenti, dalla ossevazione dietta dei pocessi di insegnamento/appendimento e dalla loo discussione. L analisi dei dati ha fonito gli elementi pe la valutazione dei pocessi di appendimento e delle attività, delle stategie quali ciclo POE e inquiy guidato, dei mateiali a suppoto della didattica, e ha consentito la confema/disconfema delle ipotesi peliminai e la fomulazione di nuove ipotesi pogettuali che hanno attivato un nuovo ciclo di pogettazione, speimentazione, valutazione, evisione. La valutazione dei isultati delle speimentazioni effettuate in temini di confonto ta gli appendimenti attesi ed ottenuti da pate degli studenti hanno pemesso di consolidae l utilizzo di espeimenti, simulazioni e stategie come stumenti che sostengono efficacemente l appoccio adottato. 3) Pecoso Il pecoso (cap. VII) pomuove la compensione concettuale unitaia delle caatteistiche elettiche e magnetiche dei mateiali supeconduttoi pesentando elementi innovativi quali l intepetazione in chiave induttiva patendo dalla fenomenologia dei modelli macoscopici e micoscopici. Sebbene l appoccio adottato nella iceca descitta in questa tesi sia centato sulle popietà magnetiche in temini di entità astatte quali paticelle e campi, la fenomenologia gioca un uolo essenziale: gli studenti hanno bisogno di essee coinvolti in espeimenti e attività laboatoiali pe suscitae inteesse e facilitae il agionamento. Tadizionalmente gli studenti intendono l espeimento come veifica di leggi note e, pe questo motivo, itengono più significativi gli espeimenti quantitativi. Essi vedono l espeimento come una ipoduzione contollata di un fenomeno eseguita pe deteminae coelazioni ta gandezze. Pe supeae questa visione si è scelto di inseie nel pecoso degli espeimenti di caattee qualitativo che stimolano il agionamento sui concetti fisici. L appoccio basato sulla fenomenologia facilita i agionamenti degli studenti al livello intepetativo, in paticolae su: a) diffeenza ta sospensione e levitazione; b) diffeenza ta effetto pinning ed effetto Meissne. Ciò consente agli studenti di supeae alcune lacune concettuali pe la visione sepaatista dei fenomeni e distinguee ta tipi di inteazione ta un magnete e un supeconduttoe; Gli studenti hanno supeato gadualmente il livello della descizione fomulando pevisioni e poducendo spiegazioni basate su intepetazioni dei fenomeni ossevati in temini fisici, non limitandosi a dedue le ossevazioni dalla teoia. 99

116 Appendici Questionaio utilizzato come pe test/post test nelle speimentazioni di iceca Nel pesente questionaio vengono poposte divese situazioni elative a fenomeni magnetici ed elettomagnetici. Nei quesiti Q3-Q11 vengono in paticolae ichieste due tipi di appesentazioni: A) tamite le linee di campo magnetico, con cui si possono appesentae visivamente e anche fomalmente i campi magnetici podotti dalle sogenti B) tamite i vettoi con cui si possono appesentae i momenti di dipolo magnetico dei sistemi che pesentano una magnetizzazione, come illustato a lato nel caso di due magneti ciascuno dei quali costituisce un dipolo magnetico (fig. 1) che può essee appesentato con una feccia che punta dal polo S al polo N del magnete stesso (fig. ). () () Q1. Si dispone di un magnete e di un alto cilindo metallico molto simili ta loo, come in Figua. Quando si avvicinano, si osseva che pima si attiano e poi si attaccano l uno all alto. 1.1 Come si fa a stabilie se entambi i cilindi sono due magneti? 1.. Nel caso in cui si tovi che solo uno dei due cilindi è un magnete, come si fa a stabilie quale dei due è il magnete? Spiegae la pocedua. Q. Alcune bussole sono disposte vicino ad un magnete, come illustato in Figua..1 Si tacci come ci si può aspettae che si oientino gli aghi delle divese bussole. S N. Spiegae con che citeio sono state tacciate tali oientazioni. 100

117 .3 Cambieebbe l oientazione delle bussole se le si consideasse in un alto piano ispetto a quello della Figua uotato intono all asse del magnete (es. un piano otogonale a quello della Figua passante pe l asse del magnete) Q3. Un magnete viene avvicinato a una moneta di Fe-Ni, come illustato in Figua. 3.1 Disegnae sulla Figua le foze agenti. 3. Spiegae con che citeio sono state disegnate tali foze 3.3 Si appesenti la situazione del magnete vicino a una moneta di Fe-Ni ispettivamente: in temini di dipoli magnetici in temini di linee di campo magnetico Q4. Un magnete è posto sotto a un tavolo su cui è appoggiata una gaffetta fema fogli, come in Figua a desta. Il magnete esta attaccato al tavolo. Quando si sposta il magnete anche la gaffetta si sposta. 4.1 Rappesentae le linee di campo magnetico, nella Figua sottostante, dove è appesentata in sezione la stessa situazione. Tavolo Magnete 101

118 4. Le linee di campo vanno appesentate anche all inteno di qualcuno o di tutti i te sistemi affiguati (magnete, tavolo, gaffetta)? Spiegae. Q5 Si dispone di due magneti cilindici uguali. Quando si avvicinano i due magneti uno all alto, in quanti e quali modi inteagiscono fa loo? Pe ciascuna situazione individuata la si illusti, se ne desciva il fenomeno atteso, la si appesenti con i vettoi di dipolo magnetico e tamite le linee di campo magnetico Illustazione delle divese situazioni 5.. Descizione del fenomeno atteso 5.3. Rapp. con i vettoi di dipolo magnetico 5.4. Rapp. in temini di linee di campo B La configuazione dei vettoi di dipoli magnetici e quella delle linee di campo pemettono di effettuae delle pevisioni sugli esiti del fenomeno atteso? Spiegae Q6. Si dispone di due magneti cilindici uguali. È possibile ealizzae la situazione in cui un magnete è in sospensione (ossia fluttua sopa all alto senza toccalo)? Spiegae. 10

119 Q7. Quando si pone una bussola vicino ad una filo pecoso da coente si evidenzia l esistenza del campo magnetico geneato dalla coente elettica (espeienza di Oested). 7.1 Come si oienta l ago della bussola quando essa viene posta vicino a una bobina alimentata con un batteia, come quella appesentata in Figua? Scelte le posizioni più significative, inclusa quella in cui la bussola è dento alla bobina, si appesentino le oientazioni dell ago della bussola. 7. Si illusti la stuttua delle linee del campo magnetico podotto dalla bobina. 7.3 Si usi una penna di coloe diveso pe appesentae il vettoe che appesenta il dipolo magnetico della bobina. Q8. Un magnete a disco, come quello illustato in Figua, viene fatto cadee sopa a una spessa lasta di ame. 8.1 Il moto di caduta del magnete saà influenzato dalla pesenza della lasta di ame? Spiegae. N Cu S 8.. Rappesentae in Figua i momenti di dipolo magnetico eventualmente pesenti nei due sistemi È possibile che pe qualche oppotuna geometia della lasta di ame e del magnete, ovveo pe un oppotuno magnete si possa ealizzae la situazione in cui il magnete si femi e esti sospeso sopa alla lasta? Spiegae la isposta. 103

120 8.4. Che cosa cambieebbe se al posto della lasta di ame si ponesse una lasta di diveso mateiale (ad es. di Al o di Ag. )? 8.5. Cambieebbe qualche cosa se invece della lasta di ame si ponesse una lasta di esistenza nulla? Q9. Quando un cilindo magnetico viene fatto cadee dento a un tubo conduttoe (es. un tubo di ame - Cu), dopo una beve fase acceleata, scende con velocità costante. 9.1 Come si può spiegae questo fenomeno? 9. Cambieebbe qualche cosa se il conduttoe avesse esistenza nulla? Spiegae ρ Cu v(t) costante ρ YBCO =0 v(t)? Q10. Si possono classificae fenomenologicamente le popietà magnetiche dei mateiali, ossevando come gli oggetti composti di detti mateiali inteagiscono con un magnete: A) Se si osseva: una fote attazione, come nel caso di un cilindo di feo, il mateiale è feomagnetico; B) se si osseva una debole attazione (es. un cilindo di alluminio), il mateiale è paamagnetico; se l inteazione è sistematicamente epulsiva (es. una goccia d acqua), il mateiale è diamagnetico. Nelle figue sono affiguate le linee di un campo magnetico unifome podotto ad esempio dalle espansioni polai di un gosso magnete Si disegni con una penna blu, come vengono modificate le linee del campo magnetico isultante, quando si pongono all inteno di detto campo magnetico cilindi uguali in foma, ma costituiti di mateiali con divese popietà magnetiche vaie. 10. Pe ciascuna situazione si tacci con una penna ossa l eventuale dipolo magnetico che si viene a fomae nel cilindo. 104

121 Cilindo feomagnetico Cilindo paamagnetico Cilindo diamagnetico B B B Spiegazione Spiegazione Spiegazione Q11. Si considei il caso in cui all inteno di un campo magnetico unifome si inseisce un cilindo composto di mateiale la cui esistività è nulla. Si disegni: 1.1 con una penna blu, la configuazione del campo magnetico isultante; 1. con una penna ossa. l eventuale dipolo magnetico del cilindo. Cilindo di mateiale con R=0. Spiegazione B 105

122 APPENDICE B SCHEDA 1 ESPLORARE LA SUPERCONDUTTIVITÀ. SCHEDA 1 1. INTERAZIONE TRA DIPOLI 1.1. Pogetta come esploae l inteazione ta due magneti come quelli che hai a disposizione: Azione Obiettivi 1.. Pova. Discuti la fenomenologia ossevata 1.3. Appoggia un magnete sul tavolo. Avvicina ad uno dei suoi poli l alto magnete in modo da affacciae pima uno poi l alto polo. Descivi i compotamenti che ossevi Il dipolo pesente in ciascun magnete può essee appesentato come in (1) o con un vettoe, pe convenzione dal N al S come in (): 106

123 (1) () 1.4. Utilizzando la appesentazione vettoiale schematizza tutte le situazioni che hai povato e i coispondenti effetti: Situazione Effetti 1.5. Esaminando l inteazione a distanza che speimenti con divesi esploatoi nello spazio cicostante il magnete si individuano le linee di campo: Facendo l ipotesi che gli oggetti appesentativi siano dei vettoi, alloa vale il pincipio di sovapposizione locale poduce una linea globale, che isulta tangente ai singoli vettoi in ogni punto nel piano dello spazio di ossevazione. 107

124 Come isulteebbe la configuazione delle linee di campo nei due casi a) poli omologhi affacciati b) poli divesi affacciati Fai un disegno qui sotto e ipota l effetto conseguente: a) b) 1.7. Riepiloga le tue consideazioni nella tabella seguente: Come posso descivelo in A cosa coisponde in temini Situazione Fenomeno temini di vettoi di dipolo di linee di campo Poli omologhi affacciati Poli opposti affacciati 108

125 1.8. La configuazione delle linee di campo ti pemette di pevedee l effetto sui dipoli? Spiega: 1.9. È possibile mantenee in sospensione due magneti uno sull alto affacciando poli omologhi? Pova. Scivi i isultati: Come spieghi i isultati ottenuti? Vincola i magneti infilandoli in un tubicino di plexiglas in modo che affaccino poli omologhi. Disegna e descivi ciò che ossevi nella tabella seguente: Come posso descivelo in A cosa coisponde in temini Situazione Fenomeno temini di vettoi di dipolo di linee di campo 109

126 Magneti vincolati: sospensione magnetica 110

127 SCHEDA Consideiamo un oggetto che viene immeso in un campo magnetico. Tenendo conto della appesentazione pe linee di campo, di quelle pe vettoi di dipolo e del compotamento ossevato nella esploazione speimentale, pova a giustificae il compotamento ossevato nel caso dei: a) feomagnetici,b) paamagnetici,c) diamagnetici,.4. Hai a disposizione un campione di supeconduttoe YBCO (YBa Cu 3 O 7 ). Hai il compito di classificalo. Fai una poposta opeativa..5. Pova..6. Che tipo di mateiale é? 111

128 .7. - Disegna le linee di campo del sistema.8esploiamo il suo compotamento all abbassasi della tempeatua. Vesa dell azoto liquido sul sistema YBCOmagnete e aspetta che la tempeatua si abbassi. Descivi cosa ossevi.9. Come te lo spieghi? Fai delle ipotesi e pova a spiegae cosa è cambiato anche aiutandoti con un disegno.10.secondo te, l YBCO ha cambiato le sue popietà?.11.come? 11

129 .1.Disegna nuovamente qui sotto i due oggetti e il campo magnetico isultante, dopo la tansizione. Questo è chiamato Effetto Meissne.13.Cosa puoi concludee? L YBCO è un mateiale che, al di sotto di una ceta tempeatua, detta tempeatua citica, acquista delle paticolai popietà elettiche e magnetiche(diamagnetismo pefetto), pe le quali viene detto supeconduttoe..14.confonta ciò che hai ossevato in questo espeimento e negli alti iguadanti mateiali diamagnetici (gafite piolitica): è lo stesso tipo di compotamento? Cosa c è di uguale e cosa di diveso? Disegna qui sotto la descizione in temini di dipoli pe ciascuno dei casi: 1) due magneti) magnete e gafite piolitica3) supeconduttoe e magnete 113

130 .16.Mente nel caso della gafite piolitica il diamagnetismo evidenzia come si ealizza una sospensione non di equilibio, il supeconduttoe semba essee in equilibio. Veifica questa ipotesi: pova a spostae leggemente il megnete. Cosa noti? Resta in equilibio? 114

131 SCHEDA 3 EFFETTO PINNING 3.1. Disegna qui sotto il campo magnetico del sistema: 3.. Vesa dell azoto liquido sul sistema YBCO-magnete e aspetta che la tempeatua si abbassi. Descivi cosa ossevi 3.3. Pova ad allontanae il magnete. Ci iesci? Sì No Peché, secondo te? Pova a dae una spiegazione 3.4. Ta il supeconduttoe e il magnete si è instauato il vincolo dell Effetto pinning, In questo espeimento non potebbe instauasi effetto Meissne secondo te? Spiega: 3.5. Disponi di due campioni di YBCO di diffeente fabbicazione, azoto liquido e vai tipi di magnete. Hai il compito di pevedene l evoluzione in Meissne o pinning. Descivi una pocedua efficace 3.6. A tempeatua ambiente, poggia il magnete su un campione con inteposto un sepaatoe. Disegna qui sotto il campo magnetico. 115

132 3.7. Raffedda vesando azoto liquido, aspetta la fine dell ebollizione. Dopo ave imosso il sepaatoe pova ad allontanae il magnete. Ci iesci? Sì No Peché, secondo te? Pova a dae una spiegazione Disegna qui sotto la descizione del fenomeno in temini di vettoi di dipolo pe ciascuno dei seguenti casi 1) magnete e gafite piolitica)supeconduttoe e magnete 3) due supeconduttoi ed in temini di vaiazione di flusso 116

133 Questionaio iniziale Nel pesente questionaio vengono poposte divese situazioni elative a fenomeni magnetici ed elettomagnetici. Nei quesiti Q3-Q11 vengono in paticolae ichieste due tipi di appesentazioni: C) tamite le linee di campo magnetico, con cui si possono appesentae visivamente e anche fomalmente i campi magnetici podotti dalle sogenti D) tamite i vettoi con cui si possono appesentae i momenti di dipolo magnetico dei sistemi che pesentano una magnetizzazione, come illustato a lato nel caso di due magneti ciascuno dei quali costituisce un dipolo magnetico (fig. 1) che può essee appesentato con una feccia che punta dal polo S al polo N del magnete stesso (fig. ). (3) () Q1. Si dispone di un magnete e di un alto cilindo metallico molto simili ta loo, come in figua. Quando si avvicinano, si osseva che pima si attiano e poi si attaccano l uno all alto. 1.1 Come si fa a stabilie se entambi i cilindi sono due magneti? 1.. Nel caso in cui si tovi che solo uno dei due cilindi è un magnete, come si fa a stabilie quale dei due è il magnete? Spiegae la pocedua. Q. Alcune bussole sono disposte vicino ad un magnete, come illustato in figua..1 Si tacci come ci si può aspettae che si oientino gli aghi delle divese bussole. S N. Spiegae con che citeio sono state tacciate tali oientazioni..3 Cambieebbe l oientazione delle bussole se le si consideasse in un alto piano ispetto a quello della figua uotato intono all asse del magnete (es. un piano otogonale a quello della figua passante pe l asse del magnete) 117

134 3. Un magnete viene avvicinato a una moneta di Fe-Ni, come illustato in figua. 3.1 Disegnae sulla figua le foze agenti. 3. Spiegae con che citeio sono state disegnate tali foze 3.3 Si appesenti la situazione del magnete vicino a una moneta di Fe-Ni ispettivamente: in temini di dipoli magnetici in temini di linee di campo magnetico Q4. Un magnete è posto sotto a un tavolo su cui è appoggiata una gaffetta femafogli, come in figua a desta. Il magnete esta attaccato al tavolo. Quando si sposta il magnete anche la gaffetta si sposta. 4.1 Rappesentae le linee di campo magnetico, nella figua sottostante, dove è appesentata in sezione la stessa situazione. Gaffetta Tavolo 118 Magnete