Pubblicato il bando per una nuova edizione della Scuola di Fisica con Arduino e Smartphone

È stato pubblicato all’indirizzo https://www.uniroma1.it/it/offerta-formativa/corso-di-alta-formazione/2019/fisica-con-arduino-e-smartphone il bando per la partecipazione alla III edizione della Scuola di Fisica con Arduino e Smartphone di Sapienza.

La scuola è un’attività full time intensiva di tre giorni destinata agli insegnanti di matematica e fisica o aspiranti tali. Non ci sono prerequisiti: non è necessario saper programmare o avere competenze di elettronica per partecipare. L’esperienza delle prime due edizioni ha dimostrato che un insegnante completamente digiuno di programmazione si può trasformare in un vero e proprio maker in soli tre giorni!

20170907_144943-collageIl primo giorno insegneremo a programmare una scheda Arduino e chiederemo agli insegnanti di pensare a un esperimento che vorrebbero realizzare nella loro classe. Il secondo giorno porteremo gli insegnanti ad acquistare il materiale necessario (il budget è volutamente ridotto a 20 euro ciascuno per consentire l’esecuzione di misure precise e accurate con una spesa minima) e li assisteremo nella realizzazione pratica della loro idea. Il terzo giorno l’esperimento sarà condotto e illustrato.

È un’esperienza coinvolgente ed estremamente utile per acquisire quelle che oggi si chiamano soft-skills e per rendere l’insegnamento della fisica appetibile anche agli studenti meno motivati.

La partecipazione alla scuola è pagabile con la carta docente per gli insegnanti in servizio. Altre informazioni alle pagine dedicate del PLS-Fisica di Sapienza.

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Esperimenti radioattivi

Con il simulatore di Geiger presentato nell’ultimo post si possono solo fare dimostrazioni qualitative circa la maniera in cui si comporta un rivelatore di particelle quando si avvicina una sorgente radioattiva. Al più si può fare una serie di misure che permettono di stabilire la legge secondo la quale il numero di conteggi per unità di tempo diminuisce col quadrato della distanza, come nel filmato.

Una serie di misure più interessanti si può seguire con il programma riportato sotto.

#define _DEBUG

#define CLIK 8
#define ECHO 2
#define TRIG 3

#define TAU 2.2414 // the decay time in minutes
#define c 340.e-6  // the speed of sound

float tau = TAU*60.;
unsigned long t0;

void setup() {
  pinMode(CLIK, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  digitalWrite(CLIK, LOW);
  t0 = millis();
#ifdef _DEBUG
  Serial.begin(9600);
  Serial.print("============ tau = ");
  Serial.print(tau);
  Serial.println(" s");
#endif
}

void trigger() {
  /* trigger the sensor */
  digitalWrite(TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
}

float measure() {
  /* measure the distance between the sensor and the obstacle */
  float d = 0.;
  for (int i = 0; i < 15; i++) {
    trigger();
    unsigned long T = pulseIn(ECHO, HIGH);
    d += c*T/2.;
  }
  return d;
}

int status = HIGH; // the current status of the relay

void loop() {
  /* measure distance and time */
  float d = measure();
  float t = (millis() - t0)*1.e-3;
  /* compute the probability of a decay */
  float Pdecay = exp(-t/tau);
  float f = (float)random(1000)/1000.;
  /* if an atom decay... */
  if (f < Pdecay) {
    /* ...detect it with a probability that depens on d */
    unsigned long trigger = 10000./(d*d); 
    unsigned long r = random(10000);
    if (r < trigger) {
      digitalWrite(CLIK, status);
#ifdef _DEBUG
      Serial.println(t);
#endif
      if (status == HIGH) {
        status = LOW;
      } else {
        status = HIGH;
      }
    }
  }
}

Il programma è solo apparentemente complicato. La costante definita alla linea

#define TAU 2.2414

rappresenta il tempo di vita medio, espresso in minuti, di una ipotetica sostanza radioattiva (in questo caso dell’Alluminio 28: quello ottenuto da Enrico Fermi nei suoi esperimenti sulla radioattività artificiale).

Con questa versione dello sketch di Arduino i click si susseguono con una probabilità che diminuisce esponenzialmente con un tempo caratteristico TAU.

A questo punto simulare una misura è facile. Si avvicina, a un’opportuna distanza, la presunta sostanza radioattiva e si contano i click che si odono nell’unità di tempo. Per esempio, si possono contare i click ogni 20 o 30 secondi, avendo cura di porre la sorgente a una distanza tale da avere un numero statisticamente significativo di click in questo intervallo di tempo (all’inizio delle misure questo numero dovrebbe essere almeno attorno a 80-100). Dividendo il numero di click N per l’intervallo di tempo T si ottiene la frequenza dei conteggi N/T. Si ripete la misura a tempi successivi e si osserva che il rapporto N/T non è costante, ma diminuisce col tempo. Se si fa un grafico di N/T (o semplicemente di N) in funzione del tempo si ottiene la figura sotto riportata:

Fermi_Al

La figura include il “fit” ai dati sperimentali eseguito con un esponenziale. Per ottenere una prima stima del tempo di decadimento senza dover eseguire un complesso fit con un esponenziale si può riportare il logaritmo del numero di conteggi in funzione del tempo, il che darà al grafico l’aspetto di una retta, di cui basta misurare la pendenza. Oppure si può, per tempi relativamente piccoli, approssimare l’esponenziale con una retta

N·exp(-t/τ)≈N(1-t/τ).

Le misure fluttuano in maniera statistica, quindi si ha l’impressione di fare una vera misura e s’impara a gestire gli errori sistematici e statistici in modo corretto. Conoscendo il tempo di vita impostato si può confrontare il valore ottenuto con quello atteso per valutare la bontà delle misure eseguite.

 

Un simulatore di Geiger

Dovendo fare una conferenza divulgativa sugli esperimenti che hanno fruttato il Premio Nobel a Enrico Fermi, nell’ottantesimo della sua attribuzione, ho deciso che avrei dovuto ripetere alcuni dei suoi fondamentali esperimenti in aula, in modo da spiegare bene quali furono le misure e i risultati che condussero il grande scienziato ad annunciare la scoperta del metodo per rendere radioattivi i materiali.

Fare esperimenti con materiali radioattivi in aula, però, non è solo vietato. È quanto meno inopportuno. Allora ho deciso che mi sarei avvalso di una simulazione: ma non di una “classica” simulazione al computer, bensì di una simulazione “concreta”.

Avevo bisogno di far vedere cosa succede quando si avvicina una sorgente radioattiva a un contatore Geiger. Ho quindi costruito un finto contatore Geiger usando una scheda Arduino, un sensore ultrasonico e un relay.

IMG_20180514_093515.jpg

Il sensore ultrasonico richiede quattro collegamenti: due servono per alimentarlo (GND e 5V), uno per il cosiddetto trigger e l’altro per l’eco. Inviando un impulso rettangolare abbastanza lungo (10 μs) al pin di trigger, il sensore ultrasonico emette un treno d’impulsi ad alta frequenza e misura il tempo che intercorre tra l’invio e la successiva rivelazione dello stesso treno d’impulsi. La rivelazione avviene quando gli impulsi sono riflessi da un ostacolo. Questo tempo è tanto più lungo quanto maggiore è la distanza tra il sensore e l’ostacolo.

Il relay è stato invece collegato a un terzo pin (oltre ai due necessari per l’alimentazione).

Tutto il sistema è stato alloggiato dentro un tubo di cartone (di quelli attorno ai quali è avvolta la carta da cucina) in modo tale che l’altoparlante e il microfono del sensore ultrasonico sporgessero lungo la superficie laterale a un estremo del tubo.

Il finto Geiger misura continuamente la distanza alla quale si trova un eventuale ostacolo e definisce una variabile trigger che dipende dalla distanza misurata al quadrato:

 unsigned long trigger = 1000./(d*d);

Quindi genera un numero random compreso tra 0 e 1000:

 unsigned long r = random(1000);

Se questo numero è minore di trigger fa cambiare stato del relay da chiuso ad aperto o viceversa:

if (r < trigger) {
  digitalWrite(CLIK, status);
  if (status == HIGH) {
    status = LOW;
  } else {
    status = HIGH;
  }
}

Il relay, cambiando stato, produce un rumorino che imita il click di un vero Geiger. Con questo codice la probabilità di far scattare il relay aumenta al diminuire della distanza di un ostacolo come 1/r2. Se l’ostacolo è molto lontano la probabilità di un click tende a zero. Avvicinando qualsiasi oggetto (radioattivo o meno) il numero di click per unità di tempo aumenta sempre di più esattamente come ci si aspetta nel caso reale. Per simulare ciò che avviene quando si avvicina una sostanza non radioattiva è sufficiente manipolare il campione in modo tale da avvicinarlo al Geiger senza metterlo di fronte al sensore ultrasonico.

 

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.

 

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.

IMG_20171118_153601.jpg

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.

foto di gruppo scuola arduino.jpg-large

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.

The School of Physics with Arduino and Smartphones is over

Our first school of physics with Arduino and Smartphones is finally over after three intense days and it was a success, indeed.

Physics teachers with no experience at all in programming, nor with Arduino, joined a class the first day for a crash course in Arduino programming, transducers and sensors, as well as on smartphones’ sensors usage.

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The second day of the school was divided in three parts: a design session during which teachers, in groups of two or three, were left free to design their own experiment, a shopping session when we went for shopping to buy materials needed for them and an implementation session during which the experiments were realised using the techniques learnt the day before.

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The third day experiments were refined and data analysed, then they were presented to other groups.

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Teachers were turned into makers in just two days, making amazing experiments aiming at studying the laws of motion, the Ohm’s law, the propagation of heat along a rod, the magnetic field produced by currents, the physics of non-inertial frames, the charge and discharge of a capacitor. Moreover they built a robot able to follow a line on the floor and a system to tell when a plant must be watered.

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Three fantastic days, in fact, much beyond expected!

Prosegue il lavoro della Scuola di Fisica con Arduino

Oggi giornata intensa alla Scuola di Fisica con Arduino e Smartphone. S’inizia con la progettazione degli esperimenti che permette di fare una lista di quel che serve per realizzarli. Poi tutti a fare shopping nel paradiso dello sperimentatore: il negozio di cinesi vicino alla Fondazione Mondo Digitale. Da Eva Shopping, che ci ha gentilmente consentito di invadere il suo negozio, troviamo tutto ciò che ci serve (e anche di più). Tornati al FabLab iniziamo a montare e dopo la pausa pranzo si mettono a punto tutti i dettagli per arrivare pronti all’appuntamento di domani, quando bisognerà presentare il lavoro svolto ai colleghi.

Le foto di oggi? Qui!

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