SUPERCOMET
Superconductivity Multimedia Educational Tool, fase 2
Introduzione
Guida per l’insegnante
Insegnare con SUPERCOMET2
Uso delle TIC nell’insegnamento delle scienze
Le TIC nell’insegnamento delle
scienze
Modi di utilizzare le TIC in classe
La Fisica della superconduttività
Informazioni sul Background
I moduli
Prerequisiti, Obiettivi, Test sulle conoscenze
Esempi di attività
Preposte di lezioni
Esperimenti
Low-tech, High-tech, seminario per gli insegnanti
Valutazione
Recensioni, commenti degli insegnanti, commenti
degli studenti
Ulteriori risorse
Testi, Weblinks
1
Informazioni su SUPERCOMET2
Il CD SUPERCOMET2 è stato sviluppato all’interno dei Progetti SUPERCOMET
(N/01/B/PP/131.014) e SUPERCOMET 2 (N/04/B/PP/165.008) con il supporto economico del
Programma Leonardo da Vinci Fase II Dell’Unione Europea.
Obiettivi del Progetto SUPERCOMET2
Il Progetto SUPERCOMET 2 ha l’obiettivo di:
• Espandere una partnership internazinale per la rivitalizzazione dell’insegnamento della fisica in
Europa.
• Stabilire stretti legami con le esistenti organizzazioni per gli insegnanti di fisica, ricercatori in
didattica della fisica, esperti in curriculum e plitici.
• Sviluppare a concept for products related to physics education that may be put to use
immediately, simultaneously allowing for expansion in both subject and scope.
© 2007 Simplicatus AS
P.O. Box 27, NO-2006
Løvenstad, Norway
Editors
Vegard Engstrøm, Heimo
Latal, Leopold Mathelitsch,
Gerhard Rath
Publisher
Simplicatus AS
Authors
Francesca Bradamante,
Michela Braida, Aileen Earle,
Vegard Engstrøm, Barbara
Fedele, Jenny Frost, Gren
Ireson, Heimo Latal, Harvey
Mellar, Marisa Michelini, Wim
Peeters, Alberto Stefanel
Illustrations
Visualize DA
Photographs
University of Lille, University of
Torun, University of Graz,
Loughborough University
BRG Kepler Keplerstrasse 1, Graz, Austria
Karl-Franzens-Universitaet, Graz, Austria
Sint-Gabriëlcollege, Boechout, Belgium
University of Antwerp, Belgium
Geo Milev English Language School, Rousse, Bulgaria
University of Rousse, Bulgaria
In memory of Guntis Liberts
Maticni Gymnazium, Ostrava, Czech Republic
(Latvia) of Ostrava, Czech Republic
University
th
= June 30 , 2007
Gymnasium Koenigin-Olga-Stift, Stuttgart, Germany
University of Ludwigsburg, Germany
Werner-von-Siemens-Gymnasium, Munich, Germany
Feodor-Lynen-Gymnasium, Planegg, Germany
Erasmus-Grasser-Gymnasium, Munich, Germany
University of Munich, Germany
IES Juan de la Cierva y Codorniu, Totana, Spain
Universidad de Murcia, Spain
Université des Sciences et Technologies de Lille, France
Liceo Scientifico Statale "M. Grigoletti", Pordenone, Italy
Istituto Tecnico Industriale "Arturo Malignani", Udine, Italy
Istituto Statale Di Istruzione Superiore "R. D'Aronco", Gemona, Italy
Liceo Scientifico Statale "Giovanni Marinelli", Udine, Italy
University of Udine, Italy
Central Gymnasium of Daugavpils, Latvia
Livani Secondary School No 2, Livani, Latvia
University of Daugavpils, Latvia
Bonhoeffer College, Castricum, The Netherlands
AMSTEL Institute, Amsterdam, The Netherlands
Trondheim Katedralskole, Trondheim, Norway
I Liceum Ogolnoksztalcace, Slupsk, Poland
Pomorska Akademia Pedagogiczna, Slupsk, Poland
Escola Secundaria Monte de Caparica, Portugal
Universidade Nova de Lisboa, Portugal
Aurel Vlaicu Upper Secondary School, Arad, Romania
Colegiul Tehnic "Transilvania", Deva, Romania
Electrotimis High School, Timisoara, Romania
Technical College of Construction and Environmental, Arad, Romania
School Moor Lane, Nottingham, United Kingdom
Loughborough University, Leicestershire, United Kingdom
Institute of Education, University of London, United Kingdom
2
Sommario
Introduzione .....................................................................................................................................4
Obiettivi del CD SUPERCOMET2 e della Guida per l’Insegnante ............................................ 4
SUPERCOMET2 – l’applicazione ............................................................................................. 5
Insegnare con SUPERCOMET2 ...............................................................................................8
Principali forme di TIC rilevanti per la fisica nella scuola ........................................................ 13
Perchè usare le TIC nell’insegnamento della fisica?............................................................... 15
Modi di utilizzo delle TIC in classe .......................................................................................... 17
La Fisica della Superconduttività.................................................................................................20
I Moduli ...........................................................................................................................................31
Introduzione............................................................................................................................. 31
Magnetismo............................................................................................................................. 32
Induzione elettromagnetica .....................................................................................................35
Conduzione eletrica................................................................................................................. 37
Storia della superconduttività .................................................................................................. 39
Introduzione alla superconduttività..........................................................................................41
Applicazioni della supercondutività ......................................................................................... 43
Materiali superconduttori ......................................................................................................... 46
Spiegazione della superconduttività........................................................................................ 49
Attività con superconduttori ..................................................................................................... 50
Esempi di attività ...........................................................................................................................51
Effetti della temperature sulla resistenza di metalli e superconduttori..................................... 51
Lezioni sulla superconduttività suggerite................................................................................. 53
SUPERCONDUTTIVITÀ – Fogli di lavoro per gli studenti....................................................... 59
Esperimenti – il seminario per gli insegnanti..............................................................................75
Il seminario per gli insegnanti - overview ................................................................................ 75
Metodi di insegnamento – apprendimento attivo..................................................................... 76
Lavorare con azoto liquido e magneti ..................................................................................... 83
Esperimenti di Levitazione ...................................................................................................... 84
Fenomeni magnetici ed elettromagnetici Hands-on ................................................................ 89
Come costruire il proprio superconduttore ..............................................................................94
Misura della temperature di transzione di un supercondutore................................................. 96
Valutazione ...................................................................................................................................103
Infomazioni base ................................................................................................................... 103
Relazione degli esperti: due esempi ..................................................................................... 104
Commenti degli insegnanti sui materiali ................................................................................105
Commenti degli studenti sui materiali.................................................................................... 107
Ulteriori risorse ............................................................................................................................114
3
Introduzione
Obiettivi del CD SUPERCOMET2 e della Guida
per l’Insegnante
SUPERCOMET2 è stato definito una applicazione multimediale che combina grafici,
animazioni, testi e navigazione per rendere alcune parti selezionate del curriculum di fisica
nelle scuole superiori più affascinanti e accessibili.
Learning Object del CD ROM SUPERCOMET2
Il CD ROM SUPERCOMET2 è inteso come una introduzione alla superconduttività, alle teorie su cui
si basa la sua scoperta (incluso il magnetismo e l’induzione e la conduzione elettrica), e la sua storia.
Lavorando con i materiali SUPERCOMET2, gli studenti saranno in grado di
1. discutere su come una teoria è legata alla pratica
2. esplorare I possibili usi dei fenomeni
3. esplorare le implicazioni tecnologiche di una nuova scoperta
4. descrivere come gli scienziati prendono e interretao I dati
5. descrivere come scienza e tecnologia usano nuove idee
6. comunicare idée scientifiche a diversi ascoltatori
7. porsi domande sulla fisica e su come essa è legata alla vita quotidiana
8. proporre legami tra campi diversi della fisica
Obiettivi della Guida per l’Insegnante
La guida per l’insegnante vuole descrivere il fondamento pedagogico dell’uso di SUPERCOMET2 e
proporre modalità efficaci di utilizzo in classe, come parte dell’insenamento di tutti I giorni, da solo o
unitamente con dimostrazioni pratiche e strumenti multimediali. Essa dà informazioni sulla fisica della
superconduttività e mostra alcune possibilità per la valutazione del lavoro con SUPERCOMET2.
Desinatari
I destinatari di SUPERCOMET2 sono gli studenti di scuola superiore.
4
SUPERCOMET2 – l’applicazione
SUPERCOMET2 consiste in moduli auto-consistenti e di un set di altri utili
strumenti di navigazione, di risorse di insegnameto e di informazione
come nella mappa del sito seguente
Navigazione
Menu principale
Lingue
Aiuto
Glossario
FAQ
Menu principale
Magnetismo
Induzione elettromagnetica
Conduzione elettrica
Introduzione alla uperconduttività
Applicazioni della supercoduttività
Attività con superconduttori
Storia della superconduttività
Materiali superconduttori
Spiegazionedella superconduttività
Motore di ricerca
Animazioni
Risorse di testo
Bookmark
Attività
Video
Foto
Referenze
Links
Una guida rapida per cominciare
1. Quando cerchi argomenti particolari (per es. resistenza elettrica ), naviga attraverso i contenuti
dei principalimodli della guida per l’insegnante.
2. Vai a pag 49 per vedere se ci sono moduli di insegnamento già pronti che puoi adattare alla
tua. Alternativamente, vai su www.supercomet.eu per navigare tra I materiali messi a
disposizione dagli altri insegnanti (intranet simplicatus)
3. Avvia il CD ROM SUPERCOMET2 e familiarizza con la sua struttura di navigazione.
4. Usando il Menu Principale, vai al modulo più appropriato per l’argomento che stai insegnando
e familiarizza con esso.
5. Usa SUPERCOMET2 come suggerito nel piano di insegnamento che hai trovato nella guida
ovscrivine uno per tuo conto.
6. Dopo la lezione, valuta come è andata. Puoi condividere il tuo lavoro con altri insegnanti
entrando nell’intranet Simplicatus (http://intranet.simplicatus.no/).
5
Come comincio ad usare l’applicazione SUPERCOMET2 ?
Requisiti di sistema
Prima di usare l’applicazione al computer SUPERCOMET2, controlla che i tuoi computer e browser
abbiano I requisiti minimi (o consigliati) seguenti.
PC
•
•
•
•
•
•
•
Microsoft Windows 98 SE / Me / 2000 / XP / NT
Processore Pentium 4 - 500 MHz (consigliato Pentium 4 -1 GHz)
64 MB RAM (consigliati 256 MB RAM)
colori 16-bit consigliati per una visione ottimale
risoluzione 800x600
4x CD ROM
Macromedia Flash Player (version 7.x – disponibile gratuitamente su www.flash.com)
•
•
•
•
•
•
•
MacOS 9.x / X 10.1.x / X 10.2.x / X 10.3.x
Power Macintosh (consigliato 1 GHz G4)
64 MB RAM (consigliato 256 MB RAM)
colouri 16-bit consigliati per una visione ottimale recommended
risoluzione 800x600
4x CD ROM
Macromedia Flash Player (version 7.x - disponibile gratuitamente su www.flash.com )
Mac
Requisiti del browser
MS Internet Explorer 6.0 o superiori
Uso dell’applicazione SUPERCOMET2
Posizionare il disco neldrive per CD ROM.
Il disco dovrebbe partire automaticamente. Se non parte, segui le istruzioni sull’etichetta o apri il file
“Open.html” nel tuo browser. Se hai problemi nel caricare l’applicazione SUPERCOMET2 , apri il file
‘read-me.txt’ nel CD.
6
Come orientarmi in SUPERCOMET2?
Puoi seguire I link di navigazione a disposizione (vedi sotto )...
Questo pulsante permette di
segnare una pagina a cui puoi
tornare più tardi. Non è possibile
segnare più pagine.
Click qui per andare a: Menu
Prncipale, Aiuto, Glossario, FAQ e
per scegliere la Lingua
Motore di
ricerca
Pulsanti di controllo per le
animazioni interattive. Puoi
usarli per interaire con le
simulazioni. Cosa fa ogni
pulsante dipende
dall’animazione che si sta
presentando.
7
Insegnare con SUPERCOMET2
Domande frequenti - FAQ D: La superconduttività non è nel curriculum; perchè insegnarla?
R: La superconduttività può essere usata come un modo accattivante per insegnare ai ragazzi la
struttura della material, l’elettricità, il magnetismo e l’induzione elettromagnetica.
D: Insegno a sudenti di età inferiore a 16 anni. Posso usare la superconduttività nelle mie
lezioni?
R: Per gli studenti più giovani si possono usare semplici dimostrazioni di superconduttività.
D: Non ho tempo per usare l’intero CD ROM. Posso usarlo in un altro modo?
R: Sebbene tu possa lavorare col CD ROM dall’inizio alla fine, è possible usare da sole diverse parti
dei contenuti (testo, grafici, animazioni). È disponibile una funzione di ricerca per aiutarti a trovare
i materiali che potrebbero essere rilevanti per la tua classe.
D: Quando provo a far girare le animazioni, compare un messaggio di errore che dice
‘Windows non può aprire QUESTO FILE’
R: Le animazioni sono state create in formato Flash. Per farle girare nel tuo browser, hai bisogno di
installare il Plug-in Flash. Una copia è disponibile nel CD ROM.
D: Trovo molto utili alcune animazioni del CD ROM. Posso usarle in materiali creati dai miei
studenti o da me, per esempio in pagine web o in presentazioni in PowerPoint?
R: I materiali SUPERCOMET2 sono tutelati da diritti d’autore e possono essere usati solo per
l’insegnamento in accordo con la licenza acquistata.
Vedi www.supercomet.eu per maggiori informazioni.
D: Perchè usare il CD ROM invece di dimosrazioni dal vivo, cosa piace ai miei studenti?
R: Usalo in modo combinato con le dimostrazioni dal vivo. Gli studenti possono usare il CD ROM per
controllare I risultati che hanno ottenuto. In alcuni casi, il CD ROM può essere usato per mostrare
cose improponibili in un laboratoro scholastico.
Vedi ‘Le animazioni SUPERCOMET2 portano la fisica alla luce e aiutano gli studenti ad imparare’
per maggiori informazioni su come le animazioni possono aiutare gli stadenti ad imparare.
D: Posso sostituire lezioni pratiche di laboratorio con il CD ROM SUPERCOMET2?
R: Non esattamente – la ricerca suggerisce che gli studenti traggono maggior beneficio da
dimostrazioni pratiche reali.
D: Ci sono piani di lezione o altri materiali didattici che potrei usare?
R: Sì – questa guida per l’insegnante include un certo numero di utili materiali didattici e proposte per
attività di apprendimento. Altre risorse sono disponibili in Internet.
D: Ho sviluppato alcuni materiali sulla superconduttività che vorrei mettere a disposizione.
Come potrei fare?
R: il progetto SUPERCOMET2 ha sviluppato una comunità on-line internazionale di insegnanti che
usano la superconduttività nel loro insegnamento. Contatta [email protected] per maggiori
informazioni.
8
La superconduttività può essere usata come un modo esaltante per
insegnare alcuni concetti di fisica
La superconduttività può essere usata come contesto in cui insegnare
• Magnetismo
• Induzione e conduzione elettrica
• La relazione tra temperatura e resistenza in conduttori metallici
• L’effetto della temperatura sui materiali in termini di vibrazioni del reticolo
Usando la superconduttività come il contesto per imparare concetti come temperatura e magnetismo,
gli studenti possono immediatamente collegare la teoria alla loro vita, rendendo il loro apprendimento
più rilevante ed eccitante.
Il Premio Nobel in Fisica 2003: "per i contributi pionieristici alla teoria dei
superconduttori e dei superfluidi"
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2003/index.html
Alexei A. Abrikosov
Vitaly L. Ginzburg
Anthony J. Leggett
La superconduttività è all’avanguardia
• Recentemente nel 2003 il Premio Nobel è stato assegnato a ricercatori in superconduttività
• La ricerca in superconduttività è attualmente fatta in molte università, in molte compagnie hi-tech e
istituzioni di ricerca.
La teoria della superconduttività è
usata in molte moderne esaltanti
applicazioni
• Sistemi di Immagine Medica (Magnetic Resonance
Imaging – MRI)
• Treni Maglev (a levitazione)
• Scudi magnetici
• Acceleratori di particelle
• Telefonia mobile avanzata
• Magnetometri SQUID (rilevatori di campi
magnetici ultra-sensibili)
• Cavi per alta trasmissione
• Dispositivo di immaganizzamento di energia
2003 Il primo treno Maglev in commercio:
Shanghai Transrapid
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Shanghai_T
ransrapid_002.jpg
9
Solenoide superconduttore, parte del detector CMS
all’interno dell’ LHC (Large Hadron Collider) al CERN
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:HCAL_Prepared_for_ins
ertion.jpg
Sezione sagittale di una scansione
MRI del cranio umano.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:MRI_
head_saggital.jpg
La superconduttività apre la porta su ciò che i fisici attualmente fanno
centinaia di fisici nel mondo sono oggi impegnati nella ricerca per i superconduttori
un totale di 12 ricercatori nel mondo ricevettero il premio Nobel (nel 1913, 1972, 1973, 1987 e
2003) per lavori relativi ai superconduttori .
The unit cell of YBCuO, a high-temperature superconductor
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:YBCO.gif
•
•
Le animazioni di
SUPERCOMET2 portano in
vita la fisica e aiutano gli allievi
ad imparare
Il cd di SUPERCOMET2 include un'ampia
gamma di materiali testuali, collegamenti,
glossari, immagini, filmati di dimostrazioni
che insieme contribuiscono a fornire delle
risorse eccellenti per l'insegnamento dei
superconduttori, la caratteristica più
importante di SUPERCOMET2 è il gran
numero di animazioni interattive dei processi
fisici. Le schermate qui sotto mostrano una
piccola selezione delle animazioni interattive
che si possono trovare nel cd.
10
Schermate delle animazioni interattive del CD-ROM
Come le animazioni possono aiutare l'apprendimento
• i laboratori virtuali possono consentire agli allievi l'accesso a numerosi esperimenti che sarebbe
altrimenti impossibile da sperimentare in una normale aula, per ragioni di sicurezza, o perchè gli
effetti sono troppo veloci, lenti o piccoli.
• interagendo con le animazioni, alterando i fattori ed esaminando gli effetti di questi cambiamenti, gli
allievi potranno acquisire esperienze che altrimenti sarebbero negate per le difficoltà dell'esperienza
pratica.
• se usati assieme a degli esperimenti nel mondo reale, le animazioni possono aiutare gli allievi a
capire la relazione tra i modelli e la realtà, ed arrivare a capire un lavoro scientifico.
• le animazioni aiutano ad imparare la scienza in un modo piacevole
• le animazioni si sono dimostrate efficaci nell'illustrare le complesse relazioni funzionali e procedurali
che spesso si incontrano in fisica.
• nell'aggiungere un'interpretazione concettuale in quella che è una versione della realtà, le
animazioni aiutano gli allievi a collegare questi concetti con fenomeni della vita reale.
• le animazioni forniscono agli allievi immagini fisse e in movimento, che sono fondamentali per capire
e memorizzare concetti scientifici.
• le animazioni rimuovono il rumore di fondo che si trova negli esperimenti dal vivo, e permettono agli
allievi di costruire modelli dei fenomeni fisici con più facilità.
• le animazioni interattive dei concetti fisici aiutano gli allievi a migliorare i propri modelli sui fenomeni
fisici.
• le animazioni consentono agli allievi di essere più attivi nell'apprendimento.
Nota per l’insegnamento
11
C'è evidenza che gli allievi possano prendere le simulazioni e le animazioni in modo letterale, e quindi
sviluppare una facilità di apprendimento dei complessi fenomeni fisici essi si limitano a rappresentare (vedi,
per es, Wellington, 2004). Per questa ragione è importante che le simulazioni siano usate, se possibile, con
degli esperimenti reali, e che l'insegnante prenda un ruolo attivo nell'aiutare gli allievi a capire la natura dei
modelli ed il loro ruolo nella scienza.
Le TIC nell'insegnamento della scienza
12
Come usare la tecnologia per l'informazione e la comunicazione (ICT) nell'insegnamento della
scienza
Principali forme di TIC rilevanti per la fisica nella
scuola
Molte forme di TIC possono essere utili nell'aula di fisica o in laboratorio. Usate in combinazione con
l'insegnamento e attivate incentrate sugli allievi, esse hanno la potenzialità di trasformare il processo
di apprendimento. La lista qui sotto include alcune delle tecnologie elencate da Osborne e Hennessy
(2003).
Sistemi di acquisizione dati
I sistemi di acquisizione dati, che includono un hardware per il data logging più un software per
l’elaborazione e l’interpretazione dei dati, aiutano gli allievi a sentirsi coinvolti e ad interpretare i risultati
degli esperimenti pratici e a sviluppare un approccio investigativo alla scienza. Un dispositivo di
elaborazione dati deve essere usato come interfaccia del computer. Data loggers come CMA ULAB
(www.cma.science.uva.nl), TI CBL2(education.ti.com) o Data Harvest (www.data-harvest.co.uk),
acquisiscono e memorizzano misure ripetute da una serie di sensori in un intervallo di tempo per analizzare
dati quali luce, temperatura, suono, conduttività, voltaggio e movimento. Ognuno di questi processori di dati
possiede il proprio apparato che fornisce grafici per avere una prima, immediata impressione. Una volta
archiviati i dati, il processore dati può essere collegato ad un computer per analizzarli con maggior dettaglio.
Data video measurement
Data Video permette l'analisi del moto di oggetti reali e di eventi che accadono fuori dall'aula. Il software
dell'analisi video consente all'utente di registrare dati da posizioni diverse in formato digitale. Gli eventi
possono essere sia ordinari quali il moto di una bicicletta, tiri di calcio, tiri di basket oppure altri meno
normali quali incidenti di macchine o viaggi lunari. Le misurazioni video si possono vedere nel formato di
videoclips (AVI, MOV o MPG) oppure come immagini singole (BMP, GIF o JPG)
Durante le misurazioni video i dati di posizione e tempo possono essere selezionati facendo click e
seguendo la traccia di un oggetto mobile come una palla. I punti acquisiti in questo modo possono servire
per calcolare la posizione di altri punti come per es il centro di massa.
Durante le misurazioni su una singola immagine, dati di posizione, o di posizione e di tempo per immagini
stroboscopiche, sono acquisiti clickando sui punti di interesse in una immagine.
I dati video/immagine possono essere visualizzati su un diagramma o tabella per ulteriori analisi ed
elaborazione
Filmati digitali da usare in Data Video possono essere trovati in Internet o creati con una webcam o camera
digitale. Un software per l'analisi video, come nel programma Coach 6 (www.cma.science.uva.nl), offre
anche la possibilità di catturare e redarre videoclip da sorgenti digitali, come una webcam. Le opzioni
presenti includono:
• aggiustamento della brillantezza e del contrasto
• rotazioni e capovolgimenti
• inserimento di note di testo
• correzione delle prospettive
Sistemi d'informazione
Questa categoria include internet, cd, enciclopedie elettroniche, ecc.. Fornisce informazioni su come gli
allievi possono seguire e programmare l'apprendimento. Ad esempio possono usare il cd SUPERCOMET –
su una enciclopedia ondine- per cercare informazioni sui Nobel premiati per le ricerche sulla
superconduttività.
Strumenti per il Modelling
Un ambiente di modellizzazione è un software che permette agli allievi di creare modelli possibili di
fenomeni scientifici e permette la visualizzazione dei problemi scientifici in modo digitale. In questo contesto
la carta può essere considerata un mezzo non importante, in confronto al computer che è un mezzo attivo.
13
Molti autori considerano la modellizzazione come un aspetto, e a volte l’aspetto, essenziale per l’approccio
ai problemi scientifici. Cosi, la modellizzazione nella scienza può essere sia lo scopo che lo strumento. Un
ambiente di modellizzazione è usato per creare ed analizzare modelli biologici, chimici, fisici, economici,
sociali ed ecologici. Fornisce l'utente di una vasta gamma di possibilità.
Ci sono molti modi per costruire e visualizzare i modelli: modo grafico, con equazioni o testo.
Il modo grafico è legato a software quali Stella(www.iseessystems.com), PowerSim(www.powersim.com) o
Coach 6(www.cma.science.uva.nl), basati sull’approccio stock-flow sviluppato dal Prof Jay W Forrester a
MIT nei primi anni sessanta. È una metodologia usata per capire come i sstemi cambiano nel tempo. Tali
modelli possono essere di una maggiore complessità e svolgono simultaneamente molti più calcoli di
qualunque modello mentale umano.
I modi basati su equazioni e testi offrono una rappresentazione testuale della matematica che c'è dietro ai
modelli.
I modelli di equazioni differenziali possono essere risolti da molti metodi di iterazione numerica quali Eulero
o Runge-Kutta. Anche programmi quali Excel si possono usare per creare modelli. Rendere gli studenti in
grado di costruire e verificare il loro modello può essere uno strumento potente di apprendimento.
Software multimediali
Software multimediali quali SUPERCOMET di solito includono testi, clips video e audio, spiegazioni a voce,
grafici e animazioni, tutorial, attività interattive, presentazioni e glossari. Particolarmente utili in fisica sono i
laboratori virtuali, che permettono agli allievi di condurre esperimenti virtuali non possibili in classe.
Consente anche di confrontare i dati ottenuti con esperimenti reali con quelli ottenuti dal modello. I software
multimediali possono essere usati per dimostrare i fenomeni (per es la levitazione di magneti su
superconduttori freddi) e/o per simulare dei processi in "esperimenti virtuali" (per es la relazione tra la
velocità di un filo di rame in un campo elettrico e la conseguente differenza di potenziale).
Strumenti di pubblicazione e presentazione Internet/Intranet
Gli allievi possono usare processori word o pacchetti di presentazione multimediale(come Dazzler che si
trova all’indirizzo www.dazzlersoft.com) per preparare i propri resoconti sui fenomeni fisici studiati
utilizzando esperimenti reali o virtuali e mostrarli ad altri. Possono far parte di un portfolio di lavoro. I
resoconti possono essere sviluppati anche usando l'editor html come Dreamweaver(www.macromedia.com)
e pubblicati nella rete interna alla scuola(intranet) o anche in internet. Esistono molti siti che ospitano
pagine web senza costo quali www.geocities.com o www.webspawner.com.
Strumentazione per registrazione digitale dati – fotocamera e videocamera
Insegnanti e allievi possono usare camere digitali e videocamere per registrare esperimenti da loro svolti, o
anche fare fotografie che possono servire per revisione (o insegnamento) o che gli studenti possono
includere nel loro lavoro.
Tecnologia di proiezione
La tecnologia di proiezione è un elemento importante per insegnare la fisica. Può essere usata per rendere
pubblico e visibile a tutti ciò che è visibile su un singolo computer. Proiettori dati e schermi, grandi monitor o
TV possono essere usati per le dimostrazioni e per registrare e salvare le stesse. Ancora più utili, gli
schermi interattivi permettono agli allievi di interagire col materiale presentato, mentre schermi di
monitoraggio e software per la condivisione di materiali (per es AB Tutor Control, www.abconsulting.com)
permettono ad un tutor di interagire con l'intera classe consentendo ad esempio di confrontare risultati
ottenuti da diversi allievi e un modello preso da SUPERCOMET.
Queste tecnologie, usate insieme, consentono di avere un archivio completo e comune di un
esperimento.
14
Perchè usare le TIC nell’insegnamento della
fisica?
L'uso delle TIC nei curricula scientifici in Europa è stato richiesto sin dall'inizio degli anni novanta. In
letteratura (Osborne and Hennessy, 2003) si sostiene che le TIC hanno il potenziale per trasformare
l'insegnamento e l’apprendimento della scienza in classe. Tra i benefici notati ci sono:
Le TIC possono aiutare gli allievi a lavorare più velocemente e li libera da compiti che richiedono
lavoro intenso
•
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•
•
•
•
l'uso delle TIC (in particolare il l’elaboratore dati) può accelerare il processo tedioso e che può
condurre a degli errori di prendere misurazioni complesse, lavorarando con formule difficili e
disegnando grafici.
è possibile registrare e confrontare un gran numero di risultati, anche di classi e in tempi diversi.
le TIC migliorano la produttività degli allievi e la qualità del loro lavoro
le simulazioni interattive evitano che studenti – e insegnanti – perdano tempo a preparare la
strumentazione
essendo più veloci delle procedure manuali, quelle basate sulle TIC sono anche più accurate e
forniscono dati meno “sporchi” che possono quindi descrivere i fenomeni con maggior chiarezza.
i link nelle schede elettroniche e nelle attività interattive fanno risparmiare agli studenti il tempo della
ricerca di risorse.
le TIC riducono il lavoro dei docenti permettendo loro di spendere più tempo con gli allievi, aiutandoli
ad analizzare i dati e a confrontarli con quelli trovati da altri.
schermi che mostrano i dati in tempo reale possono essere usati come base per la discussione in
classe e consente all'insegnante di dimostrare istantaneamente il rapporto tra fenomeno e modello,
anche quando ci sono molte variabili.
l’ uso della modellizzazione e della simulazione al computer permette agli allievi di analizzare
modelli e processi più complessi di quelli analizzabili in una classe.
Ampliare e aggiornare l’apprendimento
le TIC e Internet consentono agli allievi l'accesso a una più ampia gamma di strumenti aggiornati e di fonti
di informazione. Questo rende l’insegnamento e l’apprendimento più autentici e aggiornati di quanto
possano esserlo con l’utilizzo dei sol libri di testo.
• gli allievi possono collegare ciò che apprendono con il mondo reale
• i buoni allievi possono usare le risorse fornite per imparare più da quanto stabilito dal docente - o dal
curriculum • simulazioni, animazioni e laboratori virtuali consentono agli allievi e agli insegnanti di osservare e
prendere parte alle esperienze, cosa che sarebbe altrimenti impossibile a causa di costi, sicurezza,
tempo o strumentazione.
• gli esperimenti virtuali possono essere ripetuti quante volte sia necessario, cosa che raramente può
essere fatta nelle esperienze dal vivo.
Le TIC incoraggiano gli studenti ad esplorare e a sperimentare
• l'uso di grafici e di strumenti di modellizzazione cosi come simulazioni interattive, che danno un
feedback immediato, incoraggiano gli allievi a lavorare in modo più sperimentale e piacevole,
studiando relazioni e testando, raffinando e ri-testando le loro idee.
• visualizzare lo sviluppo di un grafico o la spiegazione di un modello su uno schermo migliora il
lavoro condotto con la tecnica di insegnamento Previsione-Osservazione-Spiegazione.
• i modelli interattivi e la veloce presentazione dei dati permessi dall’uso delle TIC, incoraggiano gli
allievi a fare domande esplorative (“cosa accade se…”) e a verificare le risposte a queste domande
pianificando e eseguendo attività virtuali.
• Poiché le TIC sono interattive e dinamiche in un modo che un testo scritto non potrebbe essere, il
loro uso (per es spreadsheets e software di modellizzazione) sviluppa negli studenti un approccio
interattivo all’apprendimeno.
Le TIC sottolineano alcune importanti questioni
15
•
•
•
•
•
•
gli allievi possono meglio visualizzare i processi fisici e mettere in relazione variabili differenti in
relazioni qualitative o numeriche .
l'attenzione può essere fissata su questioni/concetti più che su minuzie .
l'astrazione e altre difficoltà nella percezione dei fenomeni fisici (per es la corrente e il campo
magnetico) vengono messe in luce.
gli allievi possono imparare i concetti più velocemente e facilmente, possono formulare nuove idee
più velocemente e trasferirle nei vari contesti.
quando un grafico evolve sullo schermo in tempo reale, l'attenzione degli allievi è indirizzata su cosa
cambia con i dati .
usando l’analisi dei dati al computer e i sistemi di interpretazione, gli allievi si possono meglio
concentrare sulle relazioni tra le variabili anzichè sui singoli punti che costituiscono il grafico.
Incremento dell’autonomia e del lavoro collaborativo
•
•
•
l'uso delle TIC per esplorare e sperimentare fenomeni fisici aiuta gli allievi ad avere un maggior
controllo sul loro apprendimento e ad avere un ruolo più attivo.
gli allievi che usano le TIC lavoreranno in modo più(ma non completamente) indipendente
dall'insegnante.
“indipendenza” non significa che gli allievi lavorano da soli. La collaborazione alla pari tra studenti
che lavorano insieme ai compiti, scambiando le loro conoscenze e esperienze e producendo risultati
comuni sta diventando un modello prevalente nell’uso delle tecnologie per l’educazione.
Migliorare motivazione e coinvolgimento
•
•
•
c’è evidenza che gli allievi che lavorano con le TIC sono più motivati di altri che lavorano in altri
modi.
le TIC possono migliorare molto la qualità della presentazione del lavoro degli allievi e li aiuta a
creare risorse multimediali.
gli allievi partecipano più attivamente e con costanza alle attività di laboratorio, perchè le TIC offrono
un nuovo modo per imparare, ma anche perchè eliminano alcuni dei lavori più noiosi, mentre
l’immediatezza e l’accuratezza dei risultati ottenuti sono motivanti in sè.
16
Modi di utilizzo delle TIC in classe
Un modo può comprendere una serie di esperimenti dal vivo, ognuno dei quali collegato ad un apparecchio
data logging con un software che fornisce grafici in tempo reale, collegato ad un proiettore, che consente
agli allievi di salvare i dati per presentarli a studenti di atri paesi tramite internet. Questi esperimenti reali
saranno supportati dalle simulazioni previste dal CD ROM SUPERCOMET. Tutte le dimostrazioni possono
essere filmate in tempo reale e rese disponibili per l'uso degli allievi. Nonostante ciò, molte scuole non sono
in grado di fornire laboratori pieni di computer, lavagne, registratori video, computer collegabili ad internet e
proiettori. Questo non è sempre male: metodi alternativi di lavoro, che richiedono il coinvolgimento attivo e il
lavoro collaborativi degli studenti, possono essere molto efficace. Barton (2004) suggerisce le seguenti
soluzioni:
Dimostrazione
Dimostrazioni dal vivo usando apparecchiature convenzionali (per es termometri al mercurio), seguiti da
interazioni con simulazioni possono essere molto efficaci, specialmente se l'insegnante ha chiesto agli
allievi di fare delle previsioni (per es disegnando dei grafici) prima della dimostrazione. Si può usare questo
metodo se l'insegnante vuole evitare che gli allievi maneggino sensori costosi e fragili o materiali pericolosi
come l’azoto liquido. Si possono usare grafici sviluppati durante le dimostrazioni – e registrazioni video delle
stesse - per aiutare gli allievi a rivedere esperimenti e dimostrazioni precedenti.
Utilizzo di data loggers e apparecchiature convenzionali
Quando c'è più di un elaboratore dati ma non in numero sufficiente per l'intera classe, ci sono altri
metodi di lavoro. L'insegnante e/o alcuni allievi possono registrare dati usando l’elaboratore dati,
mentre il resto della classe utilizza l’apparecchiatura convenzionale del laboratorio. I risultati ottenuti
si possono confrontare. Data logging equipment can also extend what is possible using conventional
equipment, for example by allowing for the recording of data over periods that extend beyond a
classroom period.
Circus of experiments and ‘dip-in-and-out’ lessons
Se ci sono dei limiti per quanto riguarda l’elaboratore dati e/o il software di simulazione (per es le
animazioni SUPERCOMET) disponibili in classe, si possono sempre usare come parte di un “insieme di
esperimenti” o come una lezione "dip-in-and-out". Un insieme di esperimenti implica il fatto che gli allievi si
muovano nella stanza da una attività/esperienza all'altra. Si può, ad esempio, creare un circuito di piccoli
esperimenti sull'induzione elettromagnetica, alcuni in cui si usano magneti reali, fili di rame e galvanometri,
mentre altri usano SUPERCOMET. Una lezione dip-in-and-out è simile, ma qui l'attenzione della classe si
rivolge non ad attività pratiche ma a mettere insieme, analizzare e stampare dei dati.
Una lezione “metà e met”
Si può fare una lezione metà e metà se si hanno a disposizione dei computer solo per la metà degli
allievi per lavorare con essi solo in alcuni momenti. In questa situazione, metà degli allievi lavora al
computer mentre l'altra metà s'impegna in un'esperienza pratica. I due gruppi possono poi scambiarsi
a metà lezione.
Utilizzo di risorse già esistenti
Una ricerca su Google sulla superconduttività porta a quasi cinque milioni di collegamenti!! 1
Una ricerca su Google sulla superconduttività porta a quasi cinque milioni di collegamenti! Si trova
molto materiale da usare per l'insegnamento, e si dovrà scegliere tra molte possibilità. Questa
sezione dà alcuni consigli su come trovare e valutare questo materiale. Una sezione con altre risorse
è disponbile alla fine della guida per aiutarti nella scelta.
Qualche aiuto per la ricerca in Internet di argomenti scientifici 2
1
Search performed on 3 Sept. 2007
17
Non è saggio lasciare che gli allievi cerchino in internet siti scientifici durante le lezioni in quanto può
sottrarre tempo e la qualità dei siti trovati dagli allievi non può essere buona. E’ molto meglio fornire agli
allievi una lista dei siti da cercare senza spendere troppo tempo. Le domande che seguono possono
aiutare:
• l'informazione che si cerca è disponibile in una enciclopedia? Se è cosi si può visitare una
enciclopedia che può fornire queste informazioni.
• si cerca un'informazione su un argomento specifico? Ad esempio, immagini sul treno di Maglev si
possono trovare www.maglev-train.com, cosi come informazioni sull'acceleratore di particelle del
CERN si può trovare in www.cern.ch.
• se questo non è utile si può provare sul sito del ASE www.ase.org.uk oppure
www.superconductivity.org
Se vi servono altre informazioni dovrete condurre una ricerca
Tips on using a search engine
•
•
usare diversi spelling di parole nei campi di ricerca per evitare di escludere risorse.
usare parole diverse. Per es, usare “materiali per l’insegnamento” oltre che “risorse per
l’insegnamento”
• utilizzare più di un motore di ricerca, altrimenti usandone uno non si ha una ricerca esaustiva.
• se si usa internet con dei bambini, i seguenti siti possono essere d’aiuto:
www.cybersleuth-kids.com
www.factmonster.com
www.kids.yahoo.com/
Informazioni sulla valutazione
BECTA (http://schools.becta.org.uk) offre queste indicazioni per valutare i siti web:
• è il contenuto adatto per usi educativi?
• il contenuto è accurato, aggiornato, comprensibile, oggettivo per chi apprende e usa un vocabolario
adatto?
• l'interfaccia è intuitiva, con del materiale ben organizzato?
• il contenuto è interattivo, coinvolge chi apprend con dei concetti chiave e non crea meramente delle
attività virtuali prive di significato?
• la risorsa fornisce dei supporti e dà feedback?
• la risorsa incoraggia gli allievi alla discussione dei problemi, a mettere in comune idee ed
informazioni?
• la risorsa è tecnicamente stabile?
2
Adapted from Fullick (2004)
18
Trovare, adattare e mettere in comune materiale per l'insegnamento della
superconduttività
Finding teaching materials
Esiste un gran numero di database e di risorse on line che offrono materiale per l'insegnamento. Sebbene
la maggior parte di essi contengono materiale specifico sulla superconduttività, molti ne contengono sul
magnetismo e sull'elettricità. Puoi forse contribuire con il tuo?
• http://www.smete.org/-database su materiale per l’insegnamento sviluppato da SMETE Open
Federation.
• www.practicalphysics.org, sito web per insegnanti che condividono esperienze.
• www.physics.org, il sito dell'istituto di fisica ha tanti link a materiali per l’insegnamento della
superconduttività.
Adattare i materiale d'insegnamento
Quando si è trovato del materiale per l'insegnamento, si deve considerare quanto segue:
• le risorse trovate si adeguano agli obiettivi d'insegnamento?
• il materiale è adatto per la comprensione degli allievi?
• la risorsa viene presentata in segmenti che rispettano i propri orari d'insegnamento?
• quanto semplice è l'utilizzo del materiale?
• si possiedono le attrezzature necessarie per l'utilizzo della risorsa?
• il materiale è accessibile? ( vedi www.techdis.ac.uk per suggerimenti)
è possibile che sia necessario fare degli adattamenti del materiale affinchè sia adatto ai propri allievi.
Condividere materiali
Se si creano delle nuove risorse per l’apprendimento e l'insegnamento della superconduttività, perchè non
condividerle con gli altri? Una comunità SUPERCOMET online è stata creata – vedi www.supercomet.eu
per maggiori informazioni.
Diritti d'autore
Verificare sempre i diritti d’autore dei materiali utilizzati. BECTA fornisce una guida (disponibile a
http://schools.becta.org.uk )
19
La Fisica della Superconduttività
1. Introduzione/Fenomeni
Il punto di partenza della scoperta della superconduttività è stata una discussione sulla dipendenza
dalla temperatura della resistenza dei metalli. Secondo la teoria classica (P. Drude e H.A. Lorentz)
c’erano due possibilità per il caso limite alla temperatura dello zero assoluto:
•
gli elettroni dovrebbero condensare attorno agli atomi; il metallo dovrebbe diventare un
isolante alla temperature T = 0 K.
• non c’è condensazione; la resistenza va a zero come la radice quadrata di T.
Gli esperimenti, però, rivelarono che nessuna delle due previsioni si realizzava. Dopo che Heike
Kamerlingh Onnes riuscì a liquefare l’elio (a 4.2 K) nel 1908, fu possibile misurare la resistenza dei
metalli a temperature molto basse con il risultato che essa si avvicinava a un valore finito che
dipendeva fortemente dalle impurezze. Per campioni molto puri, la resistenza dovrebbe andare a
zero, dato che la dipendenza della temperatura osservata può essere associata all’agitazione termica
degli atomi. Nel 1911 furono condotti molti esperimenti con mercurio molto puro con il risultato che
realmente la resistenza del mercurio assumeva valori molto piccoli, ma inaspettatamente essa
crollava repentinamente a zero (nel 1913 H. Kamerlingh Onnes vinse il Premio Nobel per questa
scoperta).
Resistenza in Ω
0.125
0.10
0.075
Hg
0.05
0.025
10-5Ω
0.00
Temperatura in K
4.00
4.10 4.20
4.30
4.40
Fig. 1: Resistenza del mercurio: fase di transizione alla superconduttività
Poco dopo fu scoperto che, al di sopra di un valore critico di densità di corrente, la resistenza
diventava nuovamente finita.
Un altro fenomeno della superconduttività è di natura magnetica – il cosiddetto "Effetto MeissnerOchsenfeld": i superconduttori mostrano la caratteristica di espellere completamente un campo
magnetico applicato, indipendentemente da quando questo campo sia stato applicato, prima o dopo
la transizione alla fase superconduttiva.
20
Fig. 2: Effetto Meissner-Ochsenfeld
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:EfektMeisnera.svg
Un superconduttore, di conseguenza, si comporta come un materiale diamagnetico perfetto. Ma
esiste un valore critico del campo magnetico al di sopra del quale la superconduttività scompare.
In effetti è questo comportamento magnetico che caratterizza un materiale come superconduttore.
Non si ebbe una descrizione teorica di questi fenomeni, tuttavia, fino al 1957, quando J. Bardeen,
L.N. Cooper and J.R. Schrieffer svilupparono con successo una teoria quantistica consistente della
superconduttività (Teoria BCS). Una prova della natura quantistica della superconduttività è l’ Effetto
Josephson che portò allo sviluppo di molti dispositivi innovativi.
Il comportamento magnetico sopra descritto è tipico dei cosiddetti Superconduttori del I Tipo, di
solito rappresentati dagli elementi metallici. Più tardi fu trovato un altro tipo di superconduttori,
chiamati Superconduttori del II Tipo, soprattutto leghe e composti. Essi mostrano due valori critici di
campo magnetico: al di sotto del primo il materiale si trova nello stato Meissner (come un
Superconduttore del I Tipo), tra il primo e il secondo è in un cosiddetto stato misto o stato Abrikosov
(vincitore del Premio Nobel nel 2003), al di sopra del secondo valore critico di campo il materiale
diventa nuovamente un normale conduttore. La fase intermedia è caratterizzata dalla comparsa nel
materiale di vortici di flusso, ognuno dei quali porta una unità di flusso magnetico quantizzato
("fluxoid"). Quando i vortici sono trattenuti da difetti ("pinning"), il materiale può tollerare campi
magnetici piuttosto intensi ed è detto “Superconduttore Duro”, tali materiali sono di conseguenza
molto utili per applicazioni tecnologiche.
Tra il 1986 e il 1993 è stato scoperto un nuovo tipo di superconduttori: i cosiddetti "Superconduttori
ad Alta Temperatura (High-Tc)". Essi sono caratterizzati da temperature critiche molto alte, alcune
ben al di sopra del punto di ebollizione dell’azoto liquido (77 K). J.G. Bednorz and K.A. Müller hanno
ricevuto il Premio Nobel nel 1987 per la scoperta pionieristica di questi superconduttori. Nel frattempo
il record di temperatura critica registrata cade intorno a 160 K.
La maggior parte di questi materiali sono ceramici e la fisica che descrive la loro superconduttività
non è ancora chiaramente compresa
2. Proprietà elettriche
La superconduttività, come indica il nome, descrive il fenomeno secondo il quale un pezzo di
materiale diventa un conduttore perfetto con resistenza elettrica nulla e ciò avviene molto
repentinamente al di sotto di una certa temperatura, la temperatura critica Tc. Solitamente ciò avviene
a temperature molto basse, appena al di sopra dello zero assoluto. Come si giustifica il fatto di parlare
di scomparsa della resistenza? Al tempo della scoperta, l’accuratezza della misura era intorno a 10-5,
oggi la diminuzione della resistenza all’inizio della fase superconduttiva può essere misurata con una
accuratezza di 10-14. Questo può essere fatto monitorando la diminuzione di una corrente in un anello
superconduttore (anche Kammerlingh Onnes utilizzò questo metodo molto sensibile nel 1914): una
barra magnetica viene dapprima inserita nell’anello allo stato normale, poi l’anello viene raffreddato
portandolo al di sotto della temperatura critica del materiale di cui è fatto. Quando il magnete viene
rimosso, si registra nell’anello una corrente indotta. Se questa corrente decresce nel tempo,
21
sicuramente esiste una resistenza nel conduttore; se non decresce, si può determinare un limite
superiore della resistenza.
Is
N
B
B
T > TC
T < TC
Fig. 3: Creazione di una supercorrente in un anello superconduttore: prima l’anello viene raffreddato, poi il
magnete viene rimosso.
La bassa resistenza dei metalli è connessa con l’osservazione che il trasporto di carica è realizzato
dai cosiddetti elettroni liberi nel materiale. In realtà essi sono solo quasi-liberi in quanto essi collidono
durante il loro moto l’uno con l’altro, dando il cosiddetto contributo intrinseco alla resistenza
(abbastanza indipendente dalla temperatura) e con gli ioni del reticolo cristallino (in realtà eccitazioni
elementari delle vibrazioni reticolari, dette fononi). L’ultimo contributo è fortemente dipendente dalla
temperatura. Perchè in un materiale superconduttore dovrebbe essere improvvisamente proibito lo
scambio di energia tra gli elettroni di conduzione e il reticolo? Intorno al 1930 si è dimostrato che la
superconduttività deve essere un fenomeno quantistico macroscopico. Solidi che normalmente sono
buoni conduttori (come rame, argento, oro) in genere non diventano superconduttori, mentre molti
cattivi conduttori possono diventare superconduttori. La ragione di quest’ultima osservazione risiede
nella forte interazione (scattering) elettrone-fonone, che porta a alti valori della resistenza nello stato
normale, mentre è responsabile del meccanismo della superconduttività quando questa si realizza a
bassa temperatura. L’esistenza di una densità di corrente limite (corrente critica) che un
superconduttore può sostenere è legata a questo meccanismo (vedi la Sezione 4).
3. Comportamento magnetico
In un campo magnetico, i superconduttori si comportano in modo piuttosto differente dai (anche
perfetti) conduttori metallici: un superconduttore è un materiale diamagnetico perfetto, la
magnetizzazione indotta compensa completamente un campo magnetico applicato – ma solo fino a
un valore critico Bc (vedi fig. 4a).
22
-4πM
B
Tipo 1
Bc
Meissner
Bc
Tc
B
a)
T
b)
Fig. 4: a) Magnetizzazione indotta in un superconduttore (I Tipo) in funzione del campo magnetico applicato
b) Dipendenza del valore critico del campo magnetico dalla temperatura
Nel 1935 W. Meissner e R. Ochsenfeld scoprirono l’effetto (chiamato più tardi col loro nome) secondo
il quale un flusso magnetico sarà sempre espulso dal materiale superconduttore, indipendentemente
se il campo magnetico è applicato prima o dopo l’insorgere dello stato superconduttivo. Così l’effetto
è indipendente dalla sua storia precedente e quindi è reversibile in termini termodinamici. Di
conseguenza la superconduttività è un vero stato termodinamico.
La dipendenza dell’intensità del campo magnetico critico dalla temperatura può essere approssimata
molto bene dalla semplice espressione (vedi fig.4b)
Bc(T) = Bc(0) [1 – (T/Tc)²] .
Poco dopo la scoperta dell’effetto Meissner-Ochsenfeld fu sviluppata una teoria fenomenologica da F.
e H. London. Essa, tra le altre cose, prediceva che il campo magnetico non venisse espulso
completamente fino alla superficie del superconduttore, ma penetrasse in un sottile strato dove
scorrono le correnti di compensazione. La lunghezza caratteristica associata a questo strato è detta
profondità di penetrazione di London λL, e tipicamente è del’ordine di 50 nm. Il fatto che tutto il
trasporto di energia avvenga in un sottile strato superficiale di un filo superconduttore ha alcune
conseguenze pratiche: migliaia di sottili filamenti superconduttori possono essere inseriti in una
matrice di rame, che trasportano la corrente sotto la temperatura critica; tuttavia se la
superconduttività improvvisamente cessasse il materiale di rame si assumerebbe il trasporto della
corrente in modo tale da prevenire la distruzione del filo.
Se si applica la regola di quantizzazione di Bohr-Sommerfeld a una corrente in un anello
superconduttore (a un sistema macroscopico!) si ottiene il risultato che il flusso magnetico è
quantizzato, cioè il flusso magnetico risulta di unità elementari di "fluxoids"
Φ0 = h/2e0 = 2.07 x 10-15 Tm² (= Wb)
dove h è la costante di Planck e e0 l’unità elementare di carica. In realtà, al denominatore c’è la carica
dei portatori di corrente, che sperimentalmente risulta essere il doppio della unità elementare di
carica, indicando che in un superconduttore si ha un accoppiamento di elettroni (maggiori dettagli
nella sezione successiva).
4.Teoria BCS
La Teoria BCS (per la quale J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer ricevettero il Premio Nobel nel
1972) è una teoria quantistica a molte particelle che spiega la superconduttività nei metalli.
L’osservazione sperimentale che la temperatura critica mostra una forte dipendenza dalla presenza
nel metallo di una maggiore quantità di isotopi pesanti o di isotopi leggeri ("effetto isotopico") indica
che le vibrazioni quantizzate del reticolo (i cui quanti sono chiamati fononi), che dipendono dalla
23
massa, giocano un ruolo vitale nella formazione dello stato superconduttivo. Misurando il calore
specifico, dal cui valore dipende la formazione delle coppie di elettroni nello stato superconduttivo, fu
trovato anche un gap di energia nello spettro di eccitazione elettronico dei superconduttori sotto Tc.
L’idea di base che sta dietro alla Teoria BCS si poggia sulla formazione delle cosiddette coppie di
Cooper che consistono in due elettroni (con quantità di moto e spin opposti, vedi oltre). Questo può
essere ottenuto postulando una nuova interazione attrattiva debole elettrone-elettrone attraverso
l’emissione e l’assorbimento di fononi virtuali che può essere interpretata nel modo seguente:
l’emissione di un fonone virtuale da un elettrone è equivalente a una deflessione degli ioni del reticolo
e quindi a una polarizzazione del reticolo nelle sue vicinanze. Se un altro elettrone attraversa questa
nube di polarizzazione, sente una forza attrattiva (dovuta all’assorbimento del fonone virtuale)
indipendente dalla repulsione Coulombiana tra gli elettroni (va qui notato che i fononi scambiati non
possono essere reali in quanto un fonone reale porterebbe a un trasferimento di energia al reticolo e
quindi a una resistenza non nulla).
La formazione delle coppie di Cooper è un processo dinamico, dipende da quanto velocemente il
reticolo può seguire l’azione polarizzante degli elettroni, e di conseguenza le masse degli ioni giocano
un ruolo cruciale, portando al sopra menzionato effetto isotopico della temperatura critica. Poiché il
reticolo reagisce molto più lentamente degli elettroni che viaggiano attraverso di esso,
l’accoppiamento della coppia di Cooper avviene a distanze tra 100 nm e 1000 nm; questa distanza è
detta "lunghezza di coerenza" e può essere interpretata come estensione media della coppia di
Cooper. All’interno di questa distanza c’è un numero di elettroni dell’ordine di 106, sotto forma di
coppie di Cooper che si disintegrano e si riformano continuamente.
Un calcolo di meccanica quantistica mostra che tutte le coppie di Cooper hanno quantità di moto
totale e spin nulli (a T = 0 K). Quindi ogni coppia di Cooper si comporta come un bosone, fatto che
favorisce la situazione in cui tutte le coppie sono nel medesimo stato quantico di energia. L’insieme di
tutte le coppie è descritto da una singola funzione d‘onda che attraversa l’intero superconduttore.
L’energia di legame di una coppia di Cooper è dell’ordine di pochi meV, molto più piccola dell’energia
di legame degli elettroni nel metallo (alcuni eV), di conseguenza l’accoppiamento degli elettroni in
coppie di Cooper è possibile solo se l’energia termica del reticolo è bassa. Questa energia di legame
ovviamente crea il sopra menzionato gap di energia nello spettro elettronico.
Appena sotto la temperatura critica solo una piccola parte degli elettroni di conduzione si lega in
coppie di Cooper; man mano che la temperatura decresce si formano sempre più coppie fino a
quando a T = 0 K sono tutte coppie.
Quando si applica un campo elettrico, tutte le coppie hanno la stessa quantità di moto senza alcuna
interazione col reticolo, e ciò porta all’osservato trasporto di carica senza resistenza; comunque la
quantità di moto che può essere trasferita alle coppie è limitata, infatti quando la loro energia cinetica
supera quella di legame, la superconduttività scompare – questa è la ragione dell’esistenza della
corrente critica. Anche i campi magnetici possono essere applicati fino a una certa intensità, dal
momento che la corrente di compensazione raggiungerebbe poi il suo valore critico.
In conclusione va notato che la Teoria BCS ha bisogno di soli tre parametri per esprimere le
caratteristiche essenziali della superconduttività nei metalli: essi sono le caratteristiche del
sottosistema elettronico (densità di stati vicino alla superficie di Fermi), del reticolo (le frequenze
caratteristiche fononiche), e l’intensità dell’accoppiamento elettrone-fonone.
5. L’effetto Josephson
Se due superconduttori sono connessi tramite un sottile strato di materiale non superconduttore (di
spessore di pochi nanometri), la teoria quantistica prevede una probabilità non nulla che le coppie di
Cooper possano attraversare la barriera tra un superconduttore e l’altro. I due superconduttori si
dicono allora debolmente accoppiati. Un simile apparato è detto giunzione di Josephson, da Brian D.
Josephson, che predisse il fenomeno teoricamente nel 1962 e vinse il Premio Nobel nel 1973, dopo
la verifica sperimentale della sua previsione. La giunzione di Josephson può essere una
combinazione di superconduttore-isolante-superconduttore (SIS) o superconduttore-normale
conduttore-superconduttore (SNS), o realizzata pressando un sottile punto superconduttore in un
altro superconduttore, o una fenditura molto stretta in un film superconduttore.
24
US
S
S
I
R
U0
Fig. 5: La giunzione Josephson
Il fatto che in un superconduttore tutte le coppie di Cooper siano nello stesso stato quantico implica
anche che la fase della funzione d’onda ad esse associate è ben determinata. Se si applica una
tensione U0 alla giunzione, fluirà attraverso di essa una supercorrente, a resistenza nulla, Is (corrente
di Josephson) di intensità
Is = Ic sin (Δφ) .
dove Δφ è la differenza di fase tra le funzioni d’onda dei due superconduttori accoppiati, in analogia
alla differenza di fase tra due pendoli accoppiati debolmente in meccanica. Il valore di Is può essere
incrementato incrementando la tensione applicata U0 fino alla corrente critica Ic. Questo fenomeno è
chiamato Effetto Josephson DC (corrente continua).
Se la corrente diventa più intensa di Ic, ai capi della barriera apparirà una tensione Us , cioè si
sviluppa una certa resistenza. Questa tensione comporta una differenza di energia tra i sistemi di
coppie di Cooper, data da :
ΔE = 2 e0 Us ,
e, in accordo con la meccanica quantistica, questa è equivalente a una differenza nelle frequenze
interne dei sistemi di Δν = ΔE/h. Se i due sistemi oscillano con frequenze differenti ma costanti nel
tempo, la differenza di fase tra di essi varia linearmente col tempo
Δφ(t) = 2π Δν t = (2π/Φ0) Us t .
dove appare nuovamente il quanto di flusso magnetico Φ0 ; il suo inverso è detto costante di
Josephson KJ. Come conseguenza, una supercorrente alternata con la cosiddetta frequenza di
Josephson
νJ = 2 e0 Us/h
ora fluisce allora attraverso la barriera. Questo determina l’ Effetto Josephson AC (corrente
alternata).
Le giunzioni di Josephson sono usate come elementi di commutazione estremamente rapidi e
accurati stabilizzatori di tensione. In aggiunta essi sono usati in dispositivi di misura di flussi magnetici
estremamente piccoli (SQUIDs = Superconducting Quantum Interference Devices).
Nell’ Effetto Josephson AC Inverso, una tensione alternata di frequenza ν è applicata alla giunzione
Josephson (di solito irradiandola con microonde). Si creano livelli discreti di tensione tra i due
superconduttori, del tipo
Un = n Φ0 ν,
n = 1, 2, 3, ...
25
Quindi la giunzione Josephson si comporta come un perfetto convertitore frequenza-tensione. Di
conseguenza è usato in tutto il mondo come base per la tensione costante di riferimento negli istituti
nazionali metrologici e nei laboratori di calibrazione delle industrie.
Infine va notato che l’effetto Josephson è stato dimostrato anche con i nuovi Superconduttori ad alta
temperatura.
6. Superconduttori del I Tipo/ II Tipo
I fenomeni e la loro interpretazione teorica, così come descritti nelle Sezioni 2-4, sono relativi ai
cosiddetti Superconduttori del I Tipo, caratterizzati da un completo Effetto Meissner-Ochsenfeld al di
sotto di Tc e Bc: un campo magnetico applicato decresce esponenzialmente all’interno della profondità
di penetrazione di London dove scorre una supercorrente, all’interno il campo è nullo. Sopra il valore
critico di campo Bc le coppie di Cooper si scindono e il materiale diventa un normale conduttore. I
materiali che mostrano un simile comportamento sono di solito metalli puri che sono caratterizzati,
comunque, in generale da bassi valori di temperatura e intensità di campo magnetico critici. Di
conseguenza non sono molto utili per le applicazioni tecnologiche.
Di contro, i cosiddetti Superconduttori del II Tipo (di solito leghe e composti) mostrano un differente
comportamento: al di sotto di un primo campo magnetico critico Bc1, essi sono nel cosiddetto stato
Meissner e mostrano un completo Effetto Meissner-Ochsenfeld (come un Superconduttore del I Tipo).
Tra questo campo critico e un secondo campo critico Bc2 (di solito molto più alto) essi mostrano un
Effetto Meissner-Ochsenfeld incompleto, che significa che un campo magnetico applicato può entrare
nel materiale. Al di sopra del valore Bc2 la superconduttività scompare (vedi fig. 6a).
Bc2
-4πM
Normale
B
Misto
Bc1
Meissner
Bc1
Stato
Superconduttivo
a)
Bc
Stato di
vortice
Bc2
B
Tc
Stato
normale
T
b)
Fig. 6: a) Magnetizzazione indotta in un Superconduttore del II Tipo in funzione del campo magnetico applicato
b) Dipendenza dell’intensità del campo magnetico critico dalla temperatura
Nello stato intermedio (misto, Abrikosov o fase di vortice) è energicamente favorito che esistano nel
materiale vortici di flusso magnetico Φ0 . Questi vortici sono nella fase conduttiva normale e sono
circondati da regioni superconduttrici in cui scorrono correnti superconduttrici a forma di anello (vedi
fig. 7). Mentre il campo magnetico cresce da Bc1 a Bc2, sempre più vortici entrano nel materiale;
poiché essi si respingono l’uno con l’altro, si forma un ordinato reticolo esagonale bi-dimensionale di
vortici. Questo può essere osservato al microscopio.
26
Ba
Fig. 7: Disegno di vortici in un Superconduttore del II Tipo
La base teorica di questi fenomeni è stata posta dal lavoro di V.L. Ginzburg e L.D. Landau (1950) ,
poi esteso da A.A. Abrikosov (1957) e L.P. Gor'kov (1960). Abrikosov e Ginzburg vinsero il Premio
Nobel nel 2003 per il loro lavoro (essendo Landau morto nel 1968). Si possono esprimere le
caratteristiche essenziali considerando le scale di lunghezza caratteristica: la prima definisce una
lunghezza di coerenza efficace ξ che dipende dalla lunghezza di coerenza “intrinseca” ξ0 (cioè l’
"estensione”di una coppia di Cooper) e dal cammino libero medio L degli elettroni nello stato
conduttore normale (che implica la resistenza; cioè, un piccolo/grande L significa un cattivo/buon
conduttore):
1/ξ = 1/ξ0 + 1/L
Questa lunghezza di coerenza va confrontata con la profondità di penetrazione di London λL. In un
superconduttore puro (con un grande L) ξ è approssimativamente uguale a ξ0 e maggiore di λL.
Dall’altro lato, quando L è piccolo, ξ può diventare minore di λL, e lo stato superconduttivo si modifica,
così che un campo magnetico può entrare nel materiale, cioè esso è un Superconduttore del II Tipo.
Le stesse scale di lunghezza determinano le intensità del campo magnetico critico: Bc1 dipende da λL,
e Bc2 da ξ, così che il loro prodotto è approssimativamente uguale al campo critico “termodinamico”
Bc (vedi fig. 6a),
Bc1 Bc2 ≈ Bc2 .
Idealmente, i vortici possono viaggiare liberamente attraverso il materiale, ma difetti del materiale
(“bordi di grano”, ovvero interfacce tra i macrocristalli in un materiale policristallino, difetti di punto
etc.) tendono a fermarli. Questo ha dei vantaggi tecnici: possono essere prodotti campi magnetici più
alti in tali “Superconduttori Duri” (intorno a 50 Tesla). Inoltre, poiché il campo magnetico è presente in
gran parte del materiale, tutta la sezione può essere usata per il trasporto di corrente, permettendo
correnti critiche più alte. Con appropriate lavorazioni dei materiali, superconduttori del I Tipo possono
essere resi del II Tipo (duri).
7.Superconduttori ad Alta Temperatura
I Superconduttori ad Alta Temperatura sono superconduttori con una temperature critiche ben al di
sopra dei 30 K. Fino al 1986 si pensava che, in accordo con la Teoria BCS, la superconduttività al di
sopra dei 30 K non fosse possibile. Ma in quell’anno, J.G. Bednorz e K.A. Müller scoprirono la
superconduttività in materiali ceramici perovskiti di ossido di rame (La2-xBaxCuO4) con temperature
critiche tra i 30 K e i 40 K (per questo hanno vinto il Premio Nobel nel 1987). Poco dopo fu scoperto
che, sostituendo il lantanio con ittrio, cioè fabbricando YBa3Cu3O7, le temperature critiche potevano
salire a 93 K. Questo materiale, anche conosciuto come YBCO o composto-123, è attualmente uno
dei superconduttori ad alta temperatura meglio studiati.
27
Fig. 8: Sviluppo della superconduttività ad alta temperatura
Così, raffreddando con azoto liquido (punto di ebollizione a 77 K), diventa molto più facile ed
economico realizzare applicazioni tecnologiche. Negli anni seguenti sono stati scoperti molti altri
materiali con temperature critiche ancor più elevate, il record ufficiale (Marzo 2007) è Tc = 138 K per
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8. A pressioni elevate, il composto di mercurio HgBa2Ca2Cu3O8 raggiunge una
temperatura critica anche maggiore di 160 K. È stato anche brevettato un materiale con temperatura
critica fino a 150 K.
Sfortunatamente, il meccanismo che sta alla base della superconduttività ad alta temperatura non è
ancora noto, sebbene alcune caratteristiche comuni degli ossidi di rame ad alta Tc siano state trovate:
tutti i composti di rame non drogati sono isolanti antiferromagnetici, drogandoli diventano metallici e,
quindi, superconduttori. Esiste una concentrazione di drogaggio ottimale, sotto e sopra la quale Tc è
più bassa. I portatori di carica di molti superconduttori ad alta temperatura sono lacune (assenza di
elettroni). Gli elementi della struttura comune sono piani di CuO2 che sono i principali responsabili
della supercorrente. Un possibile candidato per la formazione delle coppie di Cooper (essenziali per
la superconduttività) potrebbe essere una interazione spin-spin antiferromagnetica, mentre i fononi
(come nella Teoria BCS) saranno molto probabilmente esclusi. Si sta conducendo molto lavoro per
trovare una teoria fondamentale della superconduttività ad alta temperatura.
Come nota finale, nel 1964 fu fatta un’ipotesi secondo cui i materiali organici potrebbero mostrare
superconduttività con temperature critiche molto elevate. Questa attesa non è stata confermata , ma
effettivamente sono stati trovati superconduttori organici con temperature critiche intorno a 10 K.
28
Figura 9: modello 3D di YBCO
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:YBCO3D-balls.png
29
Ringraziamenti
Parti di questo articolo sono stati adattati da W. Buckel and R. Kleiner, Superconduttività: teoria ed
applicazioni, Wiley, Weinheim (2003), specialmente alcune figure.
Anche un manoscritto di C. Ambrosch-Draxl per un corso di superconduttività all’Università di Graz è
stato molto utile. Le Figure 2, 4a e 6a sono state adattate da Ch. Kittel: Introduzione alla fisica dello
stato solido , 7th ed., Wiley, New York (1996).
30
I Moduli
Introduzione
Quale scienza c’è
dietro la
superconduttività?
Il Magnetismo
Quale scienza c’è
dietro la
superconduttività?
Induzione
elettromagnetica
Cos’è la
superconduttività?
Introduzione alla
superconduttività
Chi sono le persone che
stanno dietro I supercondutori?
Storia della
superconduttività
Di cosa sono fatti I
superconduttori?
Materiali Superconduttori
A cosa serve la
superconduttività?
Applicazioni della
superconduttività
Quale scienza c’è
dietro la
superconduttività?
Conduzione elettrica
Possiamo lavorare con I
superconduttori a
scuola?
Attività con I
superconduttori
Come funziona la
superconduttività?
Spiegazione della
superconduttività
31
Magnetismo
Questo modulo collega le forze
magnetiche facilmente osservabili al
concetto di campo magnetico. Alcuni
materiali sono magnetici per natura, altri
non lo sono. I materiali magnetici a volte
vengono chiamati magneti, e i magneti
sono circondati da campi magnetici.
L'utente può studiare i campi magnetici
associati a fili e spire. Il modulo mostra
anche le diverse proprietà magnetiche
dei materiali ferro-, para- e diamagnetici.
ƒ campo magnetico intorno a fili
rettilinei
ƒ campomagnetico intorno a magneti
ƒ campo magnetico intorno a spire
ƒ Forze Magnetiche
ƒ La Forza di Lorentz su un filo
ƒ Dia-, para- e ferromagnetismo
Prerequisiti
Per poter lavorare con il materiale SUPERCOMET2 gli allievi devono essere in grado di:
1-riconoscere l'esistenza di una forza in natura chiamata magnetismo, che i magneti hanno dei poli, e che i
magneti si attraggono e respingono l'uno all'altro a distanza.
2-riconoscere che i campi magnetici sono delle aree intorno e dentro un magnete dove le forze magnetiche
si possono sentire.
3-riconoscere che le linee del campo magnetico si dirigono verso ed escono dai poli del magnete.
4-riconoscere che una corrente elettrica in un filo creerà un campo magnetico intorno al filo.
5-riconoscere i concetti base sui circuiti elettrici.
Obiettivi d'apprendimento
Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi devono essere in grado di:
Conoscenza
riconoscere che la Terra possiede un campo magnetico
• riconoscere che elettricità e magnetismo sono due facce dello stesso fenomeno
• riconoscere che un campo magnetico è sempre associato ad una corrente elettrica
• riconoscere che il campo magnetico intorno ad un solenoide è simile a quello prodotto intorno ad un
magnete.
• riconoscere le diverse proprietà dei materiali paramagnetici, diamagnetici e ferromagnetici.
• riconoscere che un materiale ferromagnetico può essere magnetizzato da un campo magnetico
esterno e può perdere la magnetizzazione se viene riscaldato a sufficienza.
32
Comprensione
•
•
•
•
•
•
descrivere il significato dell'esperimento Orsted.
capire il significato dell'esperimento Ampere.
spiegare le condizioni della forza nell'esperimento Pohl.
descrivere come la forma di un campo magnetico intorno ad un solenoide è correlato a quello di un
filo.
descrivere il significato dell'uso di nuclei ferromagnetici negli elettromagneti .
dare una semplice spiegazione della teoria del magnetismo.
Abilità
•
•
•
applicare la regola della mano destra per determinare la direzione di un campo magnetico intorno ad
un filo.
disegnare i campi magnetici intorno a dei magneti con forme geometriche comuni (magneti a bare,
a ferro di cavallo).
applicare il concetto dei domini di Weiss per spiegare le proprietà dei magneti
Test sulle conoscenze
Formattati: Elenchi puntati e
numerati
•
Dare due proprietà diun magnete!
•
Dare due applicazioni di un elettromagnete!
•
cosa ci dice l'esperimento Orsted?
•
Disegnare I magneti he
possono generare I campi
mostrati!
•
come può essere usato
l'esperimento di Ampere per
la definizione dell'unità di
corrente elettrica?
•
quali variabili producono
effetti sull'intensità della
forza nell'esperimento di
Pohl?
•
con l'esperimento di Pohl si
può simulare un tipo di
motore. Descrivi come
•
dare due esempi del legame
tra elettricità e magnetismo
•
quale differenza hai notato tra le linee di campo del campo magnetico prodotto da un filo e
quelle prodotte da un magnete?
Formattati: Elenchi puntati e
numerati
il campo magnetico è descritto da un vettore induzione magnetica B, che relazione pensi che questo vettore
abbia con le linee di campo? E che relazione ha il vettore B con l'intensità di forza sentita da un filo di
lunghezza l, nel quale scorre una corrente i, immerso in un campo magnetico e che forma un angolo con le
linee di campo del campo stesso?
•
hai notato che c’è una forte analogia tra le linee di campo generate da un solenoide e quelle
generate da un magnete? Puoi fare un commento circa queste linee di campo? Quale sarà la
loro direzione? (giustificare la risposta)
33
•
qual è la peculiarità delle linee di campo che suggeriscono che il campo magnetico dentro un
solenoide si può considerare omogeneo (uniforme)?
•
spiegare qual è la direzione di un campo magnetico applicando la regola della mano destra.
•
descrivere le varie proprietà dei materiali paramagnetici, diamagnetici e ferromagnetici.
•
pensi che un corpo ferromagnetico sarà attratto o respinto da un magnete? e un corpo
diamagnetico? (giustificare le risposte)
•
considera il comportamento dei materiali ferromagnetici e magnetici (magneti) quando si
avvicinano ad un magnete. Prova l'esperimento sia a casa che in laboratorio usando materiali
fatti da diverse sostanze (legno, gomma, acciaio, alluminio, rame, altri magneti) ed annotare le
somiglianze e le differenze. Quali ipotesi si possono formulare in relazione a quanto è stato
osservato?
•
come può un pezzo d'acciaio essere trasformato in un magnete? Dare due modi in cui il
magnete può essere distrutto!
•
perchè si usano nuclei di materiali ferromagnetici negli elettromagneti?
•
spiegare l'origine del magnetismo nell'acciaio applicando il concetto dei "domini di Weiss".
•
quali tipi di metalli diventano superconduttori quando vengono raffreddati?
34
Formattati: Elenchi puntati e
numerati
Formattati: Elenchi puntati e
numerati
Induzione elettromagnetica
Questo modulo usa le animazioni per
collegare i fenomeni del magnetismo e
dell'elettricità. Magneti e spire possono
essere usati per trasferire energia dal campo
magnetico al flusso di una corrente elettrica
con un processo chiamato induzione. Questo
è simile ad un campo magnetico creato dalle
cariche elettriche in movimento in una
corrente elettrica. I due fenomeni si possono
osservare nei trasformatori.
•
•
•
•
induzione dovuta a movimento
induzione dovuta a variazione di flusso
proporzionalità del flusso, la legge di
Lenz
applicazioni dell'induzione
Prerequisiti
Per poter lavorare con SUPERCOMET2 gli allievi dovranno essere in grado di:
1-usare i concetti di campo magnetico, forza magnetica, magnetismo.
2-riconoscere che un campo elettrico circonda ogni particella carica.
3-riconoscere che gli elettroni si muovono attraverso un conduttore metallico.
4-riconoscere che il magnetismo e l'elettricità sono due facce dello stesso fenomeno.
5-riconoscere che una corrente elettrica crea un campo magnetico.
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di:
Conoscenze
• usare i termini induzione, bobina, circuito, corrente, flusso magnetico, generatore, rotore, stativo,
dinamo.
• identificare qualche applicazione delle bobine induttive nella tecnologia di ogni giorno( es.
trasformatori, generatori)
Comprensione
•
•
•
descrivere il fenomeno dell'induzione
descrivere come la corrente continua viene generata in termini di induzione, magnetismo, bobine e
rotazione
descrivere come la corrente continua può essere trasformata da un voltaggio in uno diverso
attraversando un trasformatore
Test sulle conoscenze
•
qual è la definizione del flusso del vettore induzione magnetica? Per favore, specificare il significato
dei simboli usati, ed illustrare la risposta con un diagramma. Nel sistema internazionale delle unità,
l'unità di flusso viene chiamata Weber(Wb). Qual è la relazione tra Wb e Tesla?
35
•
•
•
•
•
considerare un solenoide, non collegato ad un generatore di corrente. In quale delle seguenti
situazioni la corrente viene generata nel solenoide:(i)quando il flusso all'interno del solenoide è
costante, (ii) quando questo aumenta; o (iii) quando decresce?
in un generatore, se invece di ruotare la bobina intorno al magnete, il magnete viene ruotato intorno
alla bobina, ci sarà ancora una corrente indotta all'interno della bobina? Per favore giustificare la
risposta.
cos'è la legge di Lenz?
un trasformatore è un apparecchio che trasforma corrente continua in corrente alternata e
viceversa? Se cosi, spiegare il principio di funzionamento, se non è cosi, specificare il ruolo
dell'apparecchio.
ora sappiamo che una corrente elettrica genera un campo magnetico e che un campo magnetico
può generare una corrente elettrica. Quali sono le somiglianze e le differenze tra i due?
36
Conduzione eletrica
Questo modulo usa animazioni per visualizzare il
fenomeno della conduzione elettrica. Alcuni materiali
conducono l'elettricità, altri sono isolanti. Alcuni sono
semi conduttori, e altri sono superconduttori.
•
•
•
•
•
•
tipi di conduttori
particelle e modello di Bohr
velocità di spostamento
la legge di Ohm
fattori di resistenza
resistenza e temperatura
Prerequisiti
Per poter lavorare con il materiale SUPERCOMET2,
gli allievi dovranno essere in grado di:
1-usare i concetti di elettricità, corrente elettrica
2-capire che un dato corpo è caricato quando ha un eccesso o una mancanza di elettroni.
3-descrivere un atomo usando il modello di shell
4-riconoscere una proporzionalità diretta o inversa tra le quantità
5-usare i termini temperatura e calore
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di:
Conoscenza
• usare i termini conduttore, semi conduttore, resistore, isolante, sezione trasversale, resistenza,
coefficiente di temperatura, distanza libera del mezzo, reticolo, generatore, elettroni, ioni, perdita di
potenza.
• riconoscere che gli elettroni e gli ioni sono dei portatori di carica.
•
identificare alcuni conduttori ben conosciuti, isolanti e semi conduttori
Comprensione
•
•
•
descrivere la relazione tra energia cinetica del reticolo (temperatura del materiale) e resistenza.
descrivere la relazione tra potenziale, corrente e resistenza (prima legge di Ohm)
descrivere la relazione tra resistenza, sezione, lunghezza e resistenza del materiale (legge sulla
resistenza o seconda legge di Ohm)
Abilità
• usare la prima legge di Ohm nella sua forma algebrica
• usare la legge di Joule per calcolare la perdita di potenza nelle linee elettriche
•
calcolare la resistenza di un pezzo di materiale (conduttore) usando i parametri sezione,
lunghezza e resistenza del materiale.
37
Argomenti di discussione suggeriti
1-quanta potenza viene persa attraverso la dissipazione di calore nelle linee elettriche prima che la potenza
sia disponibile per arrivare agli utenti nelle spine dei muri?
2-come questa perdita di potenza si può paragonare alla quantità di potenza usata in media nelle case?
3-quanta potenza può essere risparmiata aumentando il voltaggio nelle linee elettriche di alta capacità?
Prova sulle conoscenze
• cos'e la corrente elettrica?
• definire l'intensità di corrente. Quali sono le sue unità?
• come possiamo classificare i materiali basandoci sul loro comportamento rispetto ad una corrente
elettrica?
• perchè i metalli sono buoni conduttori?
• convenzionalmente, qual è la direzione della corrente elettrica?
• cosa serve per produrre una corrente elettrica tra due punti?
• definire la resistenza elettrica R tra due punti di un conduttore.
• da quali fattori intrinseci di un pezzo di conduttore dipende la sua resistenza elettrica? Esprimere R
in funzione di quei fattori.
• considera un pezzo di filo di rame di 5 cm di lunghezza e 0,5 mm di spessore. La resistenza del
rame è 1,7.10-8 Ohm.m. Se c'è una differenza di potenziale di 4 V tra le due punte del pezzo di filo,
qual è l'intensità della corrente attraverso di esso?
• cos'è la legge di Ohm?
•
•
•
•
•
•
tutti i materiali obbediscono alla legge di Ohm? Se alcuni di loro non lo fanno, perchè?
disegnare un diagramma (con i simboli standard per rappresentare gli elementi di un circuito
elettrico) di un circuito con una batteria, un resistore, un amperometro per misurare la corrente che
scorre nel resistore ed un voltmetro per misurare la differenza di potenziale tra alle estremità del
resistore.
questo grafico rappresenta, per due conduttori A e B, la
ΔV
differenza di potenziale ΔV alle estremità, in funzione
dell'intensità di corrente I. Cosa puoi dire riguardo ad
A
ognuno dei due?
quando una corrente elettrica attraversa un pezzo di
B
conduttore, lo riscalda. Dove avviene il trasferimento di
energia?
I
scrivere la legge di Joule per la quantità di calore Q
generata in un pezzo di conduttore in funzione dell'intensità di corrente I che lo attraversa, la sua
resistenza R e l'intervallo di tempo considerato ΔT.
se la temperatura di un pezzo di conduttore aumenta, quale effetto avrà sulla sua resistenza? Qual
è la spiegazione di questo cambiamento?
38
Storia della superconduttività
Questo modulo presenta gli scienziati che hanno scoperto e
sviluppato le teorie sulla superconduttività, e cosa hanno fatto
per ricevere il premio Nobel per le loro ricerche.
Si fornisce una breve introduzione dei team attuali di scienziati
che lavorano sulla superconduttività. E’ discussa l'importanza
dell'aumento della temperatura critica nel 1987, e perchè i
superconduttori di alta temperatura avranno un profondo
impatto nella società.
•
•
•
•
•
•
scoperta della superconduttività
modelli per la superconduttività
teoria della superconduttività
la superconduttività nei materiali organici
la superconduttività nei materiali ceramici
applicazioni in corso di sviluppo
Prerequisiti
Heike Kamerlingh Onnes
http://commons.wikimedia.org/wiki/Im
Per lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi
age:Kamerlingh_portret.jpg
dovranno essere in grado di:
1-riconoscere che esiste un fenomeno chiamato
superconduttività
2-riconoscere che la superconduttività è correlata all'elettricità e al magnetismo
3-riconoscere le caratteristiche della superconduttività (assenza di resistenza, assenza di permeabilità
magnetica)
4-riconoscere la necessità di raffreddare i materiali superconduttori sotto la loro temperatura critica
5-riconoscere che le linee di campo magnetico si dirigono verso e vengono irradiate da i poli del
magnete.
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di:
1-riconoscere alcune delle scoperte importanti e teorie relative alla superconduttività.
2-riconoscere gli scienziati e la collaborazione che è dietro a queste scoperte e teorie.
3-riconoscere gli sforzi attuali per migliorare la conoscenza sperimentale e la teoria della superconduttività.
4-descrivere come gli scienziati hanno interpretato i loro dati sulla superconduttività.
5-argomentare come le teorie della superconduttività(BCS e HTS) sono correlate all'evidenza sperimentale.
6-discuttere se lo sviluppo della superconduttività fu guidata dagli esperimenti o dalla teoria
Prova sulle conoscenza
•
•
•
•
•
•
•
come fece Heike Kamerlingh Onnes a scoprire la superconduttività nel 1911?
perché la superconduttività fu scoperta per prima nel mercurio (Hg)?
perché Onnes ha dovuto usare l'elio liquido per raffredare il mercurio?
perché l’azoto liquido viene usato per raffreddare i superconduttori ad alta temperatura?
perché ci sono voluti cosi tanti anni dopo la scoperta dei superconduttori a bassa temperatura prima
che qualcuno scoprisse i superconduttori ad alta temperatura?
qual è l'idea base della "teoria BCS"?
dare due applicazioni di superconduttori in diversi campi.
39
Laboratori virtuali suggeriti
Scoprire la superconduttività in diversi materiali
Ripetere lo storico esperimento di Heike Kamerlingh Onnes con differenti materiali e agenti raffreddanti
diversi. Misurare la resistenza elettrica in funzione della temperatura.
Misurare la permeabilità magnetica nei diversi materiali
Ripetere lo storico esperimento con cui si scoprì l'effetto Meissner. Usare diversi materiali e agenti
raffreddanti, e misurare la permeabilità magnetica in funzione della temperatura.
Attività di apprendimento suggerite
Queste attività di apprendimento possono essere collegate a certe attività o situazioni per l'apprendimento:
1-discuttere"cosa sarebbe successo se la scoperta della superconduttività fosse accaduta domani e non
nel 1911?
2-discuttere la possibilità che la superconduttività non fosse ancora stata scoperta e perchè?
3-discuttere "cosa sarebbe successo se la scoperta del ceramico HTS fosse avvenuta prima della scoperta
del metallico LTS?
4-discuttere"cosa sarebbe successo se la scoperta del HTS fosse avvenuta domani e non nel 1986?
5-discuttere la possibilità che l'HTS non fosse ancora stata scoperta e perchè?
6-discutere"cosa sarebbe successo se la teoria BCS del LTS fosse stata presentata prima del LTS stesso?
7-immaginare se la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura fosse avvenuta domani.
8-leggere libri o articoli sulla ricerca e sui ricercatori della superconduttività.
.
40
Introduzione alla superconduttività
Questo modulo introduce i lettori al concetto di
superconduttività e a come sia correlato -ed
esteso- all'elettricità e al magnetismo. Si farà
riferimento al principale fenomeno della
superconduttività, le proprietà delle differenti
forme di superconduttori e le spiegazioni
teoriche.
•
•
•
•
resistenza zero
temperatura critica
diamagnetismo perfetto
levitazione stabile
Prerequisiti
Per lavorare comodamente con "introduzione alla superconduttività", gli allievi dovranno già:
1-avere una conoscenza consolidata di elettricità e magnetismo.
2-saper distinguere tra conduttori, semiconduttori e isolatori e dare un esempio per ciascuno di questi.
3-saper spiegare la relazione tra resistenza e temperatura in un conduttore normale, inclusa una
comprensione di base sulla vibrazione dei reticoli e dell'energia interna.
Obiettivi di apprendimento
Relativi al fenomeno
Alla fine di questo modulo gli allievi dovranno:
• essere affascinati dal comportamento dei superconduttori
• saper descrivere fenomeni elettrici e magnetici correlati con i superconduttori.
• saper confrontare il comportamento dei superconduttori con quello dei semi conduttori e i conduttori
normali.
• saper identificare le differenze tra magneti normali e le proprietà magnetiche dei superconduttori.
• saper dare una definizione dei seguenti termini correlati a fenomeni di superconduttività: resistenza,
materiali ceramici, materiali rari, temperatura critica, campo magnetico critico, densità di corrente
critica, diamagnetismo, transizione di fase, lievitazione, effetto Meissner, pinning, superconduttori
Tipo I e Tipo II, superconduttori ad alta e bassa temperatura;
• avere una comprensione adeguata dei fenomeni di superconduttività per essere capaci di spiegare
perchè i superconduttori sono usati in macchine MRI per lo scanning del cervello negli ospedali e in
treni a levitazione magnetica.
Relativo alla teoria
Alla fine di questo modulo gli allievi
devono:
• saper riconoscere i problemi teorici
che la superconduttività
presentava (e che continua a
presentare) agli scienziati.
• saper usare le conoscenze attuali
di elettricità ed elettromagnetismo,
vibrazione del reticolo ed energia
41
•
•
interna, per capire alcune delle spiegazioni;
saper riconoscere che le regole della meccanica quantistica dettano il comportamento alle basse
temperature e che alcune spiegazioni della superconduttività non possono essere fatte in termini
semplici;
stare attenti che i seguenti termini sono usati nelle spiegazioni della superconduttività: velocità di
spostamento degli elettroni, vortice di corrente, profondità di penetrazione del campo magnetico,
coppia di Cooper, fononi, vortici, fermioni, bosoni.
Prova sulle conoscenze
1-in quante classi possono essere divisi le interazioni tra diversi tipi di materiali e un magnete? in che modo
differiscono?
2-in un circuito chiuso una corrente indotta viene generata ogni volta che c'è una variazione di flusso
magnetico all'interno di esso, e il fenomeno dura finchè c'è una variazione di flusso.
a- questa frase è sempre corretta?
b- giustifica la risposta
3-nei conduttori e nei metalli in generale, la resistenza varia con la temperatura. Quando la temperatura si
alza, la resistenza aumenta. Perchè?
4-per superconduttività s'intende la variazione della resistenza elettrica che certi materiali mostrano al di
sotto di una certa temperatura critica Tc. La transizione di un materiale ad uno stato di superconduttore è
un processo reversibile o irreversibile? Giustifica la risposta.
5-pensi che un normale conduttore magnetizzato -portato ad uno stato di "conduttore perfetto"(T<Tc)- e un
superconduttore immerso in un campo magnetico e poi portato al di sotto della temperatura critica si
comportino allo stesso modo? (Notare che un superconduttore al di sotto della temperatura critica, immerso
in un campo magnetico, diventa perfettamente diamagnetico). Giustifica la risposta.
6- perchè il campo elettrico interno al superconduttore, raffreddato al di sotto della temperatura critica, è
uguale a zero?
7-come possono i superconduttori essere divisi in gruppi, e come sono caratterizzati?
8-quali sono le differenze critiche tra lo stato di superconduttore e un normale stato di un materiale che
influenzano il loro comportamento?
9-i grafici (a) e (b) qui sotto illustrano la relazione tra resistenza e temperatura per conduttori e
superconduttori.
a-quale grafico rappresenta l'uno e quale l'altro?
b-qual è la differenza nella relazione tra resistenza e temperatura in un superconduttore ed in
un conduttore normale?
42
10-in quali settori commerciali vengono impiegati i superconduttori?
11-quali difficoltà si trovano nella fabbricazione dei componenti tecnologici che utilizzano superconduttori?
Applicazioni della supercondutività
Questo modulo discute dell’impatto della superconduttività e la tecnologia dei superconduttori sulla società,
con le attuali applicazioni alla ricerca su piccola e grande scala, propulsione, medicina e industria. Inoltre il
modulo discute sulle possibilità delle future applicazioni relative alla produzione, immagazzinamento e
trasporto dell'energia, cosi come propulsione/trasporto con barche, macchine, aerei e treni. Referenze ai
moduli Introduzione e storia della superconduttività.
•
•
•
•
•
•
•
trasporto di energia più veloce, pulito, sicuro
immagazzinamento di energia pulita
produzione di energia pulita
immagini mediche più veloci e meno dolorose
misure scientifiche più precise
misurazione dell'uso dell'energia
comunicazioni wireless più effecienti
Prerequisiti
Per lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di:
• riconoscere che esiste un fenomeno chiamato superconduttività
• riconoscere che la superconduttività è correlata all'elettricità e magnetismo
• riconoscere le caratteristiche della superconduttività(resistenza zero, permeabilità magnetica zero)
• riconoscere la necessità per i materiali superconduttori di essere raffreddati al di sotto della loro
temperatura critica
• riconoscere che le linee di campo magnetico si dirigono a, e si irradiano da, i poli di un magnete.
43
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di:
1-riconoscere alcune delle più importanti applicazioni attuali su larga scala della tecnologia della
superconduttività
a-commerciale (motori elettromagnetici, scanners)
b-scientifica(acceleratore di particelle)
c-medica (MRI)
d-LTS a confronto con HTS (quale tipo è usato, dove e perchè)
2-riconoscere alcune delle più importanti applicazioni attuali su piccola scala della tecnologia della
superconduttività
a-commerciali(ce ne sono?)
b-scientifica (strumentazione di Josepheson)
c-medica (SQUID)
d-LTS a confronto con HTS (quale tipo è usato, dove e perchè)
3-descrivere come la superconduttività stia migliorando la vita ordinaria della gente
4-descrivere come la superconduttività stia aiutando la ricerca scientifica e altre specialità
5-riconoscere le aree più importanti dove si prevedono maggiori applicazioni, e ciò che richiedono
necessariamente
a-trasferimento energia (cavi SC)
b-produzione energia (reattori di fusione)
c-trasformazione dell'energia (elettromagneti, motori EM)
d-trasporto (treni Maglev, elevatori spaziali, propulsione acqua EM)
6-riconoscere le sfide che bisogna affrontare prima che ci siano le future applicazioni.
Prova sulle conoscenza
1-cos'è la levitazione magnetica?
2-cos'è la risonanza magnetica (nucleare) per immagine (MRI)?
3-perche i superconduttori sono meglio dei conduttori normali per alcune applicazioni?
4-come sono usati i superconduttori ad alta temperatura sulle stazioni base di telefonia mobile?
5-qual è la differenza tra applicazioni a larga scala e piccola scala?
44
Moderno scanner MRI
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Modern_3T_MRI.JPG
Attività di apprendimento suggerite
Questi obiettivi di apprendimento possono essere collegati ad alcune attività o situazioni per
l’apprendimento :
1-fare la dimostrazione della levitazione e discutere su come questa può essere usata ai fini pratici.
2-discutere sull'impatto che ha avuto nella società la scoperta della superconduttività.
3-discutere su come sarebbe il mondo se la superconduttività non fosse ancora stata scoperta.
4-discutere la possibilità che la superconduttività non fosse ancora stata scoperta.
5-discutere i possibili benefici ed effetti negativi di ciascuna delle applicazioni attuali.
6-discuttere sui possibili usi futuri, i loro pro e contro.
7-scrivere una storia su un mondo futuro nel quale le applicazioni HTS sono normali.
8-discutere la "storia futuristica" di un altro allievo. Può questo succedere veramente? Perchè/perchè no?
9-scrivere una recensione per la fondazione di un'agenzia, spiegando perchè la si fonda per eseguire un
progetto scelto e descriverlo, es. per ricerche fondamentali o per lo sviluppo di una certa applicazione.
10-una volta che l'agenzia esiste, considera la recensione di un altro allievo. Ha lei/lui guadagnato denaro?
Perchè/perchè no? Quali miglioramenti può fare lei/lui per guadagnare denaro (se lei/lui non ne hanno)?
45
Giunzione Josephson
http://commons.wikimed
ia.org/wiki/Image:Josep
hson_junction_real.jpg
Superconducting chip
used by NIST to define
the volt. The chip
contains an array of
3020 Josephson
junctions and operates
at liquid Helium
temperatures.
Microwave energy is fed
to the junctions through
the fin-guide on the left.
http://commons.wikimedi
a.org/wiki/Image:NISTvo
ltChip.jpg
Materiali superconduttori
Questo modulo mostra come gli elementi metallici furono i primi materiali dei quali gli scienziati hanno
scoperto proprietà superconduttive. Le differenze tra materiali superconduttori vengono spiegate in
riferimento alle posizioni degli elementi rilevanti nel sistema periodico, e le loro proprietà chimiche e fisiche.
La scoperta delle ceramiche superconduttrici, ossidi di rame, è discussa, e come la loro struttura del reticolo
permette alla supercorrente di fluire con più facilità. Anche una breve spiegazione su come al giorno d'oggi
non c'è una teoria appropriata che spieghi come i superconduttori ad alta temperatura lavorino. Infine è
menzionata la scoperta di una lega metallica con una temperatura critica maggiore di ogni altro
superconduttore di tipo I scoperto in precedenza, e come questo può avere effetti sulla teoria BCS.
•
•
•
•
•
•
quali materiali sono superconduttori?
proprietà dei superconduttori
superconduttori a bassa e alta temperatura
superconduttori di tipo I e tipo II
materiali che non sono superconduttori
struttura di ossido di rame ceramico
46
Prerequisiti
Per lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi devono essere già in grado di:
1-riconoscere che esiste un fenomeno chiamato superconduttività
2-riconoscere che la superconduttività è correlata all'elettricità e magnetismo.
3-riconoscere le caratteristiche della superconduttività (resistenza zero, permeabilità magnetica zero)
4-riconoscere il bisogno dei materiali superconduttori di essere raffreddati al di sotto della loro temperatura
critica.
5-riconoscere che le linee di campo magnetico si dirigono verso, e vengono irradiate da, i poli di un
magnete.
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di:
1-riconoscere il fatto che quasi tutti i metalli sono LTS
2-riconoscere il fatto che i metalli nobili non sono LTS
3-riconoscere il fatto che HTS sono ceramiche e quindi isolanti al di sopra della loro Tc
4-riconoscere alcuni importanti composti/leghe superconduttori come MgB2, YBCO e BiScCO
5-riconoscere i processi di produzione per ceramica HTS e composti metallici LTS
6-riconoscere alcune importanti sfide relative alla ricerca e applicazione dei materiali:
a-testare le proprietà dei superconduttori di un gran numero di diversi materiali
b-fare un cavo di un materiale ceramico
c-i necessari sistemi di raffreddamento richiedono energia
d-riscaldamento dovuto ad eccessiva corrente, campo magnetico o temperatura
7-riconoscere che alcuni superconduttori sono organici, e come possono essere utili
8-riconoscere le diverse proprietà d'importanti categorie di superconduttori
a-stati non cuprate
b-fase A15
c-fase Chevrel
d-composti di fermioni pesanti
e- Fullerene organico base
d-sali organici
g-perovskiti non cuprate
h-perosvkiti cuprate
47
Prova sulle conoscenze
1-possono tutti i materiali essere superconduttori?
2-i materiali superconduttori lo saranno per tutto il tempo?
3-cosa fa diventare superconduttore un materiale?
4-qual è la differenza tra un superconduttore ed un materiale
superconduttore?
5-cosa ha di speciale un metallo come l'oro (Au), rame (Cu),
argento (Ag) e nickel (Ni), a partire dal fatto che non possono
diventare superconduttori del tutto?
6-quali caratteristiche hanno in comune questi elementi:
alluminio (Al), piombo (Pb), mercurio (Hg), stagno (Sn)?
7-perche la teoria BCS spiega come funzionano i
superconduttori a bassa temperatura?
8-perche la teoria BCS non spiega come funzionano i
superconduttori ad alta temperatura?
9-perche i superconduttori a bassa temperatura possono
essere di tipo I o tipo II, mentre i superconduttori ad alta
temperatura sono solo del tipo II?
10-perche i superconduttori a bassa temperatura sono usati
negli acceleratori di particelle, invece dei superconduttori ad
alta temperatura?
Un piccolo
esempio di
superconduttore
ad alta
temperatura, Bi2223
http://commons.
wikimedia.org/wi
ki/Image:BI2223piece3_001.jpg
Unit cell of Bi-2212, un
superconduttore ad alta
temperatura
http://commons.wikimedia.org/wiki/I
mage:Bi2212 Unit Cell.png
48
Spiegazione della superconduttività
Questo modulo segue ed estende il modulo
"introduzione alla superconduttività". Il fenomeno cosi
come le proprietà dei superconduttori saranno spiegati
e sostenuti dalle teorie, è questo il passo verso
l'osservazione al microscopio.
•
•
•
•
•
diversi tipi di esperimenti sulla levitazione
visione al microscopio dell'effetto Meissner
visione al microscopio dei flussi pinning
visione al microscopio dell'effetto Josephson
la teoria BCS per i superconduttori a bassa
temperatura
Prerequisiti
Per lavorare attraverso "spiegazione della superconduttività", gli allievi devono aver raggiunto gli obiettivi di
apprendimento del modulo "introduzione alla superconduttività" mostrata nella p. 40
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di:
1-distinguere i diversi tipi di esperimenti sulla levitazione.
2-descrivere la sequenza dell'esperimento Meissner in dettaglio.
3-spiegare da un punto di vista microscopico l'effetto Meissner-Ochsenfeld
4-riconoscere che l'effetto Meissner non può causare una levitazione stabile.
5-decrivere l'esperimento di pinning.
6-spiegare l'effetto pinning usando linee di vortice magnetico e la quantiazione di flusso.
7-elaborare l'effetto Josephson come una base per gli SQIDs.
8-riconoscere la teoria BCS come una spiegazione per i superconduttori a bassa temperatura.
9-riconoscere che attualmente non esiste una teoria di successo per i superconduttori ad alta temperatura.
Prova sulle conoscenza
1-nominare tre tipi diversi di esperimenti di levitazione usando magneti!
2-rappresentare il materiale per un esperimento Meissner. Descrivere le procedure passo dopo passo!
3-come è il perfetto diamagnetismo correlato alla levitazione di un superconduttore?
4-perchè l'effetto Meissner causa una levitazione non stabile?
5-pensa al raggiungimento della levitazione stabile usando l'effetto Meissner. Come cambieresti la
configurazione dell'esperimento?
6-rappresentare il materiale per un esperimento sull'effetto pinning. Descrivere le procedure passo dopo
passo!
7-spiegare l'effetto pinning usando una visione microscopica della superconduttività!
8-un magnete girevole può venire ruotato sopra un superconduttore. Spiegare il fenomeno!
9-cosa sono le giunzioni Josephson?
10-come possono le coppie Cooper causare una resistenza zero al di sotto della temperatura critica?
11-nominare qualche candidato per una teoria sui superconduttori ad alta temperatura!
49
Attività con superconduttori
Questo modulo mostra ulteriori entusiasmanti attività con i superconduttori. Sebbene richiedano molte
abilità tecniche, è possibile allestirle a scuola. Produrre il proprio superconduttore può essere una sfida
affascinante in particolare per gli allievi competenti ed interessati alla fisica. Misurare la resistenza zero
richiede un lavoro sperimentale preciso, forse un incoraggiamento per gli allievi più abili.
•
•
•
•
precauzioni per la sicurezza
fare il proprio superconduttore
esperimenti sulla levitazione
misura della resistenza zero
Prerequisiti
Per lavorare con questo modulo gli allievi dovranno possedere una conoscenza strutturale dei contenuti
coperti dai moduli precedenti, in particolare sui "materiali superconduttori".
Obiettivi di apprendimento
Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di:
1-prestare attenzione alle precauzioni di sicurezza per lavorare con azoto liquido e magneti forti.
2-riconoscere i processi di produzione per ceramica HTS.
3-capire la necessità di questo processo per avere un HTS che funzioni.
4-spiegare come testare la qualità di un superconduttore prodotto.
5-descrivere una misura della temperatura di transizione di un superconduttore.
6-spiegare il metodo delle quattro punte di contatto in questa misura
Prova sulle conoscenze
1-quali sono i rischi nella manipolazione dell’azoto liquido?
2-quali sono le precauzioni di sicurezza da seguire in questo caso?
3-quali ingredienti servono per fare il proprio superconduttore?
4-descrivere il processo di fabbricazione passo dopo passo!
5-come puoi testare la qualità di un superconduttore prodotto?
6-perche non è possibile determinare la scomparsa della resistenza con una "normale" misurazione U/I?
7-rappresentare i materiali per l’esperimento col metodo dei quattro punti di contatto!
8-spiegare il seguente diagramma con le tue parole!
3.0
Resistenza/Ω
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
80.0
85.0
90.0
95.0
100.0
Temperatura/K
50
105.0
Esempi di attività
Per favore notare che tutte le attività seguenti dovranno essere riadattate per l'uso in classe. Sono solo dei
suggerimenti, per dare delle idee e per inserirle nel proprio insegnamento. Il team SUPERCOMET2 vi dà il
benvenuto con queste attività -per favore inserisca i suoi commenti nel sito SUPERCOMET2 all'indirizzo
web www.supercomet.eu.
Effetti della temperature sulla resistenza di
metalli e superconduttori
Data :
Classe:
Durata della lezione: 110 min
Obiettivi di apprendimento
Alla fine della lezione, gli allievi dovranno:
• capire l'effetto dei cambiamenti di temperatura nella resistenza dei metalli.
• sapere che i superconduttori si comportano diversamente da altri conduttori.
• capire la differenza tra superconduttori ad alta temperatura e superconduttori a bassa temperatura.
• essere in grado di riconoscere, e disegnare, un grafico in cui si rappresenta la temperatura e la
resistenza per i metalli e per i superconduttori.
• capire il significato di Temperatura Critica Massima.
Materiali e strumentazione richiesti
• un numero sufficiente computer in modo che ce ne sia uno per ogni tre allievi
• LED
• il software SUPERCOMET2 installato su tutti i computer
• azoto liquido e contenitori adatti
• fili di rame con degli attacchi in piombo
• filo superconduttore YBCO con attacchi in piombo
• 2 batterie con sostegno
• lampada da 3 Volt con sostegno
• voltmetro
• computer collegato a proiettore e lavagna interattiva
Considerazioni di sicurezza
Manipolare l’azoto liquido è pericoloso. Assicurarsi che si prendano le dovute precauzioni.
Tempo
5 min
contenuti
Principale tema da considerare: quali effetti ha la temperatura sulla resistenza in
diversi tipi di materiali? Revisione: specificare la resistenza dei diversi tipi di
materiali.
Chiedere agli allievi di fare delle previsioni su cosa accadrà quando il LED viene
raffreddato in azoto liquido. Dimostrare questo processo calando
attentamente il LED in
azoto liquido per 10 secondi. Successivamente vedere cosa succede. Chiedere agli allievi di
spiegare ciò che hanno visto.
51
20 min
Chiedere agli allievi di fare delle previsioni per quanto riguarda il grafico temperatura e
resistenza sul grafico che si otterrà mano a mano che i metalli si raffreddano. Un allievo dovrà
rappresentare il grafico alla lavagna. Connettere le batterie, il semiconduttore, e il voltmetro al computer.
Immergere il semiconduttore nell’azoto liquido per 10 secondi, successivamente estrarlo e lasciare che si
riscaldi lentamente. Condividere i dati ottenuti con l'intero gruppo. Introdurre il coefficiente di temperatura.
.
35 min
In gruppi da quattro, chiedere agli allievi di usare le simulazioni SUPERCOMET2
per quanto riguarda potenziale e temperatura e, se necessario, l'utilizzo di internet,
per rappresentare un grafico. Chiedere ad un allievo di rappresentare il grafico alla
lavagna e di confrontarlo con i risultati ottenuti usando l’equazione..
50 min
Gruppo A
Rame
Argento
Oro
Chiedere ad un allievo per ogni gruppo di unirsi uno al gruppo A, uno al gruppo B,
uno al gruppo C, e un altro al gruppo D. Chiedere a ciascun gruppo di utilizzare i
dati dal cd SUPERCOMET2 e da internet sulla resistenza specifica dei materiali e di
scriverli alla lavagna per determinare la più alta temperatura critica (Tc) dei seguenti
materiali:
Gruppo B
Mercurio
Piombo
Neodimio
Gruppo C
YBCO
BiSCCO
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Gruppo D
Carbonio
Gomma
Porcellana
Ciascun gruppo dovrà produrre un grafico che mostri la curva ottenuta e la più elevata
temperatura critica stimata.
Dovranno poi considerare i valori dati per questi materiali nel cd SUPERCOMET2 e
discutere sulle differenze.
70 min
Ciascun gruppo dovrà produrre un grafico che mostri la curva ottenuta e la più elevata
temperatura critica stimata.
Dovranno poi considerare i valori dati per questi materiali nel cd SUPERCOMET2 e
discutere sulle differenze.
90 min
L'insegnante chiederà ad un allievo di ciascun gruppo (A, B, C, D) di disegnare le
tre curve che si ottengono sulla lavagna e di scrivere la più elevata temperatura
critica stimata e quella trovata. L'insegnante dovrà dare le conclusioni e
rappresentare ciò che si è imparato nella lezione principale
52
Tabella dati( fornisce anche gli assi per il grafico della temperatura e la resistenza)
Tipo di materiale
Gruppo A
Gruppo B
Gruppo C
Gruppo D
Resistenza
specifica
Tc stimata
Rame
Argento
Oro
Mercurio
Piombo
Neodimio
YBCO
BiSCCO
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Carbonio
Gomma
Porcellana
Lezioni sulla superconduttività suggerite
53
Tc trovata
Introduzione
Fare dell'impercettibile il percettibile - l'arte della dimostrazione
Molti fisici sono intrigati dalla superconduttività, in particolare quando vedono le dimostrazioni sulla
levitazione e la sospensione. D'altra parte, gli allievi possono reagire in diversi modi: "è solo un magnete,
vero"? Cosa c'è di spettacolare?. La cosa spettacolare è che non si tratta della stessa cosa; ad esempio,
non è possibile far fluttuare un magnete al di sopra di un altro senza qualcosa che fermi la loro caduta. Una
componente importante della lezione, sarà l'abilità dell'insegnante di fare apparire qualcosa di piccolo e in
apparenza insignificante, come qualcosa di drammatico e provocante.
Sicurezza-Solo dimostrazioni
La parte pratica della lezione può essere svolta solo se l'insegnante mostra che le regole di sicurezza
vietano agli allievi di manipolare l’azoto liquido (LN2). Per ragioni di sicurezza, nonchè pedagogiche, tutto il
lavoro manuale da fare dovrà prima essere spiegato nel dettaglio prima della manipolazione. Gli insegnanti
che seguono i seminari relativi svolti da altri docenti, dovranno mettere in pratica le precauzioni necessarie
per lavorare con l’azoto liquido.
E’ FONDAMENTALE CHE GLI INSEGNANTI CONOSCANO, E SEGUANO, TUTTE LE PROCEDURE DI
SICUREZZA PER LAVORARE CON IL NITROGENO LIQUIDO.
Tempi
Il tempo dipenderà dal livello della classe. Le dimostrazioni da sole possono impiegare circa 30 minuti. Una
sequenza di attività di apprendimento si suggerisce e possono durare dalle due alle tre lezioni: gli
insegnanti le possono adattare per adeguarsi alle circostanze.
Sequenza di attività di apprendimento suggerite
1-proprietà elettriche dei superconduttori (utilizzando risorse secondarie: ad esempio, materiale portato
dall'insegnante, libri, cd)
2-dimostrazioni con l’azoto liquido e compiti
3-ricerca utilizzando risorse secondarie
4-compiti a seguire
5-relazione su ciò che si è trovato e chiarimenti da parte del docente
Una sequenza possibile può essere:
Lezione A-parte 1: lezione B-parti 2, 3 e 4
lavoro a casa: continuare con la parte 4; lezione C-parte 5
Ordinazioni e preparazione
Kits e materiali sulla dimostrazione dei superconduttori: vedere
http://www.superconductors.org/Play.htm
Le dimostrazioni possono essere eseguite con il kit base. Comunque la compagnia possieda una grande
quantità di kit per la misura della temperatura critica, della corrente critica e dei campi magnetici critici.
Si sa anche che l’azoto liquido viene usato negli ospedali, università e industrie vicine ad ogni città. Cercare
un fornitore che consegnerà piccole quantità o che fornisce il materiale ad un ospedale locale o università.
Non ne serve più di un litro.
Gli insegnanti dovranno conoscere il contenuto del cd in quanto questa è la principale risorsa secondaria
per la propria ricerca degli allievi. Altre risorse quali siti internet adeguati e libri di testo dovranno essere
selezionati in precedenza. Ricordare le precauzioni di sicurezza.
Terminologia
Tecnicamente, non si deve chiamare superconduttore un materiale finchè questo non viene raffreddato al
di sotto della sua temperatura critica. Comunque, abbiamo adottato per convenzione di riferirci ai dischi
utilizzati nella dimostrazione come "dischi superconduttori" anche se non sono superconduttori finchè non si
54
trovano al di sotto della temperatura critica, è più facile di dire "il disco che diventa superconduttore quando
viene raffreddato al di sotto della sua temperatura critica" ogni volta che vogliamo fare riferimento ad esso.
Dettagli
Parte 1
Introduzione alle proprietà elettriche dei superconduttori
Esiste materiale a sufficienza nel cd per preparare una breve introduzione alle proprietà elettriche dei
superconduttori. Ci sono delle idee per confrontare i grafici della resistenza e temperatura per un conduttore
ordinario e per un superconduttore - gli allievi possono individuare la rapida caduta a zero della resistenza e
notare ciò che succede alla corrente quando questo evento accade (la loro reazione istintiva sarà quella
che suggerisce che diventerà infinito -ma chiaramente non è cosi- possono riflettere su perchè non è così).
I fattori limite (corrente critica e campo magnetico critico) possono anche essere discussi a partire da grafici
disponibili nel cd.
Se gli insegnanti posseggono i kit più grandi possono dimostrare lo stato a "resistenza zero". Gli insegnanti
dovranno adottare un approccio storico e parlare di come Onnes ha svolto l'esperimento e del perchè abbia
dovuto farlo molte volte perchè non credeva a ciò che vedeva - pensava infatti che ci fosse qualcosa di non
funzionante nell’apparato sperimentale!
Un punto di partenza diverso è un video sul treno Maglev oppure di uno scanner in un ospedale – dicendo
che queste due situazioni dipendono dalla scoperta della superconduttività.
Tempo suggerito: 30 minuti
Parte 2
Dimostrazioni dell'insegnante e temi da approfondire. Le dimostrazioni riguardano "uno strano
fenomeno elettrico e magnetico" che accade a basse temperature. I fenomeni sono:
• LN2 è molto freddo- ad esempio il reticolo e il rubber diventano fragili nel LN2 (senza coinvolgimento
della superconduttività); il "salto" di un anello di alluminio su un elettromagnete quando viene fatta
scorrere corrente e il salto aumenta dopo che l'anello è stato raffreddato in LN2 (senza
coinvolgimenti della superconduttività);
• il cambiamento della luce in un emettitore di luce LED (senza coinvolgimenti della
superconduttività);
• la levitazione di un magnete sopra un superconduttore;
• la tendenza di un magnete in levitazione a "ritornare" nella posizione anche quando viene spostato
lateralmente, o a diventare stabile in altre posizioni;
• la rotazione del magnete sopra il superconduttore;
• il ritorno graduale di un disco superconduttore allo "stato normale", invece che un ritorno brusco;
• la sospensione di un superconduttore su un magnete, con una separazione tra di essi (il
superconduttore riamane sospeso quando il magnete viene scosso delicatamente da lato a lato).
Tempo suggerito: mezz'ora
.
Temi da approfondire legati alle dimostrazioni
I temi da approfondire devono incoraggiare gli allievi a chiedersi cosa stia accadendo, e cominciare a
pensare a, ad esempio, perchè l'anello di alluminio"salta" molto più in alto quando viene raffreddato, quale
forma di campo magnetico può generare il comportamento osservato nelle dimostrazioni sulla levitazione e
la sospensione. perchè il LED cambia in LN2?
Può essere interessante assegnare diversi compiti a gruppi diversi all'interno della classe.
Tempo suggerito: 10 minuti
.
Parte 3
Ricerca da risorse secondarie
55
Dopo aver lasciato che gli allievi svolgano queste attività basandosi sulle proprie conoscenze, alcuni input
saranno necessari. possibili input possono essere:
1-un insieme di "consigli" o domande da parte del docente.
2-una serie di ricerche scelte accuratamente da effettuare in un libro di testo, con le pagine importanti
segnalate.
3-spiegazione del docente-basata sui suggerimenti degli allievi.
4-uso del cd quando sorge una discussione sulle domande poste.
Tempo suggerito: mezz'ora a lezione e un'ora in più nel lavoro a casa
Parte 4
Compiti conseguenti -lavoro a casa-progetto di lavoro:
1-usare il cd per la verifica delle idee e per estenderle ulteriormente.
2-usare il cd per scrivere le proprie note su cosa si intende per corrente critica , campo magnetico critico e
temperatura critica.
3-scoprire come i fenomeni correlati alla superconduttività vengono sviluppati come soluzioni tecnologiche a
determinati problemi.
4-usare il cd per esplorare le spiegazioni ad un livello atomico. Il cd si adegua a ciò che può essere
accessibile per gli allievi. Esso non contiene la matematica relativa alla fisica quantistica.
5-usare specifici siti internet per ampliare la ricerca.
6-confrontare spiegazioni sulla levitazione da tre fonti diverse-quali sono le somiglianze e le differenze nelle
spiegazioni? (Questo lavoro può essere esteso a qualsiasi fenomeno ed è un esercizio utile per non
credere sempre a ciò che si trova in rete o nei libri. Gli insegnanti potranno anche discutere sulle ragioni di
questa differenza -una parte della quale proviene dal bisogno di semplificare un processo complesso per un
gruppo di ascoltatori).
7-quando gli allievi diventano entusiasti sull'argomento in questione, essi possono fare ricerche non soltanto
attraverso il cd e da siti scelti dai docenti, ma anche tramite una ricerca su Google in internet. Le seguenti
frasi possono essere di utilità per la ricerca: "LED e azoto liquido", "effetto Meissner", "superconduttività".
8-se si ha l'accesso ad un kit grande sulla superconduttività, misurazioni elettriche sul superconduttore
potranno essere effettuate. L'insegnante dovrà manipolare il LN2, ma gli allievi possono spiegare il disegno
dei circuiti ed interpretare i risultati.
Parte 5
Idee degli allievi e chiarimenti
Gli allievi prepareranno delle presentazioni sulle proprie idee (poster, brevi discorsi, opuscoli, spiegazioni
per futuri allievi-tutte queste sono forme possibili di presentazione). Si potrà chiedere ai gruppi di includere:
"quello di cui siamo sicuri"
"quello di cui ancora si dubita"
Tempo suggerito: un'ora (dipende dal formato utilizzato)
Sarà necessario qualche input del docente-solo per rassicurare gli allievi che molte delle spiegazioni
vanno oltre il loro attuale grado di conoscenza e che forse non possono essere capite del tutto.
Consentire agli allievi l'utilizzo di un computer in gruppo per lavorare nelle loro rappresentazioni.
Il seminario per gli insegnanti di SUPERCOMET2 contiene ulteriori informazioni sulle dimostrazioni.
Per altre informazioni, visitare il sito www.supercomet.eu.
56
Foglio di lavoro 1- Introduzione ai campi magnetici
Nella stanza troverai un certo numero di magneti e fogli di carta coperti da filamenti di ferro. Questi
filamenti di ferro consentono di vedere i campi magnetici creati da differenti tipi di magneti. Osserva il
tuo insegnante per vedere come lei/lui utilizza i filamenti di ferro per mostrare il campo magnetico del
magnete. Successivamente, in coppie, disegnare i campi magnetici che vedete nei seguenti magneti:
Esempio di foglio di
lavoro sull’introduzione
di magnetismo
Quando hai finito di disegnare i campi magnetici, utilizzare il cd SUPERCOMET2 e osserva i campi
magnetici generati da diversi magneti, confronta ciò che si è fatto con ciò che mostra il cd. I campi
magnetici sono gli stessi? Se non è cosi, perché pensi che debbano essere diversi?
57
Foglio di lavoro 2- Elettromagneti, filamenti di ferro e bussole
Eseguire lo stesso esercizio, ma questa volta utilizzando delle bussole per esaminare i campi
magnetici creati intorno agli elettromagneti.
Esempio di foglio di lavoro
sull’introduzione di
’elettromagnetismo
Confrontare i propri campi magnetici con quelli che si trovano nel cd SUPERCOMET2. sono gli
stessi?
Teacher note: be careful as the cells will get hot and run down very quickly. It might be preferable to
use a power pack here.
58
SUPERCONDUTTIVITÀ – Fogli di lavoro per gli
studenti
Michela Braida, Marisa Michelini, Udine (I)
1 Interazioni magnetiche
È necessario disporre di un magnete, una bussola ad ago magnetico, un magnete, un pezzo di
magnetite, una moneta di rame, una moneta di alluminio, un chiodo di ferro, una graffetta d’acciaio,
un bottone di plastica, uno scontrino della spesa, una palla da pingpong, uno stuzzicadenti, una
sferetta di ferro.
1. ESPLORAZIONE DEL FENOMENO. Avvicinare uno alla volta i diversi oggetti ad uno dei poli
della calamita, dopo di che cambiare il polo e ripetere l'esperimento. Osservare ciò che accade
individuando i diversi tipi di interazione tra il magnete e diversi oggetti.
2.
OGGETTI
TIPO DI INTERAZIONE
Ago magnetico della
bussola
Magnete
Pezzo di magnetite
Moneta di ferro
Chiodo di ferro
Moneta di rame
Graffetta d’acciaio
Monete di alluminio
Bottone di plastica
Scontrino
Pallina da pingpong
Sferetta di ferro
Stuzzicadenti
3. Quali categorie di comportamento si osservano?
Illustrare.
A. __________________________________________________________________
B. __________________________________________________________________
C. __________________________________________________________________
4. Che cosa determina i diversi tipi di comportamento? (materiale, tipo di oggetto, …)
__________________________________________________________________
59
5. Quando l'interazione è attrattiva, qual è l’oggetto che attira?
Si consideri ad esempio un magnete e una graffetta in una delle seguenti situazioni:
A. Mettere la graffetta sul tavolo e avvicinare il magnete
B. Mettere il magnete sul tavolo e avvicinare la graffetta
È il magnete che attrae la graffetta o è la graffetta che attrae il magnete? (Spiegare)
___________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
6. Prevedere come sarà l'interazione tra un magnete e un oggetto ferromagnetico. (Spiegare)
________________________________________________________________________
7. L'attrazione tra il magnete e la graffetta si verifica quando vi è contatto o prima che si
tocchino? Illustrare e spiegare
________________________________________________________________________
8. Avvicinare due graffette o due monete, che sono state attratte dal magnete. Sia attraggono a
vicenda?
Sì
No
9. Prevedere cosa succede quando si avvicina un magnete.
________________________________________________________________________
10. Descrivere ciò che accade darne una spiegazione
________________________________________________________________________
60
2 L'orientamento delle linee e la direzione di partenza
Mettere un foglio di acetato trasparente sotto ad un magnete e disegnare la sua sagoma con un
pennarello. Disporre un gruppo di bussole intorno al magnete. Disegnare con il pennarello le linee
di orientamento degli aghi delle bussole intorno al magnete tramite linee continue tangenti ad ogni
ago. Togliere le bussole.
1. Nello spazio sottostante riprodurre il magnete e la distribuzione degli aghi attorno al magnete
utilizzando linee continue tangenti ad ogni ago.
2. Metti un altra bussola su una di queste linee. Dove punta il suo ago?
________________________________________________________________________
3. Spiegare che cosa significano queste linee facendo riferimento al modo in cui sono state
costruite.
________________________________________________________________________
4. Si considerino due delle linee di orientamento.
Si mantengono sempre alla stessa distanza tra loro?
Sì
No
Pensate che sarebbe lo stesso su un altro piano, diverso da quello del tavolo?
Sì
No
5. Illustrare con parole proprie come si rappresentano le linee di orientamento nello spazio
intorno a un magnete.
Togliere il magnete. Disporre uniformemente degli aghi ferromagnetici su un foglio di acetato
(usare ad esempio limatura di ferro o segmenti di lana d'acciaio per uso domestico o oggetti
analoghi) Posizionare il magnete sul foglio di acetato nella stessa posizione di prima. Osservate
come la limatura di ferro si organizza e si orienta.
61
6. C'è qualche differenza tra il disegno delle linee prodotto basandosi sul sistema di aghi
magnetici delle bussole e la distribuzione degli aghi ferromagnetici?
Sì
No
Discutere le analogie e le differenze. Formulare una spiegazione.
Analogie
_______________________________________________________________________
Differenze
_______________________________________________________________________
Spigazione
_______________________________________________________________________
7. Spostare il foglio di acetato con il magnete sopra in vari punti sul tavolo. La distribuzione della
lana d'acciaio cambia? (rispondere e spiegare ciò che si osserva)
_______________________________________________________________________
Prendere in considerazione la rappresentazione delle linee di orientamento della bussola (linee di
campo) di un magnete e porre una sferetta d'acciaio nei due punti A e B, come indicato nella figura
sottostante.
8. PREVISIONE. Se lasciamo muovere la sferetta,
• qual è la direzione di partenza della sferetta collocata nel punto A?
(disegnare la figura e spiegala tua previsione a parole)
________________________________________________________________
•
e quale in B?
(disegnare la figura e spiegala tua previsione a parole)
________________________________________________________________
• le linee del campo coincido con la direzione di partenza della sferetta? (Spiega la tua
risposta)
________________________________________________________________
9. PROVA. Posiziona la sferetta nei punti A e B. Come si sposta? (Discuti i risultati)
________________________________________________________________
10. La direzioni di orientamento e quella di partenza rappresentano diversi aspetti dei fenomeni
osservati? (discutere il significato e spiegare la risposta)
________________________________________________________________
62
Attività Suggerite: la misura del campo magnetico lungo una linea di campo. Guardare i fogli di lavoro
degli
esperimenti
hands-on
1,
2,
63
3
3 Sospensione di magneti
È necessario disporre di quattro magneti cilindrici identici con un buco al centro infilati su di una
bacchetta di legno. I magneti rimangono sospesi uno sopra l'altro.
1. Immaginate che si applichi una forza diretta verso il basso sul disco che si trova più in alto, per
esempio spingendo con la mano. Quale delle seguenti risposte pensate che descriva meglio
la situazione? Spiegare perché.
a. Vi aspettate di sentire una "resistenza" alla forza che state esercitando verso il basso.
b. Pensate di non essere in grado di spostare il magnete dalla sua posizione.
c. Pensate che il magnete cadrà su quello sottostante.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2. Ora spingere verso il basso il magnete che si trova più in alto. Descrivere ciò che accade.
3. Confrontare la previsione con la prova. Discutete i risultati per quanto riguardano le vostre
previsioni e date una spiegazione
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
64
Nella figura qui sotto abbiamo rappresentato in sezione i quattro magneti cilindrici identici disposti
sulla bacchetta di legno dell’esperimento precedente.
4. Quali sono le forze che agiscono su ogni disco? Rappresentale nella figura qui sotto.
5. PREVISIONE. Supponiamo di mettere i magneti uno sopra l’altro di modo che i poli magnetici
uguali siano affacciati a due a due tra di loro senza l'asse di legno che passa per il centro.
Come pensi che i magneti si disporranno? Spiega la tua risposta.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
6. PROVA. Disponete ora i magneti di modo che i poli uguali si affaccino uno con l’altro senza
utilizzare il supporto di legno.
a. Cosa succede?
_____________________________________________________________________
b. Dai una spiegazione di cosa succede.
_____________________________________________________________________
7. Quali fattori entrano in gioco per far sì che i magneti cilindrici sulla bacchetta di legno possano
restare sospesi?
65
4 Caduta in un tubo di rame
Prendere un tubo di rame, lungo 114 cm e avente un diametro di 2,5 centimetri, un magnete cilindrico
di dimensioni tali da poter passare attraverso il tubo, un cilindretto di acciaio delle stesse dimensioni
del magnete e un cronometro.
Tenere il tubo di rame in posizione verticale e utilizzare il cronometro per misurare il tempo che il
magnete ed il cilindretto di acciaio impiegano per passare attraverso il tubo di rame.
1. Lasciate cadere il cilindro di acciaio attraverso il tubo di rame. Quanti secondi impiega il
cilindro di acciaio per passare attraverso il tubo?
2. Lasciate cadere il magnete cilindrico attraverso il tubo di rame. Quanti secondi impiega il
magnete per passare attraverso il tubo?
3. C'è una differenza tra il tempo impiegato dal cilindro di acciaio per passare attraverso il tubo e
quello impiegato dal magnete? Come si spiega questa differenza?
Prendere un tubo di rame di dimensioni identiche a quelle del tubo precedentemente utilizzato ma nel
quale è stata praticata un’incisione di 0,2 cm lungo tutta la lunghezza del tubo in modo che l'incisione
sia profonda come la parete stessa del tubo. Tenere il tubo in posizione verticale.
4. Supponiamo di lasciare cadere nel tubo di rame il cilindro di acciaio. Quanto tempo
impiegherà per passare attraverso il tubo? ______________________________________
Spiegate la vostra previsione_________________________________________________
5. Lasciatelo cadere. Quanti secondi impiega il cilindro per passare attraverso il tubo?
________________________________________________________________________
6. Notate qualche differenza nel tempo di caduta rispetto a quello impiegato dallo stesso cilindro
per passare attraverso al tubo senza incisione?
Sì
No
Spiegare cosa avete sperimentato ed osservato.
7. Supponiamo di lasciar cadere il magnete cilindrico attraverso il tubo di rame con l’incisione.
Quanto tempo pensi che impiegherà il magnete per passare attraverso il tubo?
________________________________________________________________________
Spiegate la vostra previsione:
8. Lasciate che il magnete cada attraverso il tubo di rame con l’incisione. Quanti secondi impiega
il magnete per passare attraverso il tubo? ________________________________
9. Il magnete si comporta nello stesso modo mentre cade attraverso il cilindro di rame senza
l’incisione e quello con l’incisione?
Sì
No
10. Spiegare cosa avete sperimentato ed osservato.
66
5 L’anello saltante
È necessario disporre di una bobina con un anima di ferro dolce che esce dalla bobina stessa, un
anello di rame, un bruciatore Bunsen, un contenitore con azoto liquido, del cartone bianco.
1. Quando il generatore è spento porre l’anello di rame sull’anima di ferro dolce. Cosa succede?
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2. Lasciate l'anello di rame sull’anima di ferro dolce e accendere il generatore. Descrivete ciò che
vedete.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
3. Lasciare il generatore acceso. Notate niente?
Yes
No
4. Accendete e spegnete il generatore lasciando l’anello di rame posizionato sull’anima di ferro
dolce. Descrivere quello che si osserva.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
5. Quando l'anello si muove dalla sua posizione iniziale?
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
6. Spiegare il comportamento dell’anello di rame quando si accende e si spegne il generatore
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
7. Posizionare il cartone bianco dietro alla bobina con l’anima di ferro dolce. Accendere e
spegnere il generatore e segnare sul cartone l'altezza raggiunta dall’anello di rame.
8. h = ….
9. Riscaldare l'anello di rame con un bruciatore Bunsen per qualche minuto e poi metterlo sul
nucleo di ferro dolce. Accendere e spegnere il generatore.
a. Descrivere quello che si osserva.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
b. L’anello salta più o meno in alto rispetto al caso precedente in cui l’anello non era stato
scaldato?
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
67
10. Posizionare il cartone bianco dietro alla bobina con l’anima di ferro dolce. Accendere e
spegnere il generatore e segnare sul cartone l'altezza raggiunta dall’anello di rame.
h = ….
11. Supponiamo di immergere l’anello di rame in azoto liquido per qualche minuto in modo da
raffreddarlo e poi posizionarlo sul nucleo di ferro dolce. Prevedere se l'anello salterà
a. più o meno in alto rispetto a quando si trovava a temperatura ambiente? Spiega la tua
risposta.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
b. più o meno in alto rispetto a quando era stato scaldato? Spiega la tua risposta.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
12. Posizionare il cartone bianco dietro la bobina con l’anima di ferro dolce. Immergere l’anello di
rame in azoto liquido per un paio di minuti e poi posizionarlo sull’anima di ferro dolce.
Accendere e spegnere il generatore segnando sul cartone l'altezza raggiunta dall’anello.
Altezza del salto: h = …
a. Il salto è superiore o inferiore rispetto a quando si è a temperatura ambiente?
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
b. Il salto è superiore o inferiore rispetto a quando era stato scaldato?
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
13. Pensate che in qualche modo, il fenomeno sia legato alla temperatura dell’anello. Spiega la
risposta.
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
14. Conclusioni
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
68
6 Superconduttori
È necessario disporre di un magnete cilindrico, un piccolo superconduttore, un contenitore con
dell’azoto liquido e una bussola.
1. Prima di versare l'azoto liquido sul superconduttore porre su di esso la bussola. In che
direzione punta l’ago della bussola?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
2. Girare il superconduttore e porre sulla sua parte superiore la bussola. L’ago della bussola
mantiene lo stesso orientamento assunto nel caso precedente?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
3. Posizionare il magnete sopra il superconduttore. Togliere il magnete e porre la bussola sul
superconduttore. Come si orienta l'ago della bussola rispetto alle due situazioni precedenti?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
4. L’ago della bussola nelle immediate vicinanze del superconduttore si orienta in base ad un
campo che non è il campo magnetico terrestre?
Sì
No
5. Come deducete questo?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
6. Versare l’azoto liquido sul superconduttore in modo che ne sia totalmente ricoperto. Attendere
fino a quando parte dell’azoto evaporando fa riemergere la cima del superconduttore.
Posizionare il magnete sul superconduttore. Descrivere quello che si osserva.
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
7. Posizionare il magnete sul superconduttore. Versare l’azoto liquido sul superconduttore e sul
magnete di modo che siano coperti entrambi. Attendere che parte dell’azoto evapori.
Descrivere quello che si osserva.
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
69
8. Confronta le due situazioni precedenti. Come si spiega il fatto che il magnete rimanga
sospeso diversi millimetri al di sopra del superconduttore?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
9. Togliere il magnete e l'azoto liquido. Posizionare la bussola sul superconduttore. Come si
orienta l'ago della bussola?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
10. Togliere la bussola, ruotare il superconduttore e riposizionarvi sopra la bussola. Come si
orienta l'ago della bussola?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
11.
La bussola nelle immediate vicinanze del superconduttore è orientata in base ad un campo
che non è il campo della Terra?
Sì
No
Come spiegate ciò?
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______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
12. Quali conclusioni si possono trarre da tali indagini?
______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
70
Ricerca sperimentazione
Francesca Bradamante, Marisa Michelini, Udine (I)
1. Misura del campo magnetico B con una bussola
Obiettivo: dipendenza dalla distanza del campo
magnetico lungo l'asse longitudinale di un magnete
cilindrico.
Metodo: misura in unità di campo magnetico terrestre
(BT) del campo magnetico generato da un magnete
cilindrico (Bm), basandosi sulla deviazione dell’ago di
una bussola rispetto alla direzione del campo
magnetico terrestre.
Materiali:
magnete
cilindrico,
bussola,
millimetrata, matita, righello, nastro adesivo.
carta
Fasi dell’esperimento:
1. Fase preliminare: individuare una zona del
pavimento dove BT è costante utilizzando la
bussola.
2. Organizzazione del sistema:
a) orientare la carta millimetrata in modo che la
direzione di BT corrisponde alla direzione del
lato più corto del foglio.
b) porre il magnete perpendicolarmente alla
direzione di BT (lungo la linea a)
3. Misura:
a) disporre la bussola inizialmente a 35 cm dal
magnete lungo la linea a e segnare la direzione
dell’ago della bussola.
b) Trova il valore di Bm in unità di BT: scegliere
un’unità arbitraria del vettore campo magnetico
terrestre BT (per esempio 2 cm) e individuare la componente Bm in base alla direzione presa
dalla bussola in quel punto.
4. Avvicinare gradualmente la bussola al magnete (a intervalli di 2 cm) e identificare Bm per
ciascuna posizione.
5. Registra i dati nella tabella e analizzare la dipendenza del vettore Bm dalla distanza: (d = distanza
tra la bussola e il polo magnetico più vicino; Ln = logaritmo)
6. Rappresentare i dati in un grafico
d
(….)
Bm
(……..)
Ln (d)
Ln (Bm)
71
2. Misura del campo magnetico B con una sonda Hall
Obiettivo: dipendenza dalla distanza del campo magnetico lungo l'asse longitudinale di un magnete
cilindrico
Metodo: misurazione diretta di un campo magnetico generato da un magnete cilindrico (Bm), con un
sensore di campo magnetico.
Materiali: magnete cilindrico, sensore di campo magnetico, carta millimetrata, matita, nastro adesivo.
Fasi dell’esperimento
1. Fase preliminare: determinare la direzione del campo magnetico della Terra (BT) e orientare il
foglio di carta millimetrata in modo che la direzione di BT, corrisponda alla direzione del lato più
lungo del foglio.
2. Organizzazione del sistema: posizionare il magnete cilindrico lungo la direzione individuata da
BT
3. Misura: ad intervalli regolari (1 cm), spostare il sensore più vicino al magnete e annotare i valori
misurati del campo magnetico B
4. Registrare i dati nella tabella e determinare, facendo la differenza tra B e BT, il campo magnetico
prodotto dal magnete (Bm) in ogni posizione.
5. Analizzare la dipendenza dell’intensità del vettore Bm rispetto alla distanza e rappresentarla in un
grafico
(d = distanza tra la bussola e il polo magnetico più vicino; Ln = logaritmo)
d
(…..)
B
(….)
Bm
(…….)
Ln (d)
Ln (Bm)
72
3. Misura del campo magnetico B a partire dall'oscillazione dell’ago
magnetico della bussola
Obiettivo: la dipendenza della distanza del campo magnetico lungo l'asse longitudinale di un
magnete cilindrico.
Metodo: misurazione del periodo di oscillazione dell’ago magnetico di una bussola posta lungo l'asse
longitudinale del magnete.
Materiali: magnete cilindrico, bussola, carta millimetrata, matita, nastro adesivo.
Fasi dell’esperimento
1) Fase preliminare: determinare la direzione del campo magnetico della Terra (BT) e orientare il
foglio di carta millimetrata in modo che la direzione di BT corrisponde a quella del lato più lungo
del foglio.
2) Organizzazione del sistema: posizionare il magnete cilindrico lungo la direzione individuata da
BT
3) Misura: ad intervalli regolari (2 cm), spostare la bussola più vicina al magnete e misurare il
periodo di oscillazione (misurare con un cronometro, 5 o 10 oscillazioni e ripetere ogni misura 3
volte)
4) Dato che il periodo T dipende dal campo magnetico B, secondo l'equazione:
T =k
1
B
Essendo k una costante, si può affermare che il campo magnetico totale nel punto in cui si trova
la bussola è:
B~
1
T2
5) Si può quindi determinare, facendo la differenza tra B e BT, il campo magnetico Bm prodotto dal
magnete nel punto in cui si trova la bussola.
6) Registrare i dati nella tabella e rappresentarli in grafico
(d = distanza tra la bussola e il polo magnetico più vicino; Ln = logaritmo)
d
(…..)
T
(…….)
B
(….)
Bm
(…….)
Ln (d)
Ln (Bm)
73
74
Esperimenti – il seminario per gli
insegnanti
Il seminario per gli insegnanti - overview
Wim Peeters, Antwerp (B)
In questa sezione introduciamo le strategie per trasferire le conoscenze e i materiali raccolti durante il
progetto Supercomet2 a insegnanti e studenti.
Per gli insegnanti questo è stato pianificato per avvenire in 2, 3 o 4 sessioni, ognuna di poco meno di
4 ore. Due di queste sono dedicate principalmente alla fisica “tradizionale” dell’elettromagnetismo e
introducono alla superconduttività, la terza tratta la teoria della superconduttività, e nell’ultima
l’argomento riguarda le applicazioni e un sommario di tutti i metodi di insegnamento.
(dal programma: fine della seconda sessione e inizio della terza)
Poiché i materiali sono soprattutto digitali, questi seminari dovrebbero avere luogo in ambienti
attrezzati per le TIC. Con queste risorse digitali possono essere mostrati piccoli esperimenti low-tech
e high-tech, quindi dovrebbe essere disponibile un laboratorio.
I seminari per gli insegnanti sono finalizzati al trasferimento di tutti i materiali e dei metodi per
utilizzarli in classe. Essi sono implementati nelle sessioni in modo tale che gli stessi insegnanti
possano provare tali metodologie di insegnamento.
Il trainer degli insegnanti dovrebbe continuamente passare da un ruolo all’altro: educatore
professionale, utilizzando metodi per incrementare conoscenza ed entusiasmo dei suoi studenti, e
insegnante, giocando il ruolo dello studente e svolgendo le attività. In questo modo la teoria diventa
pratica e gli insegnanti possono immediatamente adattare e adottare queste strategie per l’uso in
classe. È previsto che una larga parte del tempo venga dedicata alla discussione.
75
Quali materiali sono usati durante le sessioni?
• Le applicazioni al computer, ovviamente, restano lo strumento più importante: sono usate in tutte
le sessioni, e tutti i moduli sono studiati in profondità, in modi differenti.
• In più, la guida per l’insegnante è usata
continuamente con presentazioni in PowerPoint
dando ulteriori informazioni, sia agli studenti che agli
insegnanti, sulla superconduttività e su tutti gli
aspetti dell’insegnamento di questo argomento. Nel
frattempo, la piattaforma Physible sarà usata per
incrementare l’interazione tra chi sta imparando e
verrà mostrato come può essere usata come libreria
di materiali per l’insegnamento, pronti per lo
scambio.
• Ovviamente la fisica senza gli esperimenti non è
molto viva: suggeriamo che si utilizzi una serie di
semplici ma nondimeno stuzzicanti esperimenti.
• Durante il seminario per gli insegnanti guidiamo con cura tutti i partecipanti attraverso tutti questi
item e lasciamo che provino tutti i materiali.
• Viene fornito un sommario di tutti i metodi di
insegnamento, degli strumenti di valutazione, dei
questionari e dei file multimediali.
Il metodo di insegnamento “a rotazione”: si guardi il
gruppo con le due ragazze in verde: ruotano in senso
orario da u piccolo esperimento ad un altro (qui:
fenomeni di induzione magnetica)
(Foto: SGC-Boechout-Belgium)
Tutte le informazioni sul seminario per gli insegnanti e i
relativi materiali sono disponibili nella rete intranet
Simplicatus.
Metodi di insegnamento – apprendimento attivo
Quiz
Motivazione degli studenti
Gioco, punteggio, interazione sociale, discussione
Perchè?
Modo veloce di trattare più argomenti, diversi tipi di domande possibili (anche numeriche, video,
esperimenti, …), elevata variabilità in approccio, in profondità è possibile.
Scopi
•
•
•
•
Cominciare velocemente
Motivazionale
Overview
Scoprire la conoscenza nascosta
76
Metodo
Formato tradizionale. Le domande possono variare molto in approccio:
• Con figure, domande aperte, scelta multipla
• Su un modulo, su tutti I moduli, storia
• È possible una differenziazione
• differenti team
Prestare attenzione ai “premi” dati. Valutazione: il successo di questo metodo di insegnamento
dipende molto dal modo in cui viene attuato.
A/B-ATTIVITA’
Scopi
• Gli studenti reperiscono informazioni in gruppo ma autonomamente e se le passano l’uno con
l’altro.
• Gli studenti applicano i contenuti delle loro nuove conoscenze in compiti creativi.
Metodo
Step 1: Lo scopo del compito è spiegato. Il compito è abbastanza generale e concettuale. Gli
studenti sono divisi in gruppi di 4 o 5. Ogni studente gioca uno specifico ruolo: moderatore,
segretario, programmatore, … . Il tempo è regolato. I ruoli specifici sono esplicitati.
Step 2: Gli studenti svolgono la prima parte del compito (A). E’ essenziale qui usare le informazioni
(libri di testo, siti web). Ogni studente riceve un differente elenco di possibili risorse e un tema.
Alcune domande possono guidarli e stimolare le discussoni. Essi attingono anche alla loro
personale esperienza, conoscenza e comprensione.
Esempio:
1 Studio e uso di siti web
2. Come selezionare informazioni
3. …e riassumerle
4. Sintetizzare per il gruppo
5. Elenco di risorse
Step 3: Basato sulla fase precedente (A), viene ssegnato il compito B. Questo è più concreto,
pratico: la conoscenza acquisita in A è applicata in B. L’insegnante osserva e lascia gli studenti
77
lavorare indipendentemente finchè possibile.
L’insegnante dà un feedback dopo I compiti A/B.
Esempi
• Applicazioni di sistemi di raffreddamento
• Esempi di magnetismo
• Storia di …..
Step 4: Ogni gruppo presenta I risultati del loro compito specifico. Insegnanti e studenti danno
feedback e suggerimenti.
È possibile fare una valutazione del prodotto (come A è applicato in B) e dell’atteggiamento (durante
B).
Mappa concettuale
Il principio è ben noto
http://olc.spsd.sk.ca/DE/PD/instr/strats/mindmap/index.html
•
•
•
•
•
•
Usare singole parole o semplici frasi per l’informazione
Stampare le parole
Usare colori per separare idee differenti
Uso di simboi e immagini
Usare forme, cerchi per collegare informazioni
Usare frecce per mostrare causa ed effetto
Come posso adattarlo?
Con un grosso gruppo come attività di brainstorming dell’intera classe
Ritagliare strisce e cerchi dalla lavagna a fogli. Discutere l’argomento principale, scrivere in un
cerchio e posizionarlo nel centro della bacheca. Ogni studente dà la sua idea sull’argomento e la
segna su un altro cerchio della lavagna. Ogni studente inoltre scrive diverse parole sulla sua idea su
78
strisce separate di carta. Quando gli studenti avranno finito, la mappa concettuale sarà assemblata
sulla bacheca con le connessioni fatte con le strisce di carta. Potrà essere fissata al muro.
79
Costruzione della conoscenza
Scopo
Gli studenti sono indotti a lavorare insieme perchè hanno informazioni diverse.
Tempo : 1h o meno
Metodo
Step 1: Il materiale deve essere diviso logicamente in più parti più o meno uguali. Ogni parte può
essere trattata indipendentemente dalle altre. Ogni gruppo ne riceve una.
80
Step 2: Ogni studente studia la sua parte. Se necessario l’insegnante può fornire domande e
compiti di supporto.
Step 3: Scambio all’interno del gruppo: gli studenti presentano il loro lavoro e assemblano tutto in
una unità coerente.
Stap 4: L’insegnante controlla se tutti gli studenti hanno capito tutto.
Esempi
Differenti applicazioni di un argomento
Può essere usato anche per la teoria
Una tipica sequenza esperimenti/ formula/esercizi/applicazioni
Rotating corners
Scopo
Gli studenti in piccolo gruppi fanno ricerche su differenti aspetti dello stesso argomento
Tempo: 1 h o meno
Metodo
Step 1: l’insegnante prepara differenti compiti per i diversi gruppi. Ogni compito dovrebbe essere
preparato in un diverso “spazio di lavoro/angolo” della stanza. Tutti i materiali necessari. Tutti i
materiali necessari sono a disposizione in questo angolo.
Step 2: gli studenti sono divisi in gruppi. Essi svolgono un compito e si spostano nell’angolo
accanto. Tutti i compiti dovrebbero impiegare più o meno lo stesso tempo.
Qui è pssibile il gioco di ruolo. Le regole devono essere definite chiaramente: tempo, materiali,
soluzioni, cose da scrivere…
Un elenco con tutti i compiti può essere distribuito, ma questo non è necessaro.
Esempi
Serie di piccolo esperimenti sullo stesso argomento (elettrostatica, dinamica, calore, modello
dell’atomo, relazione resistenza-teperatura, induzione, ottica, serie di problemi)
81
Esperti di laboratorio
Scopo
Gli studenti diventano esperti ognuno in un piccolo o in una parte di esperimento. Essi devono poi
esporre quanto appreso ai compagni.
Tempo: 1h
Metodo
Step 1: formazione del gruppo “iniziale”
Si formano gruppi di 4 studenti. Ognuno riceve un colore o un numero (1-4, se ci sono 4
esperimenti). Tutti gli studenti con lo stesso colore/numero vanno sul loro specifico
esperimento, di cui diventano “esperti” (costruzione, analisi, esecuzione, rilevamento dati,
grafici, conclusioni) lavorando insieme in questo gruppo. Il livello di approfondimento di questa
attività può variare (tempo-scopo), dipende dall’insegnante. Il supporto che gli studenti ricevono
può variare da un auto-supporto a una guida che include tutte le spiegazioni. Il modo in cui essi
preparano il trasferimento delle loro conoscenze al gruppo può essere stabilito dall’insegnante
oppure dal gruppo.
Step 2: il gruppo di esperti ritorna (split back) ai gruppi “iniziali”. Questi gruppi ora cominciano a
ruotare da un esperimento a un altro, e ogni volta l’esperto specifico guida il processo di
apprendimento.
Step 3: Tutti gli esperti mettono insieme le informazioni che hanno raccolto e questo diventa un
piccolo corso. Il gruppo poi formula le conclusioni finali, basandosi sull’insieme di tutte le
informazioni.
Per essere sicuri della qualtà dell’informazione, uno può mandare due esperti per ogni gruppo base
ad ogni esperimento. In una fase intermedia l’insegnante porebbe controllare cosa ogni gruppo di
esperti ha trovato/ può anche usare una chiave con le risposte corrette/ può usare un tutorial.
Argomenti per questo metodo di insegnamento
Serie di piccoli esperimenti (elettrostatica, dinamica, calore, modello dell’atomo, dipendenza
resistenza- temperature, induzione, ottica)
Questo è anche utile se uno organizza un gruppo di base per differenti aspetti di un certo argomento:
-Chi comincia
-Esperimento di base + rilevare dati
82
-Formule
-Problemi
-Applicazione/i
Lavorare con azoto liquido e magneti
Molte dimostrazioni pratiche nel campo della superconduttività richiedono l’uso di azoto
liquido. È una sostanza pericolosa ed è necessario maneggiarla con molta cura :
• Usare bottiglie Dewar o contenitori thermos per trasportare piccolo quantità di azoto liquido, ma
MAI AVVITARE IL TAPPO. La pressione che può generarsi all’interno del thermos potrebbe
causarne l’esplosione.
• Scegliere I contenitori con cura, evitando vetro ordinario o plastica, in quanto potrebbero
frantumarsi se fragili e provocare danni.
• Tenere l’azoto liquido lontano dalla portata degli studenti .
• Dimostrare loro cosa può accadere quando I materiali vengono super-raffreddati (per esempio,
raffreddare efrantumare una rosa).
• Assicurarsi che l’azoto liquido non entri in contatto con parti del corpo.
• Indossare sempre occhiali di protezione.
• Non toccare mai oggetti raffreddati come superconduttori o magneti. Usare sempre pinzette
preventivamente testate per essere certi che non diventino fragili quando raffreddate.
• Usare guanti isolanti .
• Assicurarsi che la stanza dove state lavorando sia ben ventilata.
Lavorare con magneti
Alcuni magneti (ad esempio I magneti al niobio) possono essere molto potenti e vanno maneggiati
con cura :
• Tenere sempre I magneti lontano da computer, floppy disks, registratori e carte di credito.
• Indossare guanti nel caso in cui due magneti si attraggono fortemente e tenere lontano piccoli
frammenti di metallo.
• Stare attenti a non mettere le dta tra due di questi magneti.
• Tenere lontano tali magneti.
83
Esperimenti di Levitazione
Wim Peeters, Antwerp (B)
Practical resources required for activities
1.
2.
3.
4.
5.
Azoto liquido – un vaso Dewar con circa 1 litro di LN2
Tazze di Styrofoam/poliestere
Capsula di Petri in Pyrex
Beker Pyrex
Kit di superconduttività. Il più semplice kit contiene un piccolo magnete e un magnete più
grande in terre rare e un superconduttore a pellet. Questo materiale è sufficiente per
dimostrare la levitazione e il pinning.
6. Una serie di diodi emettitori di luce (LED) e pile per la loro alimentazione che siano
sufficientemente lunghi affinché possano essere facilmente immersi in azoto liquido.
7. Una serie di magneti a forma di anello su un piedistallo (un asta di legno che passa loro
attraverso di modo che possano essere accatastati respingendosi uno con l’altro – l’asta di
legno poggia su di una base di modo che possa essere mantenuta in posizione verticale)
8. Tubo di rame (0.30m)
9. CD-ROM di SUPERCOMET2
10. Accesso internet (non essenziale)
11. Libri di riferimento
Dimostrazioni
Dimostrazione 1: l'azoto liquido è molto freddo
Dimostrare quanto è freddo LN2 e le strane cose che succedono:
• una foglia di lattuga o un fiore diventano così fragili che si frantumano.
• Il Blue Tac (un tipo particolare di colla) diventa così duro da poter essere inchiodato con un
martello dentro un asse di legno.
• un tubo di gomma si frantuma quando viene colpito con un martello.
Osservare quanto tempo impiegano per tornare alla normalità - perché ci mettono così tanto?
Dimostrazione 2 – Gli anelli saltanti di rame o di alluminio
Il salto della bobina o la dimostrazione del salto dell’anello è ben noto e ben documentato. Tuttavia, il
cambiamento consiste nel raffreddare la bobina o l’anello a 77K quindi abbassare la resistività molto
e consentire la formazione di una maggiore corrente indotta. L'impatto di questo sulla forza del campo
generato sarà evidente. Questo, riprendendo l’esperimento di caduta dei magneti e ricollegandosi con
la levitazione coi superconduttori, può essere discussa come una combinazione di potenti magneti e
resistività eccezionalmente basse.
A scuola è probabile che si abbia a disposizione un trasformatore smontabile. Questi trasformatori
contengono quasi sempre un unico anello di metallo (generalmente alluminio o rame), che può
essere considerato come un circuito secondario ad un unico avvolgimento. Come avvolgimento
primario utilizzare un bobina con un molti giri (le istruzioni probabilmente diranno questo è il metodo
più adatto - se così non fosse lo si può scoprire sperimentando). Quando si collega il circuito primario
ad un generatore di corrente alternata l’anello viene lanciato via dall’anima di metallo del
trasformatore
Versare un po’ di azoto liquido in una tazza di poliestere e immergevi l’anello di alluminio fino a
quando l’azoto liquido cessa di bollire. Prendete l'anello e ripetere la dimostrazione. L'effetto sarà
evidente - l'anello probabilmente colpirà il soffitto dell’aula.
84
Nota di sicurezza: stare indietro - non mettere il volto nella linea di lancio in entrambi i test. Non
effettuare l’esperimento immediatamente al di sotto di impianti di illuminazione, in particolar modo nel
secondo caso, l'anello può colpire il soffitto.
Dimostrazione 3: Luce fredda - LED in azoto liquido
Raffreddando un LED l'intensità della sua luce aumenta a causa dell'aumento dell’incremento del
divario di banda (differenza di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione). Questo può
anche spiegare il cambiamento di frequenza a volte osservato, infatti, utilizzare uno spettrometro
digitale vi consentirà di registrare lo spettro a temperatura ambiente e a temperatura vicino a quella
dell’azoto liquido. Tuttavia, se il LED è raffreddato sufficientemente non funzionerà più, questo
succede perché gli elettroni non hanno abbastanza energia per attraversare il divario di banda o, più
semplicemente, perché il LED è un semi-conduttore e come tale l’andamento della sua resistività in
funzione della temperatura dipende da un grande coefficiente di proporzionalità negativo.
La ragione per cui questa dimostrazione è di particolare interesse è che il passaggio dalla banda di
conduzione a quella di valenza trasferisce energia sia sottoforma di fotoni (che se ha un adeguata
frequenza risulta essere visibile), sia come energia del reticolo o come fononi. I fononi sono un mezzo
importante per la descrizione delle coppie di Cooper come un meccanismo legato superconduttività.
Collegare un LED ad un’appropriata batteria e chiedere alla classe di annotare il colore e la
luminosità del LED - poi immergere il led in azoto liquido e osservarne i cambiamenti. Le modifiche si
osserveranno variano a seconda del tipo di LED utilizzato. Pertanto, bisogna usare led diversi. Alcuni
LED si spengono del tutto (vedi il modulo relativo CD-ROM per un esempio) – altri diventano più
brillanti e hanno un leggero cambiamento nel colore.
Dimostrazione 4: Magneti in caduta
I materiali richiesti sono: un tubo di rame (con una lunghezza di circa 0.30m funziona bene), un
piccolo magnete al niobio ed un pezzo di ferro o di acciaio delle stesse dimensioni. Quando l'acciaio
viene lasciato cadere attraverso il tubo, questo cade come uno si aspetterebbe calcolando il suo
tempo di caduta a partire dalla legge:
s = ½at²
Quando il magnete al niobio viene fatto cadere attraverso il tubo si osserva invece che impiega un
tempo di circa 4 o 5 secondi. Utilizzando un tubo di rame lungo 0.30m con un diametro interno di
0.014m e un magnete al niobio con un diametro di 0.011m (altezza del cilindro, 0.05m) si può
ottenere un tempo di caduta di circa 5 secondi. L'obiettivo di questa dimostrazione è in primo luogo
quello di dimostrare che l'effetto non è un semplice effetto magnetico in quanto il rame non è
magnetico. In secondo luogo si introduce la nozione di corrente indotta, o correnti parassite, che a
loro volta generano un campo che si oppone al movimento. Questo effetto è osservabile colo con
magneti eccezionalmente forti. Una descrizione di questo esperimento richiede una comprensione
della velocità di cambiamento e, a meno che i partecipanti non abbiamo sufficienti conoscenze
matematiche, questo aspetto può essere lasciato da parte.
Dimostrazione
5:
superconduttore
Levitazione
di
un
magnete
sopra
ad
un
Queste dimostrazioni forse non sono nuove, ma permettono ai partecipanti di metter mano su delle
esperienze che possono riguardare sia le teorie già studiate, sia quelle che non conoscono ancora.
Il secondo dei due esperimenti è forse meno noto e può fornire un’interessante e stimolante spunto
per gli studenti più interessati.
Presentazione dei materiali
Magneti di terre rare e dischi superconduttori
85
Prima di fare la dimostrazione con i superconduttori e i magneti, presentare alla classe i magneti di
terre rare (niobio). Questi hanno bassa densità, ma sono dotati di campi magnetici incredibilmente
forti (riescono ad attirare numerose graffette). Questi magneti sono divertenti se maneggiati con cura.
Tenere lontano da computer e non perdeteli di vista - sono tentati 'trofei' e potrebbero facilmente
sparire! Si possono facilmente rompere, e si attaccano con molta forza agli oggetti ferromagnetici:
prestare attenzione!
I superconduttori non sono particolarmente interessanti alla vista - leggermente friabili, di materiale
scuro e che non ha evidenti proprietà. Il superconduttore non è magnetico (provate a raccoglierlo con
un magnete – non ci riuscite) Inoltre, esso non interagisce con un altro magnete (quando è caldo)
Fisica magica - Levitazione
Levitazione 1
Posizionare il superconduttore in una tazza di polistirolo (o utilizzare un pirex Petri). Aggiungere
l’azoto liquido e attendere che smetta di bollire. Utilizzando la pinza di plastica, prendere il più piccolo
tra i due magneti e collocarlo sulla parte superiore del superconduttore. Il magnete rimarrà
galleggiante al di sopra del superconduttore. Fare notare alla classe come il magnete galleggi.
Dopo un po 'il magnete si abbassa lentamente fino a quando non si appoggia sul superconduttore.
Osservare questa fase con attenzione e notare che il processo è graduale. (Lasciate passare qualche
minuto prima di prendere in mano il magnete e il superconduttore - ci vorrà del tempo perché ritornino
a temperatura ambiente).
Levitazione 2
Ora ripetere la dimostrazione, ma questa volta mettere subito il piccolo magnete sul superconduttore.
Versare l’azoto liquido. Dopo un po 'il magnete inizierà a levitare, ma non nella misura in cui lo era
nella
precedente
dimostrazione.
Assicurarsi
che gli alunni notino questa
differenza. Osservare ancora
come
sia
graduale
l’attenuazione dell'effetto con
l’aumentare
della
temperatura
Levitazione 3
Posizionare il superconduttore in una tazza di polistirolo
(o utilizzare un pirex Petri).
Aggiungere l’azoto liquido e
attendere che smetta di
bollire. Utilizzando la pinza di
plastica, prendere il magnete
forte e porlo sopra al
superconduttore. Il magnete
NON galleggia al di sopra del
superconduttore.
Viene
spinto via. Spingere il magnete verso il superconduttore, così facendo il magnete rimane più o meno
stabile. Fate notare ciò alla classe.
Prova a ruotare il magnete forte, o a spostarlo: non funziona. Il magnete rimane bloccato nel campo
magnetico.
Questa esperienza è simile a quella della levitazione, tranne che in questo caso il superconduttore è
sollevato. Mettete il superconduttore in un piatto e versare dell’azoto liquido. Quando smette di bollire,
portare il più grande dei due magneti vicino alla superficie del superconduttore. In questo modo si è in
86
grado di sollevare il superconduttore. Si noti che c'è un piccolo divario tra il magnete e il
superconduttore.
Ripetere la levitazione 1 sopra esposta, ma questa volta spingere il magnete levitante di lato e
rilasciarlo – il magnete torna nella posizione iniziale. Ruotare il magnete di modo che si affacci verso il
superconduttore con l’altro polo - non importa con che polo sia rivolto verso il superconduttore,
l’effetto funziona sempre.
Levitazione 4
Ora ripetere la dimostrazione, ma questa volta mettendo il magnete forte sul superconduttore.
Versare l’azoto liquido. Dopo un po' di tempo "non succede nulla". Provare ad alzare il magnete,
guardare il superconduttore attenersi al magnete. Il superconduttore (o il magnete) può essere
attivata come nella precedente dimostrazione.
Compiti su cui pensare
Se non avete già discusso questo come parte integrante della dimostrazione, si chieda a tutti gli
alunni di riflettere sul perché l'azoto liquido forma delle bolle - è come l'acqua bollente? - In caso
affermativo, qual è il processo di trasferimento di energia?
Per tutte le dimostrazioni di levitazione e di sollevamento del superconduttore potete chiedere:
1. Perché l’effetto sparisce lentamente?
2. Perché il piccolo magnete è utilizzato per la levitazione, mentre quello grande è utilizzato per il
sollevamento del superconduttore?
Anello saltante
1. Quali sono le differenze nei due casi?
2. Perché l’anello salta?
3. Perché salta così in alto quando è stato raffreddato?
(Gli studenti possono trarre conclusioni a partire dalle loro conoscenze di induzione elettromagnetica,
di effetto magnetico di una corrente e dalla legge di Lenz. Essi dovrebbero focalizzare anche
l'attenzione sul fatto che la resistenza di un normale conduttore diminuisce quando la sua
temperatura scende. Molti degli studenti possono essere in grado di dare una spiegazione del
cambiamento nella resistenza in termini di riduzione di energia del reticolo.)
LEDs
1. Cosa succede?
2. Usa le tue conoscenze sulla banda di conduzione e quella di valenza per suggerire quello che
potrebbe essere accaduto a livello atomico.
Levitazione (quando si lavora su questo, il gruppo ha bisogno di accedere
al set di anelli magnetici ordinari)
1. Perché non si può fare con normali magneti galleggianti uno sopra l'altro, ma proprio con i
piccoli magneti di terre rare galleggiare sul superconduttore? Perché non può essere fatto solo
con l'asta di legno che passa attraverso il loro centro?
2. Disegna il campo magnetico tra i magneti 'normali' quando uno è galleggiante sopra all'altro.
3. Disegna come il campo magnetico può apparire sotto al magnete di terre rare levitante.
(Gli studenti dovrebbero essere in grado di disegnare i campi tra due magneti ordinari che si
respingono e di suggerire che una simile forma del campo deve essere presente sotto al
piccolo magnete levitante.)
Il magnete levitante ritorna nella sua posizione di equilibrio anche se
87
spostato lateralmente
1. Immaginate cosa potrebbe avvenire tra il magnete e il superconduttore per far sì che il
magnete torni alla sua posizione quando viene spostato. Quali potrebbero essere le forze che
agiscono?
2. Perché l’effetto sparisce lentamente?
3. In che modo questo fenomeno è diverso da quello che potrebbe accadere con una coppia di
magneti che si respingono (come nel caso degli anelli magnetici)?
Rotazioni del magnete levitante
1. Perché il magnete rimane in rotazione solo per un piccolo intervallo di tempo dopo che si
smette di soffiare?
2. Cosa ferma la rotazione del magnete?
3. Se il magnete fosse cilindrico potrebbe continuare a ruotare per un tempo magiore? Perché?
4. Quali teorie avete ipotizzato per spiegare perché la rotazione del magnete si ferma quando
questo levita sopra ad un superconduttore?
Alzare il superconduttore
1.
2.
3.
4.
Quali sono le analogie e le differenze tra questa e la dimostrazione della levitazione?
Cosa tiene vicino ma non in contatto il superconduttore con il magnete?
Immagina com’è il campo magnetico presente fra i due.
Quali teorie avete per spiegare come ciò sia possibile?
(In tutte queste dimostrazioni gli studenti dovrebbero essere in grado di supporre che non ci sia una
forza attrattiva o frenante - così come un forza repulsiva. Loro dovrebbero anche riuscire ad
immaginare la presenza di linee di forza tra i due magneti – e di alcune linee di forza spinte fuori dal
superconduttore.)
Alcune note sulle dimostrazioni
I superconduttori nel kit sono superconduttori di tipo II. Questi mostrano l’effetto pinning (il magnete
rimane sopra al superconduttore, anche quando viene spinto di lato), e l'effetto di levitazione. I
superconduttori di tipo I mostrano solo la levitazione (il cosiddetto effetto Meissner). Vedere il CDROM per le diverse proprietà magnetiche dei due tipi di superconduttore.
Non fare l'errore di credere che i superconduttori di tipo I siano superconduttori a bassa temperatura
e quelli di tipo II siano quelli ad alta temperatura. La classificazione in superconduttori ad alta e bassa
temperatura non è molto gradita da parte degli addetti del settore ed è un po' arbitraria. I
superconduttori ad alta temperatura sono solo quelli che hanno una temperatura critica superiori ai
77K - il punto di ebollizione dell’azoto liquido.
88
Fenomeni magnetici ed elettromagnetici Handson
Barbara Fedele, Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Udine (I)
1 – Zattere magnetiche
Due magneti sono posti su due piccole zattere di
polistirolo galleggianti sull’acqua. Se si mettono il polo
nord di uno dei magneti vicino al polo sud dell’altro, si
osserva che i magneti si attraggono. Se si avvicinano
poli uguali (nord - nord o sud - sud) si osserva che i
magneti, che sono in grado di muoversi, ruotano di
modo da attirare il polo opposto dell’altro.
2
–
Distanza
magnetiche
nelle
interazioni
La distanza influenza l'interazione tra i magneti. Più
lontani sono i magneti, minore è la loro attrazione fino al
punto che essi non sono in grado di avvicinarsi anche
se posizionati su delle zattere galleggianti in acqua.
Quando i magneti sono abbastanza vicino l'attrazione
invece è forte: i due magneti si attraggono fino a
toccarsi.
3 – Repulsione fra magneti e distanza:
una misura
Due magneti sono inseriti in un tubo con gli stessi poli
uno di fronte all'altro. Essi si respingono. Quando il tubo
è collocato in posizione verticale, il magnete in cima
rimane sospeso per effetto della repulsione tra i poli
simili dei due magneti. Se si aggiungono piccoli pesi (di
un materiale non magnetico) sulla parte superiore del
magnete soprastante, la distanza tra i due magneti si
riduce permettendo di osservare che la legge della forza
repulsiva va con l’inverso della potenza di una distanza.
89
4 – Comportamento di due molle sotto
tensione
Due dinamometri sono fissati alle estremità di due
magneti collocati in un piccolo tubo con i loro poli opposti
uno di fronte all'altro. Tirando i due dinamometri, al fine di
separare i due magneti affinché si trovino ad una data
distanza si vede che l'allungamento delle molle dei due
dinamometri è lo stesso. Si misura l'allungamento di ogni
molla DL (o meglio, la forza esercitata da ogni
dinamometro) per le diverse distanze di equilibrio d dei
magneti. Per piccole distanze tra i poli dei due magneti,
risulta che DL*dn = const, con n> 2.
5 – La deviazione dell’ago magnetico di
una bussola posta vicino a un magnete
Posizionare un foglio di modo che il suo lato più corto sia
nella medesima direzione assunta dall’ago magnetico di
una bussola posta sul foglio. Porre un magnete cilindrico
ad una congrua distanza dalla bussola in modo che esso
sia perpendicolare all'asse del magnete. Spostare la
bussola più vicino al magnete. Si registri la direzione
dell’ago della bussola a differenti distanze dal magnete:
si veda che l’ago forma un angolo che si fa via via più
acuto man mano che ci si avvicina al magnete. La
proiezione di questa direzione, lungo la direzione di
approccio rappresenta la componente del campo magnetico causato dal magnete (Bm), rispetto la
componente fissa del campo magnetico terrestre (Bt). Se si traccia una linea parallela lungo la
direzione di approccio e si misura la lunghezza della proiezione dell’ ago abbiamo la misura di Bm in
unità di misura arbitrarie. Bm cresce tanto più rapidamente quanto la distanza (d) tra la bussola ed il
magnete diminuisce.
Si trova che Bm*d³= cost.
90
6 – Limatura di ferro e magneti
Abbiamo distribuito uniformemente la limatura di ferro
all'interno di una piccola scatola di plastica (contenitore
del CD). Se poniamo un magnete vicino ci accorgiamo
che la limatura di ferro si muove e segue il movimento
del magnete. Se poniamo il magnete al di sotto della
scatola, ci accorgiamo che la limatura di ferro, aderisce
in base a una caratteristica formazione (vedi disegno). In
particolare, la limatura si raggruppa intorno ai due poli
del magnete: qui i depositi si dispongono a raggiera. La
limatura si deposita sia sulla superficie piana, sia
perpendicolarmente o obliquamente.
Lo spazio in presenza di un magnete acquisisce una
nuova proprietà: diventa la base di un campo magnetico.
La disposizione e l'orientamento della limatura di ferro lo
descrivono. Otteniamo una rappresentazione di ciò se
mettiamo un foglio di acetato in una scatola (una
superficie trasparente con piccoli supporti può essere
utile) Se si cambia la posizione o anche solo
l'orientamento della scatola, si ottiene la stessa
rappresentazione. Questa caratteristica è quindi
caratteristica degli effetti del magnete nello spazio
circostante.
7 – Il movimento in un campo magnetico
Una sfera d'acciaio scendere da una discesa e si
muove di moto rettilineo su un piano orizzontale. Se la
sfera passa vicino al polo di un magnete, la sua
traiettoria viene deviata. La sua velocità cambia. Ciò
indica l'azione di una forza di attrazione tra il magnete e
la sfera. La traiettoria descritta dalla sfera d'acciaio però
è completamente diversa da quella delle linee del
campo magnetico prodotto dal magnete.
91
8 – Esplorare gli effetti magnetici di una
corrente elettrica
Abbiamo posto due o più bussole intorno ad un filo
rettilineo attraverso il quale fluisce una corrente
elettrica (sotto, sopra, accanto).
L'ago della bussola: gira fino a quando non si trova in
una direzione ortogonale rispetto a quella del filo. La
direzione indicata dall’ago della bussola collocato sotto
il filo è opposto rispetto a quella dell’ago della bussola
collocata al di sopra del filo.
Se noi invertiamo la direzione della corrente che
fluisce nel filo l'orientamento degli aghi delle bussole
poste al di sopra e al di sotto del filo vengono invertite.
L'effetto magnetico di una corrente elettrica si
manifesta su un piano perpendicolare alla direzione
della corrente. Il campo magnetico prodotto da una
corrente si estende al di sopra e al di sotto del cavo.
La direzione del campo è fissata quando la direzione
della corrente è fissata.
9 – Il campo magnetico prodotto da un filo percorso da una corrente
elettrica
Una serie di bussole sono poste intorno a un filo rettilineo posto verticalmente. Se nel filo non fluisce
della corrente elettrica gli aghi delle bussole sono orientati in direzione nord-sud. Se una corrente
passa attraverso il filo gli aghi delle bussole poste su di un piano perpendicolare al filo con il filo al
centro
tendono
a
disporsi
in
modo
da
formare
cerchi
concentrici.
Se mettiamo della limatura di ferro attorno al filo questa si dispone in modo da formare cerchi
concentrici attorno al filo. L'effetto è molto più intenso nelle zone vicino al filo ed è tanto più intenso
quando
maggiore
è
la
corrente
che
passa
attraverso
il
filo.
Il campo magnetico prodotto da un filo rettilineo percorso da una corrente elettrica è sempre
perpendicolare al filo.
92
10 – L'interazione tra un magnete e una bobina percorsa da una corrente
elettrica
Una bobina percorsa da una corrente è attratta o respinta da
un magnete in base alla direzione in cui circola la corrente al
suo
interno.
L'effetto è amplificato se si inserisce un nucleo di materiale
ferromagnetico nella bobina.
Una bobina percorsa da una corrente elettrica si comporta
come un barra magnetica.
11 – L'interazione tra piccole bobine percorse da corrente
Due bobine poste una di fronte all’altra si attraggono e si respingono a seconda della direzione della
corrente che circola nel loro interno e si attraggono e si respingono nello stesso modo con cui si
attraggono e si respingono due barre magnetiche.
12 – L'interazione tra bobine percorse da
corrente
Due bobine, ciascuna costituita da molte spire, sono messe
vicine. Quando una corrente elettrica viene fatta scorrere
attraverso di esse si attraggono o si respingono in base alla
direzione delle correnti come nel caso del precedente
dimostrazione.
Gli effetti però sono amplificati rispetto a quelli che si
verificano
nella
precedente
dimostrazione.
Gli effetti magnetici dipendono infatti dal numero di spire
delle bobine.
93
Come costruire il proprio superconduttore
Bernadette Schorn, Munich (D)
La temperatura critica (Tc) dei conduttori YBaCu è intorno agli 80K, sufficientemente elevata da
consentire l’uso di azoto liquido a buon mercato (77K). Cosi è possibile fare degli esperimenti con
questi superconduttori e anche produrne in granuli a
scuola. La ricetta per cuocere questi superconduttori si
legge come una ricetta per una torta:
ossido di ittrio: 0,565g
carbonato di bario: 1,97g
ossido di rame: 1,19g
copper oxide: 1,19g.
Mescolare accuratamente e schiacciare l’impasto in un
mortaio di agata fino ad ottenere una polvere consistente.
Questa polvere quindi deve essere premuta in granuli.
94
Dopo che i granuli sono stati cotti per più di un giorno a 950 gradi centigradi, devono essere
raffreddati passo dopo passo per un altro giorno.
Questi granuli devono essere schiacciati, pressati e infornati ancora una volta, ma non per molto
tempo. Dopo il processo di cottura, i superconduttori possono
essere testati, ad esempio nella forma dei seguenti eccitanti
esperimenti e facili da eseguire:
se il campione è piccolo, è meglio utilizzare un anello magnetico e
lasciare che il campione raffreddato galleggi sopra. Il campione si
riscalderà al di sopra della Tc entro pochi secondi e poi smetterà di
galleggiare.
Un’altra possibilità è quella di inserire un grosso campione proprio nell’azoto liquido. Se un forte
magnete galleggia sopra il campione, allora il campione supera il test per la superconduttività.
Per l’effetto Meissner-Ochsenfeld il magnete è posto sul campione
a temperatura ambiente. In base alle leggi classiche, nessun
galleggiamento dovrebbe accadere perché il campo magnetico non
varia più. Ma dopo il raffreddamento del campione il magnete
galleggerà. Questo dimostra che la superconduttività è ancora più
perfetta del diamagnetismo
95
Misura della temperature di transzione di un
supercondutore
Gren Ireson, Loughborough (UK)
Questo articolo è stato pubblicato su : physics education, 6/41, p. 556
http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/41/6/012/pe6_6_012.pdf?request-id=yjmElR973BG1YQd3Ai7Kg
Abstract
Questo articolo presenta la metodologia ed i risultati per un semplice approccio alla misurazione della
temperatura di transizione di un materiale superconduttore, in una sessione di laboratorio pre
universitaria, utilizzando apparecchiature disponibili facilmente ( e un po’ di azoto liquido)
Introduzione
Questo giornale ha di recente pubblicato un rapporto (Ostermann e Ferriera, 2006) sull’approccio per
preparare insegnanti della scuola superiore che insegneranno ai loro allievi la superconduttività
(Brasile). Nonostante ciò, molti lettori forse non sanno che esiste un progetto europeo che ha lo
stesso scopo, cioè SUPERCOMET2, che coinvolge 15 paesi europei.
SUPERCOMET (Superconductivity Multimedia Educational Tool) è basato su una serie di moduli
multimediali che coprono elettricità, magnetismo, elettromagnetismo e superconduttività (Earle et al,
2004). Questo lavoro viene pubblicato in inglese, italiano, norvegese e sloveno. Ora SUPERCOMET2
sta portando avanti questo lavoro e includerà sia un seminario per gli insegnanti che un kit di
supporto per gli insegnanti stessi che gli aiuterà ad aggiornare le loro conoscenze, esplorare delle
opportunità per attività scolastiche e utilizzare il kit per lo svolgimento di queste attività. Nel 2007 si
spera di pubblicare questo lavoro nella lingua di tutti i paesi partecipanti. Come parte del seminario
per gli insegnanti, i partecipanti misurano la temperatura di transizione di un superconduttore YBCO3.
Quanto segue mostra la metodologia e presenta i risultati dell’ultimo seminario per insegnanti che si è
tenuto a Loughborough, Inghilterra nel marzo 2006.
Misura di resistenza
In teoria la misura è semplice, a quale temperatura la resistenza del materiale scende a zero?
Misurare la resistenza è familiare a tutti gli allievi di fisica della scuola superiore tramite l’applicazione
della legge di Ohm e questa è la base del metodo in uso. Per sfortuna, la configurazione tipica
mostrata nella figura 1 non può essere applicata.
Figura 1: una semplice misura
di resistenza
Per misurare quando la resistenza scende a zero, ad esempio quando la corrente attraversa il
campione con una differenza di potenziale pari a zero nel campione stesso, bisogna usare “il contatto
a quattro punte”, guardare la figura 2 :
vi sono quattro porte collegate al campione. Due di esse vengono usate per far scorrere una corrente
I attraverso il campione. Il secondo paio di porte vengono usate per misurare V. Siccome nessuna
96
corrente scorre nel secondo paio di porte, le resistenze dei contatti non contano. La resistenza della
parte del campione tra il secondo paio di contatti sarà R=V/I dalla legge di Ohm (Annett, 2004)
Figure 2: contatto a quattro
punte per misure di
resistenza
A
Superconducting sample
V
R=ρ
L La resistività , ρ, è legata alla resistenza, R, da:
A
Dove L e A sono, rispettivamente, lunghezza e sezione trasversale. Poi misurando R = 0 quando I è
finita implica che ρ è zero.
Misura della temperatura
Dato che la temperatura di transizione di YBCO è di 92K (vedere Annett, 2004), allora abbiamo
bisogno di una termocoppia per la misurazione della temperatura. Dato che la termocoppia fornirà
come output un potenziale (mini-volt in questo caso), ciò rappresenta un’occasione per gli allievi per
produrre un grafico di calibrazione per la termocoppia. In questo caso, una tabella dati è stata fornita
e questi dati sono stati usati per produrre l’equazione di conversione.
The experimental
set up
Creare i quattro
punti di contatto può
essere fatto
attaccando i contatti
direttamente al
campione
superconduttore e
un approccio simile
può essere adottato
sia con una
termocoppia
commerciale che
con una prodotta da
noi utilizzando
Figura 3: un contatto a
quattro punte con
vernice d’argento
A
V
Alla termocoppia
Campione superconduttore
97
vernice d’argento conduttrice.
Il progetto SUPERCOMET2 intende produrre dei campioni con i contatti pronti per l’uso e quanto
segue utilizza un contatto a quattro punte commerciale e l’unità termocoppia, disponibile presso
Colorado Superconductors, http://www.users.qwest.net/csconductor/ . Qui i contatti vengono aggiunti
direttamente al campione, durante la fabbricazione e protetti da un involucro in ottone.
La figura 4 mostra lo schema dell’esperimento creata per avere i risultati presentati.
98
Thermocouple leads, to voltmeter 2
To ammeter and
variable resistor
To voltmeter 1
Insulated drinking cup
Aluminium drinks can
Four-point contact set-up*
Glass beads
Figure 4: the experimental set-up
Metodo
Un resistore variabile è attivato in modo che la corrente, attraverso le porte nere, è costante e non
supera 0.5 A (per avere i risultati qui ottenuti si è usata una lettura di corrente di 0.40A ) . I materiali
superconduttori hanno una corrente critica, Ic, al di sopra della quale la resistività diventerà finita e un
limite di 0.5 A assicura che non sia questo il caso.
99
L’interno del contenitore viene riempito con azoto liquido finche la lettura nel voltmetro 1 scende a
zero. Quando un cambiamento viene osservato nel voltmetro 1,le letture dei due voltmetri vengono
registrate e questi dati vengono trasferiti su un foglio di calcolo. Una semplice applicazione di V=I/R
permette di calcolare la resistenza a partire dalle letture del voltmetro 1 e l’uso dei dati di conversione
permette alla lettura nel voltmetro 2 di generare una temperatura. La figura 5a mostra i dati di
conversione, relativi all’equazione di conversione, per la termocoppia utilizzata e la figura 5b mostra i
dati grezzi raccolti.
Temperatura/K
60
70
80
90
100
110
120
Potenziale/mV
7.60
6.92
6.29
5.90
5.52
5.16
4.81
Questo dà l’equazione di conversione:
T = 1.77V2 - 43.80V + 288.67
V1/V
0.0
0.0
0.0
0.0
0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.0
1.1
1.1
1.1
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
*
Adattato da
http://www.users.qwest.
net/~csconductor/,
25.04.06
Corrente/A
Resistenza/Ω
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
V2/mV
6.3
6.2
6.1
6.0
5.9
5.9
5.9
5.9
5.9
5.8
5.8
5.7
5.6
5.5
5.4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.5
1.3
1.5
1.8
2.0
2.3
2.5
2.5
2.8
2.8
2.8
Temperatura/K
83.0
85.1
87.3
89.6
91.8
91.8
91.8
91.8
91.8
94.2
94.2
96.5
98.9
101.3
103.8
4.46
4.11
3.76
3.43
3.12
2.83
2.52
2.23
1.93
1.64
1.39
1.14
0.89
0.65
0.40
0.20
0.00
-0.20
Figura 5a: conversione dati per la termocopia
Figure 5b: dati grezzi racclti
100
Le perline di vetro forniscono una grande capacità termica che impedisce che la temperatura aumenti
troppo velocemente, ricordare che si deve leggere con attenzione i due voltmetri.
Risultati
Utilizzando un semplice foglio di calcolo si può permettere che la temperatura di transizione venga
mostrata in un grafico temperatura/resistenza come si vede nella figura 6. La temperatura di
transizione viene letta come la più alta temperatura nella quale R è uguale zero.
101
Temperatura di transizione/ ~90K
3.0
Resistenza/Ω
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
80.0
85.0
90.0
95.0
100.0
105.0
Temperatura/K
Figura 6: grafico per mostrare la temperature di transizione
Referenze
Annett, J. F. (2004) Superconductivity, Superfluids and Condensates, Oxford, Oxford University
Press.
Earle, A., Frost, J., Engstrøm, V., Čepič, M., Planinšič, G., Ireson, G. And Ciapperelli, S. (2004)
SUPERCOMET Superconductivity Multimedia Educational Tool, Trondheim, Simplicatus.
Ostermann, F and Ferreira, L M (2006) Preparing teachers to discuss superconductivity at high
school level: a didactical approach, Physics Education 41 (1) pp 34-41
102
Valutazione
Infomazioni base
Questi materiali sono offerti per il vostro utilizzo ma possono essere adeguati per la vostra particolare
situazione. Non siete tenuti ad usarli tutti, ma solo quelle che si adattano al vostro sistema si
valutazione , e si possono anche adattare. Questi materiali rappresentano un insieme fornito dai
nostri partner. Tutti i moduli contengono lo spazio per classe/insegnante/codice dell’allievo- questo
assicura che i vari risultati possano essere correlati con altri, se necessario.
Se non siete interessati a fare questa correlazione, non c’è bisogno di inserire i numeri. E’ possibile
usare i nomi, ma ciò potrebbe creare problemi di privacy.
Expert review of materials
Se volete fare una revisione dei materiali, qui si forniscono due approcci. Il primo è quello che si
dovrebbe usare normalmente , ed è lo stesso che abbiamo usato nella prima revisione degli esperti.
Viene fornita anche una traduzione di un modulo usato dai nostri partner spagnoli a Murcia nella loro
ricerca sugli hypermedia, perché essa contiene alcune questioni interessanti e dettagliate che
possono essere usate nella vostra ricerca.
Expert_review_no1.exe (come nel programma di esecuzione – SC Intranet)
Commenti degli insegnanti riguardo ai materiali
Questi sono i materiali da usare se si vuole ottenere un veloce metodo per ottenere risposte dagli
insegnanti:
-suggerimenti per focalizzare gruppi di questioni, o del materiale per la discussione on line
-questionari
Conoscenza degli allievi delle TIC
Può essere utile sapere il grado di conoscenza degli allievi sulle TIC per capire così quali effetti ha
sull’utilizzo dei materiali. Questo questionario dovrebbe essere utilizzato solo quando si ha tempo
pieno per stare con gli allievi, perchè i loro commenti sui materiali (vedere la prossima sezione) hanno
più rilevanza per questo progetto.
Il punto di vista degli allievi sui materiali
Qui ci sono dei suggerimenti per un questionario ed un’intervista:
-intervista
-questionario
Osservazione in classe
Informazioni più dettagliate sui materiali SUPERCOMET2 si possono avere a partire da una serie di
osservazioni in classe, i seguenti materiali forniscono una base per eseguire questa attività:
Tre strumenti si forniscono qui:
-dati sulla conoscenza degli allievi- per una serie di osservazioni con la stessa classe, questi dati
verranno compilati una sola volta
-osservazioni su una particolare lezione
- una relazione finale e una riflessione su una serie di lezioni svolte dallo stesso insegnante.
103
Relazione degli esperti: due esempi
Si presentano qui delle direttive di valutazione eseguite dai gruppi di Murcia e Udine come una guida
potenziale per portare avanti una valutazione completa.
UDINE
A. All’inizio dello studio l’insegnante compila una breve relazione sulla conoscenza della classe
B. Successivamente l’insegnante produce una valutazione iniziale sui singoli allievi (identificati
da un codice), nella quale si valutano (1) abilità, (2) interesse, (3) coinvolgimento, (4)
socializzazione e (5) rendimento.
Gli insegnanti classificheranno ognuno di questi punti con un numero da 1 a 5, in accordo con le
seguenti definizioni:
1. chiaramente al di sopra della media
2. appena al di sopra della media
3. nella media
4. appena al di sotto della media
5. chiaramente al di sotto della media
C. Alla fine di ogni sezione , l’insegnante compilerà (il prima possibile dopo la sezione) una
breve descrizione delle sezioni.
D. Alla fine dello studio l’insegnante compilerà una relazione finale, in formato libero,
cercando di sintetizzare i commenti giornalieri.
E. L’insegnante creerà una valutazione finale di ogni allievo utilizzando lo stesso codice che si
è utilizzato nel punto B. Il punteggio fa riferimento a quello che si è fatto durante lo studio.
F. Alla fine dello studio alcuni degli allievi vengono intervistati (almeno tre che hanno ottenuto
un punteggio basso e tre che hanno ottenuto un punteggio medio alto) e, se possibile, si
organizza una discussione collettiva moderata dall’insegnante. Quando vengono intervistati,
agli allievi viene consentito di cercare il materiale raccolto durante le attività svolte. Prima
dell’intervista, agli allievi si chiede di visionare (a casa,o, se c’è tempo sufficiente, in
classe) l’ intero lavoro svolto.
MURCIA
Il modulo sulla conduzione elettrica venne utilizzato in questo studio. Un libro di esercizi venne
preparato, gli allievi dovevano averlo con sé mentre usavano i materiali SUPERCOMET2. Il processo
di insegnamento è durato 5 sessioni in classe; il processo di apprendimento è stato autonomo per
quanto possibile, cosi che gli allievi hanno effettuato gli esercizi basandosi sulle osservazioni, sulle
animazioni, e sui testi contenuti nei materiali. Quando era necessario, gli insegnanti fornivano in
aggiunta informazioni che gli allievi non potevano ricavare dalle slides, oppure spiegavano alcuni
concetti quando ciò veniva chiesto dagli allievi..
Molti questionari e strumenti, disegnati per una tesi PhD “valutazione dell’insegnamento
multimediale”, di Lucia Amoròs Poveda , dell’Università di Murcia, vennero utilizzati (2004).
Siccome gli strumenti sono già stati valutati, non è stato necessario valutare i questionari. Il
raccoglimento dati è stato effettuato in accordo con i seguenti orari:
Maggio 2006
Martedì 16 14:20 – 15:15
Strumenti
Atteggiamenti ICT e
conoscenza del questionario
Lavoro multimediale
104
Mercoledì 17 14:20 – 15:15
Giovedì 18 9:00 – 10:00
Venerdì 19 11:20 – 12:15
Venerdì 19 12:30 – 13:25
Martedì 23 14:20 – 15:15
Mercoledì 24 14:20 – 15:15
Giovedì 25 9:00 – 10:00
Venerdì 26
11:20 – 12:15
Pre test sulla conduzione
elettrica
Gli allievi lavorano con il
materiale multimediale
Osservazione
Osservazione
Dopo test sulla conduzione
elettrica
Questionario SUPERCOMET2
Studenti al BRG Kepler Graz, lavorano con l’applicazione SUPERCOMET2
Commenti degli insegnanti sui materiali
Focus groups/discussione on-line (Insegnanti)
code number
Fisica:
inseganante
-quanto è importante introdurre temi di fisica contemporanea?
-la superconduttività è un argomento adatto da introdurre nel curriculum nazionale di fisica?
- l’introduzione di argomenti di fisica contemporanea quali la superconduttività, motivano i nostri
allievi? Questo fa si che l’apprendimento dei contenuti di fisica sia semplice o più difficile?
I materiali SUPERCOMET2
-quanto utili per l’insegnamento della fisica sono i materiali del cd rom SUPERCOMET2?
105
-i materiali contengono i moduli corretti? Il bilanciamento tra gli argomenti è corretto?
-è possibile utilizzare una risorsa quale il cd SUPERCOMET2 per sviluppare un contenuto che ancora
non si trova nel curriculum nazionale o anche per integrare il curriculum nazionale?
code number
insegnante:
Questionario (Insegnanti)
1. in quale misura lei
considera utili per il
suo insegnamento le
seguenti parti di
materiali?
Non utile
del tutto
Un po’
utile
Molto utile
Estremamente Non so
utile
Non del
tutto
attraenti
Un po’
attraenti
Molto attraenti
Estremamente Non so
attraenti
Informazione
sull’argomento
(superconduttività)
Esperimenti
Programma di
apprendimento
Commenti
2. secondo la sua
opinione, quanto sono
attraenti ed
interessanti per i suoi
allievi i materiali?
Informazione
sull’argomento
(superconduttività)
Esperimenti
Programma di
apprendimento
Commenti
3. Come possono essere migliorati i materiali?
4. Come userebbe i materiali nella sua classe? ( Ad esempio, come preparazione o come ripasso, per
lavoro in classe o per lavoro a casa, esposizione all’intera classe utilizzando un proiettore dati, o in un
aula computer dove ogni allievo ha l’accesso ad un computer, come sostituto dei libri di testo, o come
un aggiunta ai libri di testo).
5. Problemi:
-ha notato qualche mancanza nel software? (per favore fornisca una lista delle parti mancanti)
-ha notato degli errori nei contenuti fisici? (per favore fornisca una lista degli errori)
-ci sono state delle difficoltà particolari nell’utilizzo dei materiali?
106
Commenti degli studenti sui materiali
Intervista (Sudenti)
code number studente:
(Intervistatorer: registra età e sesso dell’intervistato).
1. Cosa hai imparato da questo lavoro sulla superconduttività utilizzando i materiali
SUPERCOMET2? Le risposte possono essere organizzate in questo modo:
-concetti
-leggi e formule
-diversi modi di rappresentazione
-abilità in laboratorio
-abilità relative all’utilizzo del software
2. Quali sezioni del corso ti sono piaciute di più? Perché?
3. Quali sezioni del corso ti sono piaciute di meno? Perché?
4. Cosa hai imparato da:
-discussioni
-lavoro in laboratorio
-lavoro al computer
-studiando a casa
5. Andiamo a rivedere qualche parte del lavoro che abbiamo fatto. L’insegnante seleziona una
sezione di un argomento e verifica il grado di acquisizione del contenuto specifico rivolgendo
allo studente delle domande specifiche.
Questionario (Studentei)
code number studente:
In order to help us improve the SUPERCOMET2 materials, please answer the following questions:
1
Maschio/ Femmina
2
Età :
In forte
disaccordo
3
4
5
6
In
disaccordo
Un po’
d’accordo
In forte
accordo
Ho trovato
interessante la fisica
Ho trovato
interessante
l’argomento
superconduttività
I materiali
SUPERCOMET2
sono interessanti
I materiali
SUPERCOMET2
stimolano la mia
immaginazione
107
Non so
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
I materiali
SUPERCOMET2
sono facili da usare
I materiali
SUPERCOMET2
sono attraenti
I materiali
SUPERCOMET2 mi
hanno aiutato ad
apprendere
I materiali
SUPERCOMET2
offrono delle
esperienze
significative
La quantità di testi
contenuti in
SUPERCOMET2 è
sufficiente
I testi contenuti in
SUPERCOMET2
sono facili da leggere
e da capire
La quantità di
immagini contenute
in SUPERCOMET2 è
sufficiente
Le immagini
contenute in
SUPERCOMET2
sono chiare e
comprensibili
Le immagini
contenute in
SUPERCOMET2
spiegano bene
l’argomento
La grafica delle
pagine nel materiale
SUPERCOMET2 è
buona
Il movimento delle
animazioni nel
materiale
SUPERCOMET2 e la
velocità dei cambi di
schermate sono
buone
Le animazioni
contenute nel
materiale
SUPERCOMET2 mi
hanno aiutato a
capire
Ho trovato delle
sorprese tra le cose
offerte dal materiale
108
20
21
22
23
24
25
SUPERCOMET2
I materiali
SUPERCOMET2
hanno promosso le
discussioni in classe
Il materiale
SUPERCOMET2 ha
cambiato il mio
atteggiamento di
fronte a certe cose
Gli sperimenti svolti
nel corso sulla
superconduttività
erano interessanti
Quali parti del corso sulla superconduttività usando il materiale SUPERCOMET2 ti sono
piaciute di più e sono state facili da usare?
Pensi che hai imparato di più usando il materiale SUPERCOMET2? Fornisci delle ragioni alle
tue risposte
Elenca due cose che pensi siano state buone riguardo al materiale SUPERCOMET2.
A
B
26
27
28
29
30
Elenca due cose che pensi non sono state buone riguardo al materiale SUPERCOMET2.
A
B
Raccomanderesti l’utilizzo del materiale SUPERCOMET2 ad altri allievi? Fornisci delle
ragioni alle tue risposte
Cosa dovrebbe essere cambiato/migliorato nei materiali SUPERCOMET2?
Per utilizzare i materiali SUPERCOMET2 pensi che servano delle conoscenze specifiche
d’informatica?
Fornisci delle ragioni alle tue risposte
Per utilizzare i materiali SUPERCOMET2 pensi che servano delle conoscenze specifiche di
scienza?
Elenca le aree dove si ha bisogno di conoscenza.
Fornisci delle ragioni alle tue risposte
Hai qualche altro commento circa i materiali SUPERCOMET2:
Grazie per le tue risposte!
109
Osservazione di classe
Dati sulla classe
Generali
Codice:
Scuola:
Classe:
Numero di allievi coinvolti:
Storia
La classe è coinvolta in altri progetti futuri?
La classe è stata coinvolta in altri progetti in precedenza?
Quale era il programma d’insegnamento in uso prima di questo progetto?
Quali argomenti di fisica sono stati fatti prima di questo progetto?
Insegnante
Quale è il livello della didattica in fisica dell’insegnante?
Quale è il livello nell’uso delle TIC o l’esperienza nell’uso
delle TIC dell’insegnante?
Allievi
Quale è il livello medio della classe?
Come descriverebbe il loro impegno di studio?
Come descriverebbe i risultati che hanno raggiunto sinora?
Quale è il livello di esperienza degli allievi nell’utilizzo delle TIC ?
Quale è il livello di interesse per la fisica?
Insegnamento
Utilizzo del laboratorio
Frequenza (percentuale totale delle ore in laboratorio)
Procedura:
In piccoli gruppi
Dimostrazioni dalla scrivania del docente
Apparecchiature da laboratorio utilizzate:
%
%
%
Tecniche di insegnamento
Lezioni frontali
Discussioni (libere o facilitate)
Laboratori
Soluzione collettive di problemi
Lavoro in piccoli gruppi
Lavoro al computer
Prove orali
Altri strumenti di verifica (specificare)
Altro (specificare)
%
%
%
%
%
%
%
%
%
Utilizzo del computer in classe
Frequenza (percentuale totale di ore)
Procedura:
%
110
In piccoli gruppi
Dimostrazioni
%
%
Simulazioni (specificare)
Programmazione
Foglio di calcolo
Registrazione di dati
Utilizzo di ipertesti/multimedia (specificare)
Sviluppo di ipertesti/multimedia
Altro (specificare)
%
%
%
%
%
%
%
Software:
Osservazione della lezione in classe
Generali
Codice della classe:
Codice del docente:
Codici degli allievi:
Numero di allievi presenti:
Tempo assegnato:
Accesso ai computer (numero dei computer, ecc.):
Data:
Obiettivi della lezione (argomento)
Per favore descrivere brevemente gli obiettivi della lezione, gli argomenti che si
Svolgeranno, e gli obiettivi di apprendimento.
Procedura
Fornire una breve descrizione del tipo di lavoro svolto durante la lezione (per favore
annotare il tempo che richiede ogni attività quando questa supera i 10 minuti)
Indicare l’utilizzo di presentazioni, discussioni, esperimenti in laboratorio, moduli
dei cd, e altri materiali (opuscoli, libri di testo, e multimedia) forniti agli allievi
Si presentano qui le tre griglie che possono aiutare a registrare ciò che succede in classe:
Attività con il computer
Osservazione
Valutazione dell’intensità di utilizzo
+++
++
+
-
Gli allievi chiedono
all’insegnante
Riguardo al
computer
Riguardo al
multimediale
Altro
Gli allievi chiedono Riguardo al
ai compagni
computer
Riguardo al
multimedia
Altro
Gli allievi non chiedono
Strategie di problem solving
111
--
---
Osservazione
+++
++
Valutazione dell’intensità di utilizzo
+
-
--
---
scrivono
(carta,
penna,
matita,ecc.)
utilizzano
l’aiuto dei
materiali di
supporto
prendono
appunti
Atmosfera di Classe
Calma
Tesa
Individuale
Di gruppo
Rumorosa
Tranquilla
Gradevole
Sgradevole
Buona
Cattiva
Noiosa
Divertente
Problems
If problems occurred, then please describe them, and what action was taken to overcome them.
General Observations/Evaluation
Were the materials motivating and did they keep the pupils’ attention? Which parts did they
enjoy most?
Did the pupils understand the materials? Indicate any area they had particular difficulty with, or
where they asked for additional explanations.
How did the pupils respond to the animations?
How satisfied were you as a teacher with the lesson? Give reasons for your answer.
Any other comments?
112
Osservazioni in classe – Relazione finale dell’insegnante
Codice dell’insegnante:
Codice della classe:
Alla fine del progetto, l’insegnante dovrà compilare una relazione finale. Questa può essere fatta nella
forma che l’insegnante desideri, ma gli si chiederà di includere nella relazione i seguenti punti:
Una valutazione del materiale impiegato:
Il loro utilizzo era semplice?
Erano effettivamente compresi dagli allievi?
Il tempo pianificato per ogni attività era appropriato?
La difficoltà concettuale dei materiali era adeguata per il livello degli allievi?
Ci sono stati dei problemi (per favore specificare se ci sono stati dei problemi con
l’utilizzo dei moduli del cd)?
Fornire una valutazione sintetica e soggettiva, indipendentemente dei risultati delle possibili prove, su
come lo studio sia stato utile sia per scopi specifici (ad esempio, la comprensione dell’induzione
elettromagnetica) che per scopi più generici (coinvolgimento, comprensione dell’utilizzo dei modelli,
sviluppo di atteggiamenti positivi verso la materia, ecc.)
Se ci sono state delle difficoltà, come sono state risolte?
Ci sono stati dei collegamenti con altri argomenti di fisica o con altre materie?
Come si sono comportati gli allievi nel corso del progetto, erano interessati, desiderosi, critici
(confrontando ciò col loro normale comportamento al di fuori di questo progetto); hanno lavorato bene
insieme? Ci sono state delle situazioni nel corso del progetto nelle quali il comportamento dei singoli
allievi era chiaramente diverso (sia in modo positivo che negativo) dal loro comportamento normale?
Per favore fornisca qualsiasi altro commento (sia specifico che generico) riguardo ai materiali, e
proporre dei suggerimenti su come questo possa essere cambiato o migliorato.
Per favore, concluda dicendoci brevemente se lei pensa che il lavoro svolto sia stato di utilità, oppure
se lei pensa che i costi per questo progetto potevano essere impiegati in un modo più tradizionale.
113
Ulteriori risorse
Books on Superconductivity
Annett, F. J. (2004)
Superconductivity, superfluids and condensates, Oxford, OUP
Buckel, W. and R. Kleiner (2003).
Superconductivity: fundamentals and applications. Weinheim, Wiley.
Evetts, J., Ed. (1992).
Concise Encyclopedia of Magnetic & Superconducting Materials. Advances in materials
science and engineering.
Oxford, Pergamon.
Fossheim, K. and A. Sudbo (2004).
Superconductivity: Physics and Applications.
John Wiley & Sons.
Rose-Innes, A. C. and E. H. Rhoderick (1978).
Introduction to Superconductivity.
Oxford, Pergamon.
Tinkham, M. (1996).
Introduction to Superconductivity.
New York; London, Mc Graw Hill.
Vidali, G. (1993).
Superconductivity: the next revolution?
Cambridge, Cambridge University Press.
Risorse in Web sulla Superconduttività
http://superconductors.org – Superconductors.org è un sito web non-profit, non-affiliato che
vuole introdurre principianti e persone non-tecniche nel mondo dei superconduttori.
http://superconductors.org/Links.htm – Vasto elenco di link sulla sperconduttività dallo stesso
sito .
http://www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html – Una Guida per
l’insegnante sulla superconduttività per studenti di scuola superiore prodotta da Oak Ridge
National Laboratory
http://www.physicscentral.com/action/2001/supcon.html – Breve introduzione alla
supercondutività di Physics Central .
http://physicsweb.org/bestof/superconductivity – Il meglio
dei web di fisica prodotto dall’ Institute of Physics.
http://hypertextbook.com/physics/modern/superconductivity/ – breve manuale di
superconduttività
114
115
Materiali Online per l’insegnamento della Superconduttività
http://www.psigate.ac.uk/ – Physics sciences information gateway
http://www.practicalphysics.org – sito web per insegnanti per scambiare esperimenti.
http://www.teachingphysics.iop.org – l’ Institute of Physics fornisce un certo numero di utili
materiali per l’insegnamento della fisica, compreso di superconduttività.
Materiali e Kit dimostrativi di Superconduttività
http://www.superconductors.org/Play.htm fornisce una lista internazionale di fornitori di kit per
le dimostrazioni, soprattutto in US.
Referenze sull’uso delle TIC nell’insegnamento delle scienze
Barton, R., Ed. (2004). Teaching Secondary Science with ICT. Learning & Teaching with
Information & Communications Technology. Maidenhead and New York, Open University Press.
Fullick, P. (2004) : Knowledge building among school students working in a networked computer
supported learning environment. Southhampton 2004. http://www.soton.ac.uk/~plf/rsch1.htm
Osborne, J. and S. Hennessy (2003). Literature Review in Science Education and the Role of ICT:
Promise, Problems and Future Directions, NESTA Futurelab.
http://www.futurelab.org.uk/resources/documents/lit_reviews/Secondary_Science_Review.pdf
http://schools.becta.org.uk/ Becta’s one-stop shop aimed at school practitioners offe-ring a wide
range of information, advice and guidance on using ICT.
http://www.leggott.ac.uk/pdfs/awards/ICTinsupport.pdf fornisce una buona rassegna sull’uso delle
TIC come supporto per l’insegnamento delle scienze
vedi anche :
Newton, L. R. and Rogers, L. (2001) Teaching Science with ICT, London, Continuum
Wellington, J and Ireson, G (2007) (capitolo 7) Science Learning, Science Teaching, London,
Routledge
Altre referenze usate nella Guida per l’Insegnante
Institute of Physics (2004), The post-16 Initiative. Radical, forward looking initiative by the Institute
of Physics, shaping and developing physics for all involved post-16.
Wellington, J. (2004). Multimedia in science teaching. Teaching Secondary
Science with ICT. R. Barton. Maidenhead; New York, Open University Press.
European Commission, Directorate-General for Research, Information and Communication Unit
(2007) : The Rocard Report on Science Education.
http://ec.europa.eu/research/science-society/document_library/pdf_06/report-rocard-on-scienceeducation_en.pdf
116