METTERSI IN GIOCO NELL ESPLORARE ED INTERPRETARE FENOMENI DI SUPERCONDUTTIVITÀ Marisa Michelini e Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine 1. Introduzione Si presenta in questa sede la proposta didattica messa a punto per la sperimentazione di ricerca sulla superconduttività nella seconda Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna, tenutasi a Udine nel luglio 2009 in attuazione del Progetto IDIFO2. Si tratta di un percorso sperimentale di tipo esplorativo in cui le situazioni esplorative hands-on sono offerte con l approccio dei laboratori concettuali CLOE (Michelini, 2005), usando schede-stimolo (Martongelli, 2001; Michelini, 2003) ed una strategia basata su cicli SPPEA (Situazione, Previsione, Progettazione, Esperimento, Analisi). Interviste Rogersiane e a piccolo gruppo sono state effettuate durante l attività per monitorare i processi di apprendimento. 2. Il percorso Ci pare più efficace illustrare il percorso utilizzando le domande di ricerca (DR) che ci siamo posti in relazione alle diverse situazioni (S). Situazione (S) Domande di Ricerca (DR) 1. INTERAZIONI TRA DIPOLI S1. Avvicinare un magnete ad un altro magnete: interazione tra due dipoli 1 - L esplorazione è basata su ipotesi esplicite/implicite? S2. Rappresentazioni del dipolo presente in ciascun magnete: utilizzando la rappresentazione vettoriale schematizzazione di tutte le situazioni provate e dei corrispondenti effetti. S3. Esaminando l interazione a distanza che si sperimenta con diversi esploratori nello spazio circostante il magnete si individuano le linee di campo 2 - Vengono riconosciuti i diversi tipi di interazione tra due magneti a seconda dei poli affacciati? (attrazione o rotazione + attrazione) 3 - Viene utilizzata una descrizione in termini di dipolo? 4 - Viene riconosciuto che le linee di campo sono una struttura simmetrica tridimensionale? S4. Con gurazione delle linee di campo nei due casi poli omologhi affacciati poli diversi affacciati Rappresentazione, per ognuna delle due situazioni, in termini di vettori di dipolo e di linee di campo. S5. Analisi della possibilità di sospendere un magnete sull altro Rappresentazione in termini di vettori di dipolo e di linee di campo. 5 - Emerge l idea di sovrapposizione di campi? 6 - Gli studenti descrivono le linee e/o le confrontano in diverse situazioni? Viene riconosciuto che la configurazione delle linee di campo permette una previsione sul tipo di interazione tra i dipoli? 7 - Viene riconosciuta l impossibilità di sospendere un magnete sull altro a meno di introdurre un vincolo? 8 - Gli studenti si mantengono su un piano descrittivo o raggiungono un livello anche interpretativo? 9 - Viene usata una descrizione in termini di dipoli? 10 - Vengono usate le linee di campo magnetico per spiegare la fenomenologia?
Progetto IDIFO - Proposte didattiche sulla fisica moderna 229 2. INTERAZIONI DI UN MAGNETE CON OGGETTI DI DIVERSO MATERIALE: FERRO PARA DIA MAGNETISMO S6. Interazione tra un magnete e oggetti di diverso materiale avvicinando il magnete a: S6.1. una graffetta o una sferetta: ferromagnetismo S6.2. una bilancia di torsione con [solfato di rame e acqua ] o [polvere di alluminio e acqua] o [solfato di rame e olio]: para e diamagnetismo S6.3. sottile mina di gra te pirolitica: diamagnetismo Rappresentazione, per ognuna delle tre situazioni, in termini di vettori di dipolo e di linee di campo. S7. Analisi della possibilità di sospendere una sottile sfoglia di gra te pirolitica su un magnete S8. Esplorazione dell interazione tra un magnete e un campione di YBCO (YBa2Cu3O7 - superconduttore del II tipo con debole pinning) per determinare il tipo di materiale. 11 - Viene utilizzata la descrizione in termini di dipoli e di linee di campo per rappresentare le situazioni esaminate? 12 - Gli studenti si mantengono su un piano descrittivo o raggiungono un livello anche interpretativo? Quali modelli interpretativi emergono per la fenomenologia osservata? 13 - Vengono riconosciute le analogie e le differenze tra le varie situazioni? 14 - Viene riconosciuto che gli oggetti presi in considerazione si comportano come dei dipoli, indotti dal campo magnetico esterno? 15 - L esplorazione viene fatta avvicinando uno solo o entrambi i poli del magnete? 16 - Vengono individuate analogie e differenze col caso della sospensione di un magnete sull altro? 17 - Viene riconosciuta la necessità di un vincolo per avere sospensione? 18 - L esplorazione è basata su ipotesi esplicite/implicite? 3. LE LINEE DI CAMPO S9. Analisi delle linee di campo all interno e fuori dai materiali: S9.1. Analisi della possibilità che la presenza di un materiale in un campo magnetico costante ed uniforme possa modi - care il campo magnetico risultante S9.2. Analisi di come si modi ca il campo magnetico risultante se un materiale ferromagnetico, paramagnetico, diamagnetico viene immerso in un campo magnetico uniforme, tenendo conto della rappresentazione per linee di campo, di quelle per vettori di dipolo e del comportamento osservato nella esplorazione sperimentale. 19 - Viene tenuto conto del principio di sovrapposizione di campi? Sia dentro che fuori il materiale? 20 - Viene data una descrizione/interpretazione in termini di dipoli e/o di linee di campo? S9.3. Con gurazione delle linee di campo del sistema magnete + YBCO (a T ambiente)
230 Capitolo 4. Percorsi S10. Esplorazione del comportamento del sistema magnete + YBCO (superconduttore del II tipo con debole pinning) all abbassarsi della temperatura (raffreddando con azoto liquido): effetto Meissner ed effetto pinning 21 - Viene riconosciuto che è avvenuta una transizione? Le descrizioni sono in termini di processo? 22 - Gli studenti si mantengono su un piano descrittivo o passano ad un piano interpretativo? 23 - Viene utilizzata una descrizione in termini di linee di campo? S11. Confronto e descrizione in termini di dipoli per ciascuno dei casi: 1) due magneti 2) magnete e gra te pirolitica 3) superconduttore e magnete 24 - Viene utilizzata una descrizione in termini di dipolo? 25 - Quali modelli interpretativi emergono per spiegare l effetto pinning? Mentre nel caso della gra te pirolitica il diamagnetismo evidenzia come si realizza una sospensione non di equilibrio della gra te pirolitica, il superconduttore sembra essere in equilibrio. L effetto pinning. 4. IL CONTRIBUTO DELLA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ S12. Un magnete in levitazione su un superconduttore YBCO (del II tipo con debole pinning) - il contributo della legge di Faraday-Neumann-Lenz in alcuni fenomeni connessi alla levitazione magnetica: S12.1. il magnete resta in levitazione e non cade sul superconduttore S12.2. per il magnete in levitazione esiste un unico asse di rotazione permesso, l asse N-S magnetico del magnete S12.3. il magnete resta in levitazione con una qualunque orientazione del suo asse magnetico e, nonostante sia presente solo l attrito con l aria, non si orienta secondo la direzione dell asse magnetico terrestre 26 - I fenomeni osservati vengono interpretati in termini di variazione di usso di campo magnetico utilizzando la legge di Faraday? In che modo? 5. GLI EFFETTI DI UN FORTE PINNING S13. Esplorazione dell interazione tra un magnete e un campione di YBCO (YBa2Cu3O7 - superconduttore del II tipo con forte pinning) per determinare il tipo di materiale. Le linee di campo del sistema magnete + YBCO (a T ambiente)
Progetto IDIFO - Proposte didattiche sulla fisica moderna 231 S14. [Raffreddamento con campo magnetico] Esplorazione del comportamento del sistema magnete + YBCO (superconduttore del II tipo con forte pinning) all abbassarsi della temperatura nei due casi: S14.1. magnete poggiato sul campione di YBCO S14.2. con uno spaziatore interposto Con gurazione delle linee di campo dei sistemi dopo la transizione. Descrizione e confronto delle situazioni S 10, S14.1. e S14.2. prima e dopo la transizione, in termini di vettori di dipolo, di linee di campo e di variazione di usso. S15. [Raffreddamento in assenza di campo magnetico] Raffreddare il campione di YBCO e poi provare ad avvicinare il magnete. 27 - Viene riconosciuto l insorgere di un legame tra magnete e superconduttore dello stesso tipo del caso precedente? 28 - Quali modelli interpretativi emergono per giusti care la differenza di intensità di tale legame rispetto al caso precedente? 29 - Quale modello interpretativo viene utilizzato per spiegare i comportamenti osservati? 6. LA STABILITÀ DELLA LEVITAZIONE S16. Una sottile sfoglia di gra te pirolitica e 4 magneti (a forma di parallelepipedo): possibilità di ottenere la levitazione della gra te sui magneti 30 - L esplorazione è basata su ipotesi esplicite/implicite? S17. Un campione di superconduttore del II tipo con forte pinning poggiato (con uno spaziatore) su: 1) un magnete 2) un quadrupolo Il sistema viene raffreddato. Esplorazione del comportamento e della stabilità nelle due situazioni. Descrizione e confronto delle due situazioni, prima e dopo la transizione, in termini di vettori di dipolo, di linee di campo e di variazione di usso. 31 - Per ciascuno dei casi 1) e 2) viene data una descrizione/ interpretazione in termini di dipoli, di linee di campo, di variazione di usso? 32 - Quali modelli interpretativi emergono per dar conto della differenza di stabilità della levitazione nelle due situazioni? 7. IL TRENO MAGLEV A LEVITAZIONE MAGNETICA S18. Problem solving. Prototipo di treno a levitazione magnetica. Si chiede di: 1) Descrivere il treno 2) Descrivere il suo funzionamento 3) Spiegare il suo funzionamento 33 - Quali elementi descrittivi del sistema e del suo funzionamento emergono come importanti dalle descrizioni date dagli studenti? 34 - Quali modelli interpretativi vengono utilizzati per spiegare il funzionamento del treno maglev? 3. Considerazioni sui risultati della sperimentazione delle attività qui proposte Le esplorazioni proposte per indagare le interazioni tra magneti sono per lo più finalizzate a studiare la dipendenza di tali interazioni dalla posizione reciproca e dalla distanza relativa dei magneti. Le risposte degli studenti alle domande sugli esperimenti da loro stessi progettati sono per lo più di tipo interpretativo delle interazioni tra dipoli che, a seconda delle prove effettuate, sono liberi o vincolati. Solo in un numero ristretto di casi le risposte sono semplicemente descrittive della fenomenologia osservata.
232 Capitolo 4. Percorsi La rappresentazione con vettori di dipolo delle situazioni provate è usata correttamente dalla maggior parte degli studenti e risulta un utile strumento per descrivere i risultati dell esplorazione dello spazio circostante ad un magnete con bussole-esploratori per poi ricavarne la configurazione delle linee di campo. Le rappresentazioni per vettori di dipolo e per linee di campo nel caso di due magneti con poli omologhi e opposti affacciati vengono confrontate con gli effetti corrispondenti osservati e risultano un utile strumento per prevedere e giustificare l impossibilità di sospendere due magneti uno sull altro, a meno di inserire un vincolo. Le interazioni osservate tra un magnete e oggetti di materiale ferro-para e dia magnetico sono tutte interpretate facendo riferimento allo stato temporaneo che si induce nei materiali di volta in volta presi in esame, in termini di polarizzazione del materiale, di vettori di dipolo, di campo magnetico o di magnete indotto e la maggior parte degli studenti sottolinea che, mentre nel caso di due magneti i due dipoli sono permanenti, ora uno è fisso e l altro è temporaneo e indotto dal campo magnetico esterno. Alla richiesta di pianificazione di una proposta operativa per classificare un campione di YBCO tutti gli studenti propongono di avvicinare al campione il magnete da un lato e dall altro. La modificazione del campo magnetico risultante che un materiale immerso in un campo costante ed uniforme può produrre viene spiegata utilizzando il principio di sovrapposizione dei campi esterno e indotto. Anche quando il materiale preso in considerazione è specificatamente ferro-para-dia magnetico, 9 studenti utilizzano il principio di sovrapposizione per giustificare il cambiamento dell intensità del campo magnetico sia all interno che all esterno dei materiali. Circa metà degli studenti utilizza la rappresentazione in termini di vettori di dipolo, l altra metà utilizza la rappresentazione in termini di linee di campo. Osservando il comportamento di un sistema YBCO magnete raffreddato con azoto liquido, tutti gli studenti riconoscono una transizione che ha modificato le proprietà magnetiche dell YBCO che è diventato un materiale diamagnetico e la loro attenzione si focalizza su cosa ha prodotto il cambiamento: l abbassamento della temperatura, le variazioni del campo magnetico risultante all interno e all esterno del superconduttore a causa del diamagnetismo che è nato, la polarizzazione indotta nel superconduttore e i cambiamenti del campo magnetico risultante per il principio di sovrapposizione. Si registrano inoltre alcune risposte in cui la fenomenologia è interpretata in termini di variazione di flusso del campo magnetico e induzione elettromagnetica. Il confronto della levitazione di un magnete su un superconduttore con il caso di una sfoglia di grafite pirolitica su un magnete permette di riconoscere che tra magnete e superconduttore si è instaurato un vincolo (effetto pinning) che viene interpretato per lo più con modelli in cui le linee di campo (che in alcuni casi sono pensate riuscire a penetrare il superconduttore e creano un vincolo, in altri avvolgono il superconduttore e lo tengono legato) sono pensate come enti materiali capaci di vincolare e legare oggetti diversi; in alcuni casi la stabilità della levitazione viene interpretata in termini di induzione elettromagnetica e variazione di flusso del campo magnetico concatenato con la superficie del superconduttore. Nel caso della levitazione di un magnete su un superconduttore con forte pinning, la maggiore stabilità della levitazione, ovvero la maggiore intensità del vincolo che si osserva rispetto al caso precedente, viene interpretato con una maggiore presenza di vortici nel superconduttore. Dall analisi della attività di problem solving di interpretazione del funzionamento di un trenino a levitazione magnetica emergono modelli interpretativi in cui la rappresentazione in termini di linee di campo e di effetti conseguenti gioca un ruolo fondamentale. Le linee di campo, però, sono ancora pensate come enti materiali o come linee di forza su cui il superconduttore può scivolare, emerge quindi la necessità di costruire percorsi per superare questi nodi. In alcuni casi l interpretazione è in termini di variazioni di flusso del campo magnetico che generano correnti indotte nel superconduttore che, con il loro campo, si oppongono a detta variazione e quindi, per esempio, non permettono al trenino di cadere o di uscire dai binari.
Università degli Studi di Udine Dipartimento di Fisica M.I.U.R. Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca PLS Progetto Lauree Scientifiche Progetto IDIFO Proposte didattiche sulla fisica moderna Materiali per studenti Il Progetto IDIFO del Progetto Lauree Scientifiche ha realizzato dal 2006 al 2009, oltre ad un Master biennale per insegnanti in rete telematica, tre Workshop per insegnanti e studenti, Laboratori didattici e sperimentali per studenti, la Prima Scuola Estiva nazionale di Fisica Moderna per studenti (estate 2007). Quest ultima è stata gestita dall Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università degli Studi di Udine e ripetuta nell estate 2009. È stata l occasione per preparare materiali per studenti, che mettano a frutto i risultati della ricerca in didattica della fisica per l apprendimento dei concetti più importanti della fisica dell ultimo secolo. Questo volume raccoglie i contributi più significativi alle attività per studenti della scuola estiva, in forma adatta ad essere utilizzati in attività scolastiche o direttamente dai ragazzi in autonomia. Curatore Marisa Michelini, Università degli Studi di Udine Comitato scientifico Compagno Cristiana, Rettore dell Università degli Studi di Udine Colombo Mario, Università degli Studi di Udine Corni Federico, Università degli Studi di Bolzano e Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corvaja Pietro, Direttore del Dottorato di Ricerca in matematica e fisica, Università degli Studi di Udine Fabbro Franco, Preside della Facoltà di Scienze della Formazione, Università degli Studi di Udine Ferraro Speranzina, Direzione Generale dello Studente, MIUR Gervasio Mario, Università degli Studi di Udine Honsell Furio, Sindaco di Udine Marcolini Lorenzo, Segretario Sezione AIF di Udine Michelini Marisa, Università degli Studi di Udine Michelutti Gian Luigi, Università degli Studi di Udine Mossenta Alessandra, Università degli Studi di Udine Pastore Giorgio, Università degli Studi di Trieste Peressi Maria, Università degli Studi di Trieste Piccinini Livio Clemente, Direttore della Scuola Superiore, Università degli Studi di Udine Rocca Filomena, Direzione Generale degli Ordinamenti Scolastici, MIUR Santi Lorenzo, Università degli Studi di Udine Sciarratta Isidoro, Segretario Sezione AIF di Pordenone Stefanel Alberto, Università degli Studi di Udine Tarantino Giovanni, ANSAS Palermo Tasso Carlo, Preside della Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali, Università degli Studi di Udine Toppano Elio, Responsabile PLS Matematica, Università degli Studi di Udine Vercellati Stefano, Università degli Studi di Udine Viola Rossana, Università degli Studi di Udine Segreteria redazionale Cristina Cassan Donatella Ceccolin Chiara Geretti IIª Edizione dicembre 2010 IIª Edizione luglio 2011 Copyright Università degli Studi di Udine ISBN 978-88-97311-04-1