Le scuole di Fisica con Arduino e Smartphone crescono

Le Scuole di Fisica con Arduino e Smartphone cui ho dato vita dal 2016 continuano a riscuotere un discreto successo. Alcuni insegnanti hanno già iniziato a lavorare con Arduino nelle loro classi e presumibilmente avremo materiale da presentare al prossimo Congresso della Società Italiana di Fisica.

Recentemente è stato pubblicato un mio post su Math is in the Air: un blog di divulgazione della matematica. Alcuni insegnanti hanno cominciato a fare sperimentazione in classe con Arduino e a Marzo parteciperò a un Workshop internazionale a Parigi per illustrare le nostre esperienze a un panel di esperti provenienti da vari Paesi europei.

Abbiamo anche ricevuto un invito per presentare le Scuole al Summer Meeting dell’American Association of Physics Teachers, dove condurremo anche un workshop sull’uso di Arduino per esperimenti scientifici.

 

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La meccanica quantistica è incomprensibile?

Qualche giorno fa è uscito questo articolo su Repubblica.it. Si parlava di un libro scolastico che un’utente (con l’apostrofo perché si tratta di una donna) di Twitter (@roccaverrastro) segnalava per la presenza di una corbelleria relativamente alla forza di gravità. Nel libro incriminato, la cui foto compare nello stream dell’utente che l’ha segnalato, si dice testualmente: “[la diminuzione della forza di gravità con la distanza] è ben evidente osservando gli astronauti in orbita sulla Stazione Spaziale Internazionale, dove l’intensità della forza di gravità è ridotta al punto che persone e oggetti devono essere ancorati a dei sostegni per non volare nell’abitacolo“.

Bene hanno fatto coloro che si sono prodigati nello spiegare che le cose non stanno affatto così (inclusa Samantha Cristoforetti, meglio nota come @AstroSamantha) e quindi non starò qui a spiegare per l’ennesima volta che il motivo per cui gli astronauti fluttuano senza peso non è affatto che alla quota della ISS la gravità non c’è (come farebbe se no a orbitare?), ma perché di fatto la ISS è in perenne caduta libera.

Userò invece questo episodio come pretesto per discutere un paio di argomenti che m’interessano molto di più: l’autorevolezza dei libri (in generale, non solo di quelli di testo) e il convincimento che la meccanica quantistica sia del tutto contro-intuitiva.

Sull’autorevolezza dei libri

La critica più frequente ai contenuti che si trovano sulle pagine del World Wide Web o WWW (non di Internet, che è l’infrastruttura sulla quale il WWW funziona) è la loro presunta inattendibilità o inaffidabilità. Poiché chiunque è libero di scrivere quel che vuole sul Web, la maggior parte dei suoi contenuti sarebbe del tutto inaffidabile e comunque, anche qualora il contenuto di una pagina (come quelle di Wikipedia, ad esempio) fosse corretto, sarebbe unicamente il frutto di un copia-incolla e non di una conoscenza profonda e certificata dell’argomento.

Forse che non è la stessa cosa per i libri? Di libri inattendibili ce ne sono a bizzeffe (basta pensare a tutte le sciocchezze pubblicate sull’esoterismo, sugli alieni e su numerosi altri fenomeni “misteriosi”). Pubblicati da case editrici talvolta serissime. Anche gli autori più affermati, in fondo, fanno del copia-incolla. Non è che io, che scrivo di fisica, ho costruito da solo tutta la conoscenza che rendo pubblica! L’ho imparata sui libri scritti dai miei predecessori. Perciò, quando scrivo di fisica, almeno in parte, non faccio altro che riscrivere ciò che chi mi ha preceduto ha scritto.

Gli editori non controllano affatto la correttezza di quanto si scrive su un libro. Chissà perché la maggior parte delle persone pensa questo. Agli editori importa solo che il libro sia privo di errori tipografici e che sia di relativamente facile lettura. Per questa ragione ingaggiano copy-editor e grafici. Non assumono referee per i contenuti. Per quelli, al massimo, si affidano alla reputazione dell’autore. Il quale può anche essere un premio Nobel, ma non per questo è infallibile. Di scemenze ne dice chiunque (anche il sottoscritto). Dunque non mi stupisce che su un libro di scienze si possano trovare affermazioni non corrette. L’importante è che l’autore le faccia correggere una volta segnalate.

Non si tratta di un caso così infrequente. Un caso molto diffuso è quello secondo il quale gli aerei volano grazie alla portanza generata dal profilo alare che costringerebbe l’aria che passa sopra l’ala a viaggiare più rapidamente di quella che passa al di sotto, provocando così una differenza di pressione che sostiene il velivolo. Quest’affermazione, molto diffusa anche su testi di livello universitario, appare meno sconvolgente di quella sulla gravità del libro incriminato, solo perché l’argomento è molto meno noto. Ma è un’affermazione del tutto sbagliata! Non c’è nessun motivo per cui l’aria che viaggia sopra un’ala dovrebbe sentirsi autorizzata a correre di più rispetto a quella che viaggia sotto!

Sull’innaturalezza della meccanica quantistica

I miei colleghi che insegnano nelle scuole superiori lamentano che sarebbe molto difficile insegnare la fisica moderna ai loro studenti perché i fenomeni previsti da quest’ultima sono del tutto estranei al senso comune. Forse che la fisica classica è intuitiva?

Il testo segnalato in apertura di questo post dimostra che non è affatto così. La gente vede gli astronauti fluttuare senza peso nello spazio. Cosa deve pensare, se non che in quel punto non esista la forza di gravità? Sembrerebbe una spiegazione del tutto naturale. O no?

Il primo e il secondo principio della dinamica ci dicono che un corpo non soggetto a forze si muove di moto rettilineo uniforme. Ma chi l’ha mai visto? Tutti noi abbiamo evidenza del contrario! Un corpo si muove (di moto rettilineo uniforme o di qualunque altro tipo) solo se applichiamo una forza su di esso! Non s’è mai visto un oggetto muoversi a prescindere dall’applicazione di una qualche sollecitazione. Del resto non è un caso che per soppiantare la teoria dell’impetus ci siano voluti quasi due millenni.

E le forze fittizie? Ne vogliamo parlare? Tutte le forze che i fisici dicono che “non esistono” sono forse le uniche delle quali abbiamo esperienza diretta: sono quelle forze che si provano affrontando una curva stando nell’abitacolo di un’auto o sull’autobus quando frena o parte bruscamente; o ancora sulla giostra dei “calcinculo” e che ci permette di sollevarci rispetto alla posizione assunta quando la forza è ferma. Non esistono? Come sarebbe che non esistono?

Il lavoro compiuto da un facchino che spinga una cassa lungo un piano inclinato o che la sollevi alla stessa quota verticalmente è lo stesso. In più, il lavoro fatto dal facchino per tenere la cassa in braccio, ferma, è nullo. Ma davvero?

Ogni insegnante di fisica sa che le gambe (di metallo) e la seduta (di legno) delle sedie occupate dai suoi studenti sono (evidentemente) alla stessa temperatura. Però toccando con le mani la seduta e le gambe si prova una sensazione di caldo nel primo caso e di freddo nel secondo. Come la mettiamo?

Come si vede chiaramente, non è affatto vero che la fisica classica sia più facile di quella moderna perché più intuitiva. Al contrario: la mia opinione è che la fisica classica sia molto meno intuitiva di quella quantistica. Il fatto è che ancora non ci siamo liberati dal fardello di Newton, benché siano ormai trascorsi un centinaio d’anni dalla nascita della fisica quantistica. Del resto, se ancora non ci siamo liberati dal fardello di Aristotele per quel che riguarda la fisica classica come si può pretendere che in un tempo così breve ci si convinca che le cose non stanno esattamente come pensava Newton?

Ma, per favore, non dite che più che la meccanica quantistica non si capisce!

 

 

Un facile esperimento sull’effetto fotoelettrico

Oggi vi presento un facilissimo esperimento per osservare l’effetto fotoelettrico. Bastano pochi componenti elettronici facili da trovare: un LED che emetta luce verde dal corpo trasparente, una resistenza attorno al migliaio di Ohm e un voltmetro. In questo post ho usato, al posto del voltmetro, una scheda Arduino.

L’effetto fotoelettrico consiste nell’emissione di elettroni da parte di un materiale illuminato da luce di frequenza sufficientemente alta. Stando ai risultati ottenuti da Planck, la luce è costituita di un flusso di particelle dette fotoni, ciascuna delle quali possiede un’energia E=hf, dove f è la frequenza della luce misurata in Hertz e h la costante di Planck. Gli elettroni possono essere estratti dal materiale solo se E>V dove V è l’energia di legame degli elettroni nel materiale considerato (tipicamente dell’ordine di qualche eV). Se i fotoni hanno energia sufficiente, l’intensità della corrente prodotta dall’effetto fotoelettrico è proporzionale all’intensità della luce che lo provoca.

Osservando l’interno di un LED attraverso il suo corpo si vede che è formato di due parti: una più massiccia e l’altra più sottile, come si vede nell’immagine qui sotto, tratta da un lavoro di Aaron Hebin (in tedesco).

LED-internals.png

L’anodo va collegato al polo positivo di una pila, mentre il catodo va connesso al polo negativo attraverso una resistenza di almeno 100 Ohm (per limitare la corrente che scorre nel dispositivo). L’elemento più grande serve a sostenere un cristallo di materiale semiconduttore, collegato elettricamente all’altro elemento da un filo sottilissimo e praticamente invisibile.

L’energia di legame degli elettroni presenti nel cristallo di cui è fatto un LED verde è di circa 2.3 eV. Se quindi s’illumina il LED con luce di energia maggiore o uguale a questa (verde o blu), dal LED escono elettroni. Viceversa, illuminando il LED con luce di energia minore (rossa), non si provoca alcuna emissione di elettroni.

Gli elettroni eventualmente generati fluiranno per lo più attraverso il corpo del LED, che è conduttore, e genereranno quindi una corrente.

Se si collega una resistenza da un migliaio di Ohm in serie al LED e si misura la differenza di potenziale ai capi della serie ci aspetteremmo di trovare zero, perché non ci sono generatori in questo circuito. E invece si misura qualche decina di mV. Il motivo è che la luce ambiente è sufficiente a produrre l’effetto fotoelettrico. Il cristallo emette elettroni che s’incanalano nel circuito e provocano una corrente che si rivela attraverso la caduta di potenziale ai capi della resistenza.

Noi abbiamo fatto la misura con il dispositivo sotto illustrato.

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Una resistenza R1 da 220 Ohm connette il pin GND di Arduino al catodo di un LED verde. L’anodo dello stesso LED è connesso invece a una resistenza R2 da 1kΩ collegata poi al pin A0 di Arduino. Sotto si vede un particolare dei collegamenti:

LED-photoelectric-effect.png

Arduino è quindi usato come un voltmetro per misurare la differenza di potenziale ai capi della serie R1+LED+R2 con uno sketch semplicissimo:

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println(analogRead(A0));
  delay(250);
}

 

In condizioni ordinarie di luce leggiamo un valore attorno ai 100 mV. Basta coprire il LED con la mano per veder scendere il valore a meno di 80 mV. Il fenomeno è dovuto al fatto che la mano copre la luce ambiente, anche se solo parzialmente, che ha uno spettro continuo la cui frequenza varia da quella del rosso a quella del violetto. Si può vedere facilmente che, aumentando l’intensità della luce o diminuendola (agendo, per esempio, sulle tapparelle) la differenza di potenziale (e quindi l’intensità della corrente che scorre nelle resistenze) aumenta o diminuisce di qualche decina di mV.

Illuminando poi il LED con luce verde o violetta (potete usare lampade colorate oppure opportune App per smartphone oppure, ancora meglio, laser di colore diverso) potrete constatare come la luce rossa non provoca alcun fenomeno, mentre quella verde o azzurra sì. Fate attenzione a illuminare bene il cristallo. Per ottenere l’effetto voluto occorre disporre la sorgente luminosa esattamente sopra la parte curva del LED, in modo che la luce raggiunga il cristallo. Se s’illumina il corpo del LED lateralmente l’esperimento funziona male perché la luce non raggiunge bene il cristallo che dovrebbe produrre l’effetto fotoelettrico.

 

Indagine sugli studenti di fisica

Sono ormai quattro anni che propongo ai miei studenti di fisica un questionario standardizzato a inizio corso. Il questionario serve a raccogliere i dati degli studenti necessari per lo svolgimento delle attività di laboratorio, ma con l’occasione chiedo loro alcune informazioni aggiuntive per studiare alcuni fenomeni relativi alle attitudini degli studenti al primo anno di corso all’Università.

In questi quattro anni, apparentemente sono tre gli aspetti interessanti, che denotano un chiaro trend: il numero di studenti che non ha mai sentito parlare di Arduino, il numero di studenti senza smartphone e il numero di studenti che conosce il sistema operativo Linux. Tutte le indagini sono eseguite su un campione di circa 100 studenti per anno.

Il numero di studenti che non ha mai sentito parlare di Arduino è, fortunatamente, in diminuzione, sebbene il numero assoluto di studenti che ignorano del tutto il fenomeno sia ancora molto alto: nell’ultima indagine (2017) ben il 43% degli studenti ha dichiarato di non aver mai sentito nominare questo nome.

arduino

L’andamento in funzione dell’anno è riportato nel grafico sopra. Anche la frazione di studenti che conosce Linux è in discesa, come si vede dal grafico sotto.

linux

Al contrario della precedente questa non è una buona notizia, ma c’era da aspettarselo in quanto presumibilmente dipendente dal fatto che i computer stanno diventando sempre meno diffusi in favore dei tablet. Il dato più eclatante è fornito dall’andamento del numero di studenti privi di smartphone:

smartphone

La discesa appare, in questo caso, inequivocabile particolarmente evidente e addirittura sembra essere esponenziale. Questo è ragionevole, in quanto la variazione (cioè il numero di studenti che passa dal non avere uno smartphone ad averlo in un anno) dev’essere proporzionale alla popolazione priva di smartphone.

Nell’indagine 2017 nessuno degli studenti intervistati (115) ha dichiarato di non essere in possesso di uno smartphone. Questo significa che possiamo porre un limite superiore a meno del 3% (il 2.6% per la precisione) al 95% di livello di confidenza. Possiamo cioè affermare che, con il 95% di probabilità di essere nel giusto, che almeno tra gli studenti che s’iscrivono a un corso di laurea in fisica più di 97 su 100 possiedono almeno uno smartphone.

School of Physics with Arduino and Smartphones – II edition

The second edition of the School of Physics with Arduino and Smartphone is over and, as in the first edition, was a great success.

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During the school, 24 high school teachers with no experience in programming nor in electronics, were turned into real makers: they have learned how to program an Arduino board and how to use a smartphone to make physics experiments and they did them.

Day 1 was devoted to lessons, by myself and David Cuartielles, one of the Arduino co-founders, about Arduino programming and about phyphox: a smartphone App developed by our colleagues at Aachen. In the afternoon, after a visit to the FabLab of Fondazione Mondo Digitale, where the school was held, participants started designing the experiments, that must be made using readily available materials besides Arduino and few sensors provided by us.

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At the beginning of Day 2 we brought the group of teachers to the Eva shop (a shop own by a Chinese woman that sells almost everything), where they could buy whatever they need to perform the experiments. Then, each group started building its own experiment with the support of the FabLab personnel and few tutors (among which, four teachers from the first edition).

Experiments were fine tuned on the morning of Day 3, and presented in the afternoon. Experiments will be described on this blIMG_20170907_124710-ANIMATIONog during next days.

Teachers were enthusiasts. Using Arduino or smartphones to perform experiments adds lot of value to them: traditionally, laboratory kits need just to be assembled and run. They appear almost as “black boxes” from which there is few to learn. Self-constructed experiments force students to think about every detail and to deeply understand what they are doing. Experimental errors (both statistical and systematic) must be properly taken into account and data analysis has to be made offline, forcing a review of the all the physics behind the experiments. Physics can be literally grasped in any aspect. Moreover, the experience is engaging and stimulates competition among participants.

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Experiments were done on objects falling on a slide, Doppler effect, energy conservation, theinverse square law for illumination, the magnetic field produced by a current, light attenuation traversing a medium and the Newton’s second Law. Moreover a wearable device was realised to physically turn a circular motion into an harmonic one.

In summary, the school was extremely fruitful in showing how simple and instructive can be the realisation of performant experiments using technologies like Arduino and Smartphone.

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We look forward to the next edition of such a school. A photo gallery is available here.

Arte e scienza

Sono stato a Venezia per la Conferenza dell’EPS (European Physical Society) a presentare le mie idee sulla maniera di spiegare il meccanismo di Higgs e la meccanica quantistica, in generale, agli studenti delle scuole superiori. In una pausa, avendo già visitato Venezia in altra occasione, ho pensato di fare un giro in posti non troppo turistici e sono andato a vedere la Scala Contarini del Bovolo: un bell’esempio di architettura tardo gotica.

Casualmente scopro che presso la scala è in corso una mostra di opere di Pablo Echaurren dal titolo “Du champ magnétique“, che evidentemente risuona col mio mestiere di fisico. Ma le coincidenze non finiscono qui. Il titolo allude, oltre che al campo magnetico, al nome di Marcel Duchamp, autore di una celebre opera intitolata Fontana, di cui ne è conservato un esemplare presso la Galleria Nazionale d’Arte Moderna di Roma. L’opera in questione è in realtà un orinatoio, di cui si trovano le tracce in un’opera esposta nella mostra di Echaurren.

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La cosa è interessante perché le mie lezioni di fisica iniziano con la proiezione in aula dell’immagine della Fontana di Duchamp e la richiesta agli studenti di dire di cosa si tratta. Dopo le prime risposte accompagnate da risate li informo che si tratta di un’opera d’arte che molti di loro hanno giudicato, per dirla con Fantozzi, una cagata pazzesca, ma che io invito ad andare a vedere.

Il fatto è che quella che molti giudicano una cagata (sebbene la funzione originale dell’oggetto illustrato sia un’altra), per alcuni è un’opera d’arte e non c’è modo di mettere d’accordo tutti su una questione di questo genere. L’arte, infatti, non si misura: non esiste uno strumento che misuri l’arte. Esistono invece strumenti che misurano temperature, masse, correnti elettriche, etc.. È per questo motivo che il calore, il peso, i circuiti elettrici sono argomenti trattabili da un fisico, mentre l’arte, la religione, la bellezza, l’amore non lo sono. Per un fisico esiste solo ciò che si può misurare. Intendiamoci: è ovvio che esiste l’amore, la bellezza, le ambizioni, i sogni, etc., ma tutte queste cose non possono essere d’interesse professionale per un fisico.

Oltre all’ossessione per Duchamp che si manifesta nella mostra, ci sono altre opere chiaramente ispirate dalla scienza e in particolare dalla fisica, come quelle qui sotto.

Quelle con le strisce di carta possono sembrare del tutto estranee al tema, ma non se se ne conoscono i titoli che sono “Per prendere le misure” e “La misurazione del caso“. E in effetti uno dei primi problemi che un fisico affronta è quello della misura per la quale deve costruire un campione. Il campione è arbitrario e uno dei primi campioni che usiamo nel mio corso è proprio una striscia di carta, salvo poi rendersi conto che presenta alcuni evidenti problemi per cui bisogna abbandonarlo in favore di campioni più solidi.

 

Un laboratorio sulle onde e.m.

Il 20 maggio 2017, in occasione del sabato museale Sapienza, abbiamo dato vita ad alcuni laboratori didattici per ragazzi. In uno di questi abbiamo imparato cosa sono le onde e.m. e come costruire una semplice trasmittente. Per produrre un’onda elettromagnetica di ampiezza variabile abbiam fatto così.

Per prima cosa si prende un oscillatore a cristallo di frequenza pari a 1 MHz (lo potete trovare su Internet a un prezzo che varia dai 3 ai 5 euro). Nell’oscillatore c’è un cristallo di quarzo che oscilla a frequenze fissate quando gli si applica una tensione, come quella di una pila. Il cristallo è contenuto in un contenitore metallico con quattro piedini, come nella figura.

IMG_20170517_120201.jpgIn basso a sinistra si nota un piccolo puntino scuro. Il puntino serve come riferimento per individuare i piedini utili, che sono gli altri tre. Collegando una pila da 9 V ai due piedini che si vedono nella figura sotto si fa oscillare il cristallo contenuto nel dispositivo.

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In uscita dal piedino in alto a destra della figura si può osservare un segnale a onda quadra con frequenza di 1 MHz di ampiezza costante. L’ampiezza di questo segnale dipende dalla tensione applicata. Se quindi facciamo variare la tensione applicata, varierà l’ampiezza del segnale in uscita. Osserviamo l’immagine sotto.

IMG_20170517_120442 La pila è stata posta in serie a un jack e l’uscita dell’oscillatore è stata collegata a un filo volante che fungerà da antenna. Inviando un segnale modulato in ampiezza al jack, la tensione di alimentazione dell’oscillatore varia da 9-V a 9+V, dove V è l’ampiezza del segnale in ingresso. Come segnale si può usare quello in uscita dalla presa cuffie di un PC che ha una frequenza compresa tra 20 e 20.000 Hz (quelle percepibili dall’orecchio umano), molto più bassa di quella dell’oscillatore.

quartz+sound

Supponiamo che il segnale del cristallo in presenza di tensione costante pari a 9 V sia quello rappresentato in viola nella figura superiore, mentre in ingresso al jack finisca un segnale come quello rappresentato nella parte bassa della figura.

Il risultato sarà che in uscita dall’oscillatore vedremo un segnale che è il segnale viola modulato in ampiezza da quello verde, come quello che si vede sotto.

convolution

Questo segnale variabile genera sul filo, che funge da antenna, un’onda e.m. che s’irradia nei dintorni. Mettendosi con un radio AM sintonizzata sulla frequenza di 1 MHz si può così ascoltare la musica che dal PC è irradiata dal dispositivo sotto forma di onde e.m. attraverso il jack inserito nella presa cuffie.

Un trasmettitore così funziona solo su distanze molto brevi, ma funziona, dimostrando la propagazione delle onde e.m..