Linee di scienza

Due miei studenti di terza liceo scientifico hanno portato in laboratorio di fisica un esperimento molto interessante. Materiali necessari – o forse sarebbe meglio dire “ingredienti” :-)  – acqua e amido di mais (nella proporzione rispettivamente di 10 : 1) o anche fecola di patate e un contenitore di vetro o plastica. Si versa l’amido di mais nell’acqua e lo si mescola piano con un cucchiaio fino a quando non si è addensato. Poi si parte. Se si immerge un dito pian pianino, si ha la sensazione di entrare in un liquido, come d’altronde ci si aspetta. Se invece si “pigia” forte o si dà un vero e proprio colpo con il dito o con due o tre dita (sorpresa!) si troverà una superficie non più liquida ma “gommosa” con una consistenza solida. Insomma, ho provato anch’io per la prima volta nella mia vita, lo confesso… (anche se avevo già visto un exhibit a ScienzaUnder18, ma solo visto, senza provare) e lo stupore è stato grande. Sembrava di colpire una superficie solida, come se il liquido si fosse trasformato sotto i nostri occhi.
Gli studenti hanno preparato una breve presentazione alla classe (con Prezi) per illustrare lo strano comportamento e la sua spiegazione teorica. I fluidi che si comportano così sono detti non newtoniani.

Se volete trattare l’argomento in classe suggerisco di fare come ho fatto io e cioè di lasciare completa libertà di azione ed espressione agli studenti: non solo li responsabilizza e li gratifica, ma fa emergere capacità e crea competenze che difficilmente emergono durante la classica interrogazione. Perché, dimenticavo: ovviamente la presentazione e l’esperimento facevano parte dell’approfondimento che concorre al voto dell’interrogazione. Nel mio caso anche l’argomento è stato scelto liberamente dagli studenti, previa mia approvazione alla loro proposta.
Però non è detto che questo sia l’unico modo di portarlo in classe, perché in effetti anch’io altre volte ho portato un’esperienza da far vedere a tutti, quindi si può benissimo entrare un giorno in classe con una bella scatola di amido di mais e iniziare a mescolare!
Importantissimo che tutti gli studenti (anche se sono 30) provino di persona: devono sentire, “esperire”, rimarrà per sempre nella memoria lo sconcerto per la stranezza del fenomeno. La meraviglia d’altronde è alla base di ogni scoperta scientifica, no? E anche il gioco è fondamentale per vivere a pieno la scienza. Il passo in più che si compie a scuola è l’analisi razionale, la modellizzazione, il tentativo di trovare una risposta oggettiva al fenomeno scoperto e di farla propria, accettandola e anche memorizzandola.

Dopo la “fase 1” di presentazione dell’esperienza, si passa dunque alla “fase 2” di analisi e spiegazione:

Abbiamo osservato che

• Se si mescola con il cucchiaio lentamente, si comporta “normalmente” (come fa per esempio l’acqua), ma se si mescola più velocemente, il fluido oppone sempre più resistenza, fino al punto di rendere impossibile il mescolamento: questo vuol dire che la sua viscosità (cioè l’attrito interno) aumenta con l’aumentare della velocità con cui si gira il cucchiaio. Una volta tolto il cucchiaino però il fluido ritorna “liquido” come prima.
• In maniera analoga se lo si comprime forte, si possono realizzare delle “palle” solide, ma che poi lasciate a se stesse si sciolgono in mano. Questo vuol dire che il fluido si comporta da “solido” solo se è sotto una data pressione abbastanza forte; alla pressione atmosferica resta liquido.
• Se si immerge piano un corpo, il fluido lo lascia passare; se si immerge lo stesso corpo in maniera “violenta”, il fluido oppone resistenza. Se si esce dal fluido piano “va tutto bene” mentre se si estrae velocemente il corpo (come la mano o un dito) il fluido resta attaccato al corpo e ne impedisce il movimento: in questo video al minuto [2:12] si può vedere che addirittura la mano quando tenta di uscire trascina con sé la bacinella! Al minuto [3:30] si vede come un corpo cadendo dall’alto viene fermato, mentre se immerso piano non incontra resistenza.

Spiegazione: i fluidi non newtoniani cambiano la propria “resistenza” al variare della velocità con la quale sono “mescolati”: la loro viscosità dipende dalla “forza” alla quale sono sottoposti. Più in particolare, la causa è lo “sforzo di taglio” e cioè la tensione tangenziale provocata dalla differenza di velocità fra gli strati vicini del fluido. Dal punto di vista microscopico questi fluidi non sono omogenei e presentano particelle in sospensione che possono disporsi in maniera più o meno ordinata a seconda della sollecitazione alla quale è sottoposto tutto il sistema e formare fra loro legami che impediscono lo scorrimento di uno stato sull’altro, dando al fluido un comportamento da “solido”. Si veda anche la spiegazione di Marcello Guidotti.

Applicazioni: nell’industria farmaceutica sono usati nella preparazione di emulsioni e unguenti; sono stati studiati per realizzare giubbotti che si irrigidiscono al momento dell’urto…

Considerazioni filosofiche: una mia personale riflessione è stata la seguente: siamo in presenza di una manifestazione macroscopica di qualcosa che si comporta in tempo reale in maniera diversa a seconda di come viene “interrogato”. Se mi avvicino piano è un liquido, altrimenti è un solido. Non ho potuto non pensare al comportamento onda/particella di un elettrone o di un fotone che, a seconda dell’esperimento, si comportano come un’onda o come una particella. E i fluidi non newtoniani fanno proprio così: manifestano un comportamento di interazione con l’osservatore simile a quello quantistico. Cosa ne pensate? Ho azzardato troppo?

Link:

Pagina con tutti i video di youtube sull’argomento;

Una sintesi a cura degli studenti del Liceo Scientifico Statale “Banfi” di Vimercate.

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Ogni anno quando spiego il Sistema Internazionale di misura c’è qualche novità.

L’ultima notizia è uscita su Le Scienze l’11 di questo mese: un nuovo orologio atomico potrebbe portare a “a una nuova definizione del chilogrammo”! Quando l’ho detto in classe gli studenti hanno sbarrato gli occhi abbastanza increduli e io ho promesso loro di cercare di capirne qualcosa e di preparare una lezione sullo stato dell’arte (aggiornato) delle definizioni delle unità di misura fondamentali. Ecco che cosa ho prodotto:  

Il Sistema Internazionale di misura (S.I.), introdotto a Parigi nel 1960, trae le sue origini dal sistema metrico-decimale, fondato nel 1795 sempre in Francia dall’Accademia delle Scienze che ebbe l’incarico di definire delle unità di misura standard per la lunghezza e la massa. Fino al ‘700 infatti in Europa, ogni regione si era dotata di una propria unità di misura, inconveniente che creava difficoltà soprattutto per gli scambi commerciali. L’Italia non faceva eccezione: ho parlato per esempio delle unità di misura dei Gonzaga a Mantova in questo post.  

Nel Sistema Internazionale sono state fissate sette grandezze fisiche fondamentali con le relative unità di misura. Vale la pena soffermarsi sulle prime tre: la lunghezza, la massa e il tempo (anche se per quanto riguarda le unità di misura di intensità di corrente, temperatura e mole, i ricercatori stanno lavorando a una loro ridefinizione che si riferisca a costanti fondamentali della Fisica, come si può leggere in questo post).

Lunghezza

La definizione dell’unità di misura della lunghezza come “metro” risale al 1799 e fu inventata ad hoc, come la 40 milionesima parte del meridiano terrestre (“metron” significa “misura”). Gli esploratori Jean-Baptiste Joseph Delambre e Pierre Méchain misurarono l’arco del meridiano di Parigi che collega l’equatore con il Polo Nord (un quarto cioè del meridiano), in modo tale che risultasse 10 milioni di metri: moltiplicato per quattro dava la lunghezza di tutto il meridiano. Questa definizione che si rifaceva alle caratteristiche del nostro pianeta ed era molto difficile da riprodurre è stata sostituita nel 1889 con la lunghezza di un campione di misura di platino-iridio conservato a Sèvres, presso Parigi.

Nel 1960 i ricercatori idearono una definizione di metro che si rifaceva a un fenomeno atomico riproducibile con accuratezza e precisione in laboratorio e in particolare a un multiplo della lunghezza d’onda emessa nel vuoto dall’atomo di kripton-86 quando passava da un particolare livello atomico a un altro (dal 2p10 al 5d5). Il metro risultava così essere 1 650 763,73 volte la lunghezza d’onda della radiazione emessa dal kripton.

Dopo l’invenzione del laser questa definizione è stata sostituita dall’attuale definizione che risulta più agevole perché si riconduce alla velocità della luce nel vuoto, che è costante. Come tutti i libri di testo riportano, il metro è stato ridefinito nel 1984 come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299 792 458 di secondo (essendo la velocità della luce nel vuoto circa 300 000 000 metri al secondo).

Per quanto riguarda l’unità di misura della lunghezza quindi possiamo concludere che “meglio di così non si può”: il metro è definito in maniera oggettiva (in quanto rimanda a una delle costanti fondamentali della natura come la velocità della luce nel vuoto c) e riproducibile abbastanza facilmente in laboratorio. I metrologi possono ritenersi soddisfatti e si augurano che questo possa succedere anche per le rimanenti unità di misura del S.I. Perché infatti non è ancora così.

Tempo

L’unità di misura del tempo è il secondo, inizialmente definito come la 86 400-esima parte del giorno solare medio (in un giorno ci sono 24 ore, in un’ora 60 minuti e in un minuto 60 secondi, quindi un giorno equivale a 24×60x60 = 86 400 secondi). Come la prima definizione di metro, anche quella di secondo era troppo vaga perché si affidava a un fenomeno riferito alle caratteristiche medie del nostro pianeta. Dalla definizione “astronomica” nel 1967 si è passati a quella “atomica”: un secondo è l’intervallo di tempo nel quale la radiazione emessa dall’isotopo 133 dell’atomo di cesio compie circa 9 miliardi di oscillazioni. Il secondo è l’unità di misura definita con maggiore accuratezza, dell’ordine di 10^(-14) – 10^(-15).  Gli orologi atomici sbagliano di un secondo ogni 30 milioni di anni.

La misura del tempo pone altri problemi, come gli effetti di ritardo sugli orologi atomici dovuti alla rotazione terrestre (si legga il seguente post).

Massa

Il chilogrammo, l’unità di misura della massa, inizialmente era definito come la massa di un litro di acqua distillata alla temperatura di 4 °C (perché l’acqua distillata si trova facilmente e a quella temperatura le sue condizioni sono molto stabili). Anche del kg, come per il metro, è stato realizzato un campione di platino-iridio conservato sotto vuoto spinto al Museo dei Pesi e delle Misure di Sèvres. Lo potete ammirare nella seguente immagine: è un cilindretto di diametro e altezza di 39 millimetri.

Dal 1901, la definizione del kg si basa dunque soltanto sul prototipo conservato a Sèvres. Questo fatto lascia insoddisfatti gli scienziati soprattutto per due motivi: il primo perché è una definizione che deve ricorrere a un manufatto umano e non a una costante fondamentale della natura e secondo perché ci si è accorti che purtroppo il campione di platino-iridio, nonostante tutte le precauzioni prese, si è deteriorato! Nell’ultimo secolo infatti, il kg è diminuito di quasi 50 microgrammi…

In classe porto sempre un po’ di articoli di giornale per supportare la notizia che il chilogrammo sia “dimagrito”. Quest’anno, grazie ai tablet, un mio studente ha velocemente fotografato quello del 2005, che così posso inserire qui di seguito (per vederlo meglio basta cliccare sull’immagine e salvarla):

Come si legge su wikipedia «È in corso uno sforzo per introdurre una nuova definizione di chilogrammo, per mezzo di costanti fondamentali o atomiche. Ciò allo scopo di renderla maggiormente precisa e realizzabile in ogni laboratorio specializzato». Vi sono svariate linee di ricerca in questa direzione: si cerca di riportare la definizione alla costante di Avogadro oppure a quella di Planck. La notizia di questo mese invece è che «L’unità di misura della massa potrebbe venire ricondotta a quella del tempo grazie a un nuovo orologio che è in grado di misurare la frequenza della cosiddetta “onda di materia” che può essere associata a ogni particella o atomo in virtù dell’equivalenza stabilita da Einstein fra massa ed energia» come riporta il seguente articolo su Le Scienze. Il gruppo di ricerca coordinato da Holger Müller dell’Università della California di Berkeley ha realizzato un orologio in grado di misurare la frequenza Compton di un atomo (per l’ipotesi di De Broglie ogni corpo dotato di massa può essere considerato anche come un’ onda di materia con una determinata frequenza). Questa frequenza è 10 miliardi di volte superiore a quella della luce e fino a ora era considerata impossibile da misurare; il gruppo di Berkeley ha sfruttato la  dilatazione relativistica del tempo che prevede che il tempo rallenti per un corpo accelerato a velocità prossime di quelle della luce e con un interferometro ha misurato questa differenza temporale in termini di frequenza di oscillazione della luce emessa dal cesio. Oltre alla definizione del secondo con una precisione di 7 parti per miliardo, si potrà quindi definire la massa grazie alla formula di Einstein (E = m c^2) combinata con quella di De Broglie (E = h f), m = h f / c^2. 

Esercizi

• Si consideri la formula che serve per ricondurre la massa alla frequenza di Compton f (citata alla fine del post) e si ricavino le unità di misura della costante di Planck h.
• Esegui le seguenti equivalenze fra unità di misura “non standard” riportandole al Sistema Intenazionale:  3 pinte = … m^3 ; 18 carati = …. kg; 7 miglia = …m.
• Gli orologi atomici: in che cosa consistono? Quando e dove è stato costruito il primo dispositivo?
• Dopo aver letto la pagina dedicata alle Unità anglosassoni (nel sito http://www.science.unitn.it/~labdid/sisint/si.html) compi una breve ricerca in rete ed spiega in che cosa consiste la cosiddetta “questione anglosassone”
• Quali sono le prove sperimentali del rallentamento del tempo per oggetti prossimi alla velocità della luce c?
• In Italia sono conservate ben quattro copie del campione del chilogrammo di Sèvres. Scoprite dove sono!

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Quando spiego un argomento in classe vorrei sempre avere del materiale pronto sulla ricaduta tecnologica oppure sullo stato attuale della ricerca scientifica in quel campo. Per esempio, per quanto riguarda il campo gravitazionale (e anche le onde) ho pensato di preparare una specie di “scheda” che approfondisca l’esperimenti Auriga di Legnaro in provincia di Padova.

Auriga ha lo scopo di rivelare le onde gravitazionali provenienti da sorgenti dell’universo e in particolare dal cosiddetto gruppo locale, come supernovae, stelle binarie, pulsar instabili e centri galattici attivi. Il rivelatore è costituito da una barra cilindrica lunga 3 metri in lega di alluminio, di 2,3 tonnellate, raffreddata a temperature “ultracriogeniche” e cioè bassissime (di soli 0,2 K) in grado di oscillare in modo tale da fungere da “antenna”. Se un’onda gravitazionale lo colpisce, il cilindro inizia a vibrare alla propria frequenza di risonanza che è di 1 kHz. Si tratta di una frequenza che il nostro orecchio può udire come un vero e proprio suono. Le onde gravitazionali sono però debolissime, nel senso che «se esplodesse una supernova nella nostra galassia, il cilindro sarebbe messo in vibrazione con un’ampiezza dell’ordine di un miliardesimo di miliardesimo di metro» (come si legge nell’articolo di Eugenio Coccia su “Asimmetrie”). Quindi per aumentare la sensibilità dello strumento è necessario isolarlo dal rumore esterno (come le vibrazioni sismiche e acustiche) e anche da quello prodotto dalla propria struttura atomica, il cosiddetto “rumore di fondo”, abbassandone la temperatura, visto che la temperatura è l’indice macroscopico del “rumore” microscopico dovuto all’energia cinetica media degli atomi. La piccolissima vibrazione della barra cilindrica viene convertita da un trasduttore capacitivo in un segnale elettrico, che è a sua volta misurato da un sensibilissimo dispositivo superconduttore a interferenza quantistica (Squid).

Onde gravitazionali

«La teoria della relatività generale di Einstein prevede l’esistenza di “onde gravitazionali”, ossia di campi gravitazionali che, come i campi elettromagnetici, si propagano nello spazio vuoto alla velocità della luce. Le onde gravitazionali provengono dalle regioni più interne di stelle e galassie e possono portare informazioni nuove sul comportamento della materia in tali regioni, finora insondate. Nel nostro universo, le sorgenti di onde gravitazionali più intense sono legate a fenomeni catastrofici, che emettono un’enorme quantità di energia: esplosioni di stelle che portano alle supernove, i nuclei galattici attivi, l’urto e fusione di due stelle di grande massa, le interazioni di buchi neri con la materia che vi cade dentro». (dall’articolo “Fisica sub-nucleare senza macchine acceleratrici a Legnaro”)
Può essere utile ascoltare il documentario della Rai Educational e i video di LinxMagazine con l’intervista a Carlo Bradaschia dell’Infn.
 

Le “news”

Ultimamente i giornali hanno parlato di Auriga (LaRepubblica 18/12/12, Scienza in rete 24/12/12) per indagare la natura dello spazio-tempo alle dimensioni della “lunghezza di Planck” (10-35 m) perché «la barra di Auriga è […] il sistema fisico ‘meglio localizzato’ che si sia mai realizzato». Insomma, Auriga è «l’oggetto più immobile del mondo» e grazie a questo “isolamento” potrebbe riuscire a captare la fisica delle “infime” dimensioni!
 

 Esercizi

• A partire da questo link a una pagina web dell’Infn, leggere le informazioni sugli esperimenti Explorer e Nautilus e realizzare due schede esplicative (tutto in lingua inglese).
• Un altro metodo per rivelare le onde gravitazionali è quello che utilizza interferometri (come negli esperimenti Virgo o Ligo). Preparare una breve relazione orale con la descrizione di un interferometro insieme alla su storia: da chi fu inventato? In quali esperimenti fondamentali è stato utilizzato? Sarebbe bello costruirne uno a scuola, come hanno fatto nel 2005 gli studenti del Liceo “Ulisse Dini” di Pisa (è tutto raccontato in un power point on line).

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Il 4 luglio scorso, proprio durante gli esami orali di quinta è uscita la grande notizia della prima rilevazione sperimentale del bosone di Higgs al Cern di Ginevra. Previsto a livello teorico nel 1964 dal fisico britannico Peter Higgs, il bosone è stato trovato da ben due esperimenti dell’Lhc (il Large Hadronic Collider) coordinati rispettivamente da Joe Incandela (esperimento Cms) e da Fabiola Gianotti (per Atlas).
Per avere la conferma definitiva dall’analisi dati di tutti i risultati sperimentali si dovrà aspettare fino a marzo 2013, però sto già pensando a come e quando parlarne in classe quest’anno, insieme a qualche esercizio.

1. La massa

Quando parlerò di massa, mi conviene impostare la lezione dicendo che forse il grande mistero della massa gravitazionale è stato svelato. Secondo il modello standard delle particelle elementari infatti, il bosone di Higgs sarebbe il responsabile di quella proprietà intrinseca dei corpi che chiamiamo “massa gravitazionale” e che fa sì che si attraggano l’un l’altro. Tutte le particelle dotate di massa subiscono forze di attrazione reciproca perché – dice la teoria del modello standard – si scambiano un tipo di particella, detta bosone di gauge, in maniera analoga allo scambio di fotoni che genera la forza elettromagnetica, a quello dei gluoni per la forza nucleare forte e dei bosoni W e Z per la forza nucleare debole. Il bosone di Higgs sarebbe la particella che si scambiano i bosoni di gauge per originare la propria stessa massa: insomma è la particella “finale” che dà ragione dell’attrazione gravitazionale di tutto il resto.

Esercizi:

1) Un esercizio qualitativo, da realizzare in maniera grafica (magari con prezi, che permette di ottenere zoom ogni genere) potrebbe essere quello di rappresentare la “riduzione delle forze fondamentali all’interazione di particelle”: forza elettromagnetica – scambio di fotoni, forza nucleare forte – gluoni e così via. Nello schema dinamico si potrebbero inserire anche elementi di testo che spiegano la natura di ogni interazione in modo tale da avere un quadro sintetico dell’argomento.

2) Per far luce sul problema della massa si può partire dalla lettura dell’articolo che avevo già segnalato qualche anno fa “Breve storia della massa” del professor Pasquale Tucci, che sottolinea la sostanziale differenza concettuale fra massa inerziale e massa gravitazionale. Si può poi realizzare in laboratorio una prova, misurando la massa sia in maniera dinamica (con un esperimento) sia in maniera gravitazionale (con la bilancia). Può essere utile l’articolo on line di Walter Bich dell’Inrim “Come si misura la massa” per la massa gravitazionale e la pagina web sulla massa inerziale a cura dell’ Infn di Bari, che contiene anche un’applet interattiva per spiegare il metodo di misura della massa tramite il rapporto delle velocità di due carrellini dopo l’urto.

Molto interessante anche il metodo proposto da Giacomo Torzo e Barbara Pecori dell’Infm di Padova per misurare la massa inerziale e gravitazionale tramite i rimbalzi di un pallone (lo trovate a questo indirizzo).

L’articolo di Tucci si conclude così: «Il Modello Standard delle particelle elementari dà conto dell’origine della massa in maniera nuova e coerente. La massa, infatti, nascerebbe dall’interazione delle particelle con un campo quantomeccanico, il campo di Higgs; per confermare questa interpretazione sembrerebbe mancare all’appello solo un tassello: la particella associata all’omonimo campo, il bosone Higgs».
Un altro modo per introdurre la notizia quindi è quello di parlarne quando si affronta il concetto di campo, come modificazione delle proprietà dello spazio.

2. Il campo

Nel blog Keplero di Amedeo Balbi, astrofisico e ricercatore del Dipartimento di Fisica dell’Università Tor Vergata di Roma, si legge: «La modifica al modello elettrodebole proposta da Salam e Weinberg, e basata sul meccanismo di Higgs, prevede l’introduzione di un nuovo campo fondamentale che pervade tutto lo spazio: il campo di Higgs, a cui è associata una nuova particella, il bosone di Higgs (un po’ come al campo elettromagnetico è associato il fotone). È proprio il campo di Higgs a fornire la chiave per la rottura di simmetria dell’interazione elettrodebole e a spiegare perché le particelle hanno massa. Ad alte energie (come quelle presenti nell’universo primordiale) il campo di Higgs è simmetrico, l’interazione elettromagnetica e quella debole sono unificate, e tanto i bosoni W e Z che il fotone sono privi di massa. A basse energie (come quelle dell’universo attuale) non soltanto l’interazione elettromagnetica e l’interazione debole appaiono distinte, ma si altera anche la simmetria del campo di Higgs: ed è così, attraverso l’interazione con il campo di Higgs non più simmetrico, che i bosoni W e Z acquistano una massa, mentre il fotone ne resta privo».

La prima attività che mi “sorge spontanea” è proprio quella di assegnare la lettura del post di Balbi a qualche studente volenteroso che poi lo relazioni a tutta la classe in un breve seminario, anche per svelare e spiegare il nuovo concetto di “rottura di simmetria”. Balbi è un ottimo divulgatore, gli studenti non dovrebbero avere problemi nel leggerlo.
Apro una piccola parentesi sulla utilità di simili operazioni didattiche: ho provato in prima persona solo all’Università il valore e la soddisfazione di presentare un seminario ai miei colleghi e studenti. La prima volta è stato in occasione dell’esame di quarto anno di “Teoria dei sistemi” del professor Mussio: prima di sostenere l’esame abbiamo dovuto relazionare in classe un articolo; nello specifico era un articolo di Francisco Varela su Automi cellulari e sistema immunitario! Eravamo in tre e ci siamo divisi il compito: ho lavorato giorni e giorni per cercare di capire ogni singolo passaggio e poi per cercare di esporlo nella maniera più concisa e comprensibile: alla fine è stata un’esperienza faticosa ma molto gratificante (abbiamo anche realizzato al computer una simulazione, insomma proprio un bel lavoro dal punto di vista pedagogico e scientifico). Durante la stesura della mia tesi di Laurea ho lavorato alcuni mesi al Dipartimento di Informatica del prof. Gianpiero Cattaneo che ogni giovedì o venerdì pomeriggio (la memoria non mia aiuta, è passato un bel po’ di tempo!) ci faceva esporre gli articoli più recenti che riguardavano il campo di ricerca del quale ci occupavamo. Ci si riuniva tutti in una saletta e poi si discuteva sulle idee esposte nell’articolo. Anche al Master in Comunicazione della Scienza della Sissa di Trieste, durante il corso di neuroscienze, insieme al mio gruppo di tre o quattro persone, abbiamo dovuto leggere, capire ed esporre un articolo scientifico recente che parlava del meccanismo delle sinapsi neuronali.
Da anni nelle mie classi sperimento il cosiddetto “approfondimento” durante le interrogazioni. Di solito concludo l’interrogazione di Fisica e di Matematica con la classica “domanda nuova” (altrimenti i 10 come li do? ) ma se lo studente vuole, può in alternativa, preparare un approfondimento a casa su un argomento a scelta e poi esporlo ai suoi compagni. Ci vorrebbero pagine e pagine per raccontarvi tutti i seminari tenuti dai ragazzi, è un’esperienza che consiglio a tutti i colleghi: molte volte gli studenti decidono di spiegare loro l’argomento! Dai logaritmi ai teoremi di trigonometria… e io imparo nuovi approcci e spunti per le mie spiegazioni future. Ho anche un bellissimo power point con gif animate di un approfondimento sulle onde di una mia studentessa di qualche anno fa, che ripropongo agli studenti delle classi successive, sottolineando che è lei l’autrice, senza dimenticarmi di ringraziarla ogni volta!

3. La statistica

Nella recente intervista del 24 settembre, tenuta allo science center “Città della scienza” di Napoli, Fabiola Gianotti, parlando del bosone di Higgs afferma «se ne produce uno ogni dieci mila miliardi di collisioni di protoni» e «l’evidenza si è stabilizzata intorno ai 5 sigma». Quale modo migliore quindi di applicare la Teoria degli errori quest’anno con un esercizio proprio sui dati del Cern? Eccolo qui: “La massa del bosone di Higgs è risultata essere 125 GeV con un errore di 0,6 GeV (nel caso dell’esperimento Cms). Calcolare errore relativo e percentuale e costruire il grafico della distribuzione normale di Gauss.”
Consiglio di collegarsi con la spiegazione di Peppe Liberti su Focus del 12 gennaio, sul significato della deviazione standard (la sigma) e del suo ruolo nell’attribuire la significatività o evidenza sperimentale e anche di leggere questo articolo di Evelyn Lamb pubblicato su Le Scienze del 23 luglio, che mostra anche il grafico della distribuzione gaussiana dei dati.
Il gruppo dell’esperimento Cms del Cern ha reso inoltre disponibile on line per le scuole alcune serie di dati sperimentali sui quali è possibile fare l’analisi statistica con il normale foglio elettronico. Il gruppo di Atlas ha una pagina web dedicata a insegnanti e studenti nella quale trovare ulteriori idee e materiali (io ovviamente sono andata subito sulla pagina dei fumetti: http://atlas.ch/comics1.html)

E per finire un gioco interattivo concepito per gli studenti e realizzato sempre al Cern di Ginevra, che ci fa entrare nella sala di controllo degli esperimenti e ci insegna a farli partire: buon lavoro!

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È bello sapere che la propria scuola contribuisce alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica nell’atmosfera grazie a un impianto di moduli fotovoltaici installati sul proprio tetto. In particolare, quello del mio liceo è costituio da 504 moduli in silicio policristallino, che dal 25 maggio 2011 ha già evitato più di 38 000 kg di CO2. Inoltre l’impianto produce energia elettrica che permette di sopperire a quasi il 73% del fabbisogno annuale del nostro edificio, con un notevole risparmio anche in termini economici, tenendo presente che parte dell’energia prodotta viene immessa anche nella rete elettrica esterna alla scuola.
Le autorità hanno inaugurato il piano della provincia di Varese, che prevede una produzione di energia elettrica di 4 247 989 Kwh all’anno con una conseguente riduzione di emissioni di CO2 di 2463, 83 tonnellate annuali e una riduzione dei costi di gestione del 47,39 %. Oltre all’installazione degli impianti fotovoltaici, sono in cantiere nuove scuole, come il liceo artistico di Busto Arsizio, che sarà un vero e proprio edificio a impatto zero, termoisolato, con una centrale geotermica e pannelli solari per la produzione di acqua calda e con un elevato utilizzo di materiali ecocompatibili.

In tutta Italia si stanno realizzando progetti analoghi, da Roma a Milano a Taranto, passando per Vicenza, Trapani, San Benedetto…
Tante iniziative, insomma: basta vedere i tanti video su youtube delle inaugurazioni degli impianti nelle scuole!

Attività in classe e link

• Ho trovato lo schema delle discipline coinvolte in riferimento al fotovoltaico, che potete leggere qui sopra, in un file in pdf dell’ing. Salvatore Castello dell’Enea, realizzato per il progetto Il sole a scuola; il file contiene un’ottima relazione di quasi settanta pagine sull’argomento. Nella seguente pagina web che si riferisce sempre al progetto, potete trovare altri materiali teorici che spiegano brevemente i concetti fondamentali.
• Nellapagina web intitolata “Calcolo di un impianto fotovoltaico di una scuola” c’è un ulteriore approfondimento realizzato dagli studenti della scuola secondaria di I grado “Giovanni XXIII” di Varano Borghi (Va).
• L’associazione Paea  (Progetti Alternativi per l’Energia e l’Ambiente) propone attività per le scuole e kit didattici
• Le attività di laboratorio sono un’ottima strada per studiare il fotovoltaico. Cito solo due casi esemplari, quello degli studenti dell’ITI Majorana di Grugliasco (To) che hanno costruito una barca alimentata da moduli fotovoltaici e quello degli studenti dell’Itis e Liceo Tecnologico “Einstein” di Roma che hanno realizzato una cella di Graetzel al mirtillo (tutti i particolari su questo video)

• Altre informazioni sulle celle fotovoltaiche in un post di lineediscienza del 2009

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