Provando e Riprovando - CERN Teacher Programme 31 Agosto 2017 Sonia Natale - idee per esperimenti a scuola - CERN Indico
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Provando e Riprovando
idee per esperimenti a scuola
CERN Teacher Programme
31 Agosto 2017
Sonia Natale
Osservare, cercare, guardare, interrogarsi, sperimentare,
scoprire, imparare, toccare, annusare, assaggiare, ascoltare,
pensare, capire, provare, sbagliare, riprovare, immaginare,
stupirsi, condividere, parlare, discutere, crescere………
…….soprattutto………
………….suscitare la curiosità, stimolare lo spirito di
osservazione, far nascere nello studente l’entusiasmo per la
ricerca ed il desiderio di scoprirete leggi che sono alla base
dei fenomeni naturali…..
…..a questo deve servire la parte sperimentale di un corso di
fisica nella scuola!
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 2
Alcune idee…….. Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 3
Esperimento n.1: Costruirsi un motore elettrostatico
MATERIALE NECESSARIO:
1. 1 piatto di plastica;
2. 2 bicchieri di plastica;
3. 2 cannucce da bibita;
4. Nastro adesivo;
5. Chiodini metallici;
6. Filo elettrico;
7. Generatore d.d.p. (una batteria);
COME EFFETTUARE L’ESPERIENZA:
Su un piatto di plastica posizionare i due bicchieri di plastica tenuti
uniti con due pezzetti di nastro adesivo, le due cannucce per bibite e
alcuni chiodini a spillo.
Al centro delle basi dei bicchieri due chiodini fanno da perno con il
piatto e con le cannucce.
Applicando una d.d.p. alta fra le due file di chiodini, i bicchieri si
pongono in rotazione.
LINK: http://www.pegna.com/page008.htm
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Esperimento n.2: Costruirsi un coherer
MATERIALE NECESSARIO:
1. Tubetto di plastica ricavato da una penna a sfera;
2. Due viti di acciaio inox 6mm di diametro;
3. Limatura di ferro;
4. Filo elettrico;
5. Una pila da 3V;
6. Un diodo LED;
7. Un accendigas;
COME EFFETTUARE L’ESPERIENZA:
Questo è il primo rivelatore di onde elettromagnetiche conosciuto. Fu usato da Marconi nei suoi primi esperimenti di
trasmissione a distanza per mezzo delle onde elettromagnetiche.
Inserito in un circuito con una pila da 3 V e un diodo LED, il coherer non conduce, ed il LED è spento. Ma ad ogni
scintilla dell'accendigas piezoelettrico che scocchi nelle vicinanze, il coherer diventa e resta conduttore, e il diodo LED
si accende. Per ripristinare lo stato di non conduzione basta dare un colpetto al coherer.
Se si collegano i due poli sia del trasmettitore (accendigas), che del coherer, rispettivamente ad una antenna di qualche
metro e ad una presa di terra si può trasmettere un segnale radio a una trentina
di metri di distanza.
LINK: http://www.pegna.com/page008.htm
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Esperimento n.3: A caccia di micrometeoriti
MATERIALE NECESSARIO:
1. Una o più vaschette di plastica per una superficie totale di circa 1 metro quadro;
2. Un paio di aghi da cucito;
3. Una calamita;
4. Un sacchetto di plastica trasparente;
5. Un comune microscopio ottico del tipo di quelli usati in biologia;
6. Acqua distillata;
7. Una pentola e un fornello;
COME EFFETTUARE L’ESPERIENZA:
Per cercare queste microscopiche palline, particelle quasi perfettamente tonde che come abbiamo
detto possono essere “ferrose” o “vetrose”, si può prelevare il materiale raccolto nei pozzetti di
scarico delle acque piovane delle grondaie, oppure mettere sul terrazzo un’apposita “trappola”.
In pratica, si tratta di porre all’aria delle bacinelle di plastica pulite con una superficie esposta di
circa un metro quadrato. Le si lasciano fuori finché non si riempiono di pioggia, oppure le riempiamo
noi di acqua distillata lasciandole all’aperto per alcuni giorni. Il periodo migliore per raccogliere
micrometeoriti è quello degli sciami meteorici.
LINK: http://www.funsci.com/fun3_it/meteoriti/meteoriti.htm#1
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Esperimento n.4: Costruirsi un telescopio
MATERIALE NECESSARIO:
1. anellino per fermare posteriormente la lente oculare;
2. anellino di centraggio dell'oculare;
3. oculare: lente da 20-50 mm di focale. Potete acquistarla presso un ottico oppure un fotografo. Può essere anche
ricavata dall'obiettivo di una macchina fotografica "usa e getta". Chiedete al vostro fotografo di tenerne da parte
qualcuna per voi: non vi costeranno nulla;
4. anello per fermare anteriormente la lente oculare;
5. tubo di cartone o di plastica per l'oculare. Il suo diametro interno deve essere tale da contenere la lente oculare. Questo
tubo si trova facilmente in casa, in una confezione di pellicola per alimenti, sacchetti per freezer, foglio di alluminio,
ecc... Da un tubo come questo potete ricavare anche gli anelli 1, 2 e 4 che servono a posizionare la lente oculare;
6. manicotto di raccordo fra il tubo oculare e quello principale. Può essere realizzato con compensato. Tagliate una serie
di dischi forati al centro che incollerete con vinavil. Rifinite con una lima. Questo manicotto deve rimanere inserito a
forza nel tubo principale, ma deve permettere al tubo oculare di scorrere per effettuare la messa a fuoco;
7. tubo principale. Usate un tubo di cartone o di plastica per fogli da disegno, del diametro di 60 mm. La sua lunghezza
deve essere circa pari alla focale dell'obiettivo;
8. obiettivo. Potete utilizzare una comune lente per occhiali da 500-1000 mm di focale. Potete acquistarla presso un
ottico. Chiedete all'ottico di ridurne il diametro in modo che si adatti esattamente sul fondo del tappo del tubo da
disegno;
9. diaframma. Ritagliatelo da un cartoncino nero. Al centro, praticate un foro di 15 mm circa di diametro;
10. tappo del tubo per fogli da disegno. Utilizzatelo per fermare l'obiettivo e il diaframma. Praticate in esso un foro di
alcuni millimetri più piccolo della lente.
LINK: http://www.funsci.com/fun3_it/cann/cann.htm
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Esperimento n.5: « Rolling with Rutherford »
MATERIALE NECESSARIO:
1. 6 biglie di vetro della stessa dimensione;
2. un tavolo orizzontale sufficientemente lungo;
3. modelli di carta da stampare (https://quarknet.i2u2.org/sites/default/files/rwr_template_1.pdf);
4. Nastro adesivo;
5. Post-it.
OBIETTIVI:
1. Descrivere il processo usato da Rutherford per determinate la dimensione del
nucleo atomico;
2. Applicare semplici leggi di probabilita’ a dati sperimentali;
3. Usare misure indirette per determinare proprieta’ difficili o impossibili da trovare
altrimenti;
4. Creare un istogramma.
COME EFFETTUARE L’ESPERIENZA:
1. Ogni gruppo dispone di 3 copie del modello e 6 biglie (vedi fig.);
2. Ogni studente effettua 10 lanci e tutti i lanci sono contati;
3. I lanci devono essere eseguiti senza voler colpire intenzionalmente il bersaglio;
4. Per ciascun studente il risultato di quante volte un bersaglio e’ stato colpito viene
riportato sull’istogramma usando i post-it (vedi fig.)
LINK: https://quarknet.i2u2.org/data-portfolio/activity/rolling-rutherford
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Esperimento n.6: « Quark Workbench »
MATERIALE NECESSARIO:
1. Tavoli di lavoro;
3. Modelli di carta da stampare (https://quarknet.i2u2.org/sites/default/files/quarkpuzzleparts.pdf);
4. Forbici;
5. Plastificatrice (opzionale).
OBIETTIVI:
1. Identificare le particelle fondamentali nella struttura del Modello Standard (M.S.);
2. Descrivere le proprieta’ dei quark (incluso colore, spin e carica);
3. Descrivere il ruolo dei quark nel formare le particelle presenti nel M.S. ;
4. Stabilire le regole di combinazione dei quark per formare barioni e mesoni;
5. Descrivere il ruolo di una descrizione scientifica provando che l’M.S. risponde a
tali criteri;
6. Descrivere l’importanza delle leggi di conservazione nella formazione delle
particelle composte da quark.
COME EFFETTUARE L’ESPERIENZA:
1. Ogni studente deve cercare di formare quanti piu’ stati permessi possibili (uno stato
permesso e’ una figura chiusa);
2. Occorer fornire agli studenti alcune « regole del gioco »:
https://quarknet.i2u2.org/sites/default/files/quarkworkbenchteachers_0.pdf;
LINK: https://quarknet.i2u2.org/data-portfolio/activity/quark-workbench
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Scienza e Design al CERN Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 10
CMS Create
Team 2
Team 1
Team 3
Team 4
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 11Welcome to
the CMS « Particle Hunter Game »
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 12THE BASIC IDEA
1) To use balls instead of arrows to hit the target;
2) To associate target locations to physical processes;
3) To be played individually or in teams;
4) To keep trace of trials for interpretation;
5) To be amusing and competitive.
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 13FEATURES
displays
Set-up:
R
R E
1) Solid structure;
U S
L U 2) Easy to move around;
E L 3) Easy to be reproduced;
S T 4) Easy to be repeared.
S S
Goals:
Welcome 1) Rely physics with the
message
common experience;
2) Make physics amusing;
3) Make people sharing their
ideas in guessing the results.
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 14EDUCATIONAL GOALS (1)
EACH PHYSICAL PROCESS HAS A PROBABILITY TO HAPPEN
• Lots of particles can be produced by proton-proton collisions.
Each combination of particles is called EVENT and you will see it as a
1.
•
group of tracks coming from the same point.
• Each event has its own probability to happen.
• An Higgs boson event is rarer than others and this is why it is associated
to the central target of our game.
SAME GROUP OF TRACKS CAN ORIGINATE FROM DIFFERENT PARTICLES
2.
• Many times CMS physicists visualise inside the detector
similar events (containing the same groups of particles) but coming from
different original particles.
• A Higgs boson can appear as two tracks A and B but also other particles
give the same picture in the CMS detector.
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 15EDUCATIONAL GOALS (2)
MANY COUNTS TO CONFIRM A DISCOVERY
3.
• In order to claim for the discovery of a new particle CMS physicists need
to visualise it many times inside the detector.
• They needed few years to collect enough Higgs boson EVENTS to be sure
they were dealing with a new particle.
• This is why we provided our game with a cumulative counter.
MAGNETIC FIELD EFFECT
A magnetic field can bend the path of the tracks associated to a particle.
4.
•
• CMS physicists use this feature to detect specific characteristics of a
particle as the sign of the charge (positive or negative) and the « energy ».
• Our game can show you the magnetic field effect just selecting the button
ON/OFF.
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 16IN PRACTICE Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 17
THE “Welcome Message”
student
Dear Visitor,
thank you for choosing the
CMS Particle Hunter Game
as your tutor for learning how CMS physicists visualise
particles coming from LHC proton-proton collisions.
Our project was inspired by a dartboard.
We are committed to provide you with simple examples
without loosing the scientific rigour.
Our goal is you
learn enjoying and enjoy learning.
GOOD LUCK !!!
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 18RULES to run the game (1)
1. Select the magnet button OFF;
2. Grab the soft ball in your hand;
3. Reach the indicated launch position (cross on the floor);
4. Throw the ball trying to hit one of the 3 targets (n.1,n.2,
n.3) in the center of the game panel;
5. Select now the magnet button ON and repeat points 2 4.
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 19RULES to run the game (2)
WHAT HAVE YOU SEEN ON THE GAME PANEL?
WHAT CAN YOU LEARN FROM IT?
1. Each time you hit one of the three targets you light up LEDs representing
particle tracks inside an EVENT ;
2. If the magnet is OFF you get straight tracks while if it is ON you can get bent
tracks;
3. The cumulative counter keeps the memory of how many hits the target received.
As the central target n.1 is very small you will see a low number on the counter.
This number increases with the size of the target (easier to hit target n.2 and
event more easier to hit target n.3).
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 20COMMENTS
1) the original idea of build a « flipper » instead of a dartboard;
2) possible upgrades of the game:
a) associate to the event counter a display showing distributions
of the hits……this visualise the probability in a graphical way.
b) implement a side view of the detector which works at the
same time of the transversal one to give the visitor:
- a complete view of what physicists get in the detector:
- to show that events appearing to be the same in the
transversal view (having the same picture) can be
disentangled combining the information coming from the
side view (they will have different pictures in this
projection).
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 21Concludendo….. Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 22
….una semplice ma importante riflessione…
Lo studio della fisica può diventare una sfida
intellettuale appassionante e divertente, uno studio che
sviluppa l’attitudine verso l’originalità ed insegna a
risolvere problemi per i quali non esistono soluzioni
predeterminate.
Perché allora i giovani disertano le facoltà
scientifiche?
Se è vero che il numero di ragazze che si iscrivono alle
facoltà scientifiche è di gran lunga inferiore a quello
dei ragazzi, è anche vero che sono proprio le ragazze a
registrare un rendimento migliore e ad arrivare più
facilmente alla laurea.
Le doti fondamentali per chi vuole fare fisica sono
l’attitudine ad esplorare e la capacità di astrazione.
Gli insegnanti delle scuole, dalle elementari alle
superiori, hanno l’enorme responsabilita’ di interessare
gli studenti alle discipline scientifiche.
Sonia.Natale@cern.ch - Italian Teachers Programme , CERN 31 Agosto 2017 23Puoi anche leggere
