Fondamenti di Fisica

È uscita la VI edizione del volume “Fondamenti di Fisica” di James Walker, edito da Pearson, curata da me.

Il volume è destinato all’insegnamento universitario della fisica nei corsi di scienze (per i corsi di laurea in fisica è troppo elementare).

La curatela di un volume scritto da altri è sempre un’operazione delicata, dato che ogni docente ha le sue preferenze su quale sia il miglior approccio a certi argomenti.

Nello svolgere questo compito mi sono imposto di mantenere fede all’impostazione data al testo dall’autore, anche laddove non ne condividessi del tutto l’approccio (del resto l’insieme dei libri di testo di cui condivido l’approccio è praticamente nullo). Del libro di Walker condivido l’impostazione generale, che si caratterizza per un’esposizione fluida e semplice dei temi di fisica, che inizia sempre da osservazioni, spesso tratte dall’esperienza quotidiana, e che si arricchisce di particolari, con i concetti che emergono su aspetti particolari e diventano sempre più generali. Un’altra caratteristica di questo testo è che la matematica è ridotta all’essenziale, senza però mancare di rigore o di generalità. Questo ne fa un testo ideale per quei corsi nei quali gli studenti non possiedono una solida conoscenza della matematica.

Ho rivisto il linguaggio utilizzato nella traduzione italiana, riformulando alcune parti del testo nella forma attiva, più snella e fluida di quella passiva, che nella lingua originale è al contrario molto usata, senza alterarne i contenuti. Ho invece posto particolare attenzione a modificare gli esempi che facevano riferimento a situazioni pericolose, eredità di un passato nel quale non si prestava la dovuta attenzione alla sicurezza, nonché a mantenere un equilibrio di genere.

Per esempio, in un caso ho trasformato un esercizio svolto nel quale un alpinista doveva saltare un crepaccio (azione assolutamente da evitare) in un esercizio nel quale un atleta di parkour doveva saltare tra due terrazze. Si tratta sempre di una situazione pericolosa, ma quanto meno è regolamentata e di certo non si esegue il movimento se i terrazzi non sono a distanza ragionevole. In un altro caso non ho potuto fare a meno di mantenere l’esempio (una sua sostituzione con un altro avrebbe comportato nuove illustrazioni, non contemplate dall’editore), ma ho aggiunto una postilla. Si tratta degli esempi in cui un ferroviere sale la scaletta esterna di un vagone ferroviario mentre questo è in moto. Nel testo ho spiegato che una situazione del genere era molto comune qualche tempo fa, quando non si prestava attenzione alla sicurezza, e che nel testo (che ha una storia di oltre 20 anni) l’esempio è rimasto per inerzia.

L’età del testo si manifesta anche in una scarsa attenzione alle questioni di genere. Gli astronauti, per esempio, sono sempre maschi (anche se Valentina Tereskova ha viaggiato ha bordo della Vostok nel lontano 1963). Ho dunque ritenuto giusto chiamare Stefania l’astronauta dell’esempio nel capitolo della relatività, che parte lasciando a Terra il povero Francesco. Ho anche fatto sostituire un’immagine in cui una donna si manteneva in equilibrio precario su un piede mentre puliva i vetri. L’ho sostituita con un’immagine in cui una donna in tailleur, evidentemente una manager, si sistema una scarpa (non sono riuscito a trovare di meglio sui siti di immagini professionali cui avevo accesso: segno che la strada per la parità è ancora lunga).

La principale novità introdotta in questa edizione è l’inclusione di videolezioni, presenti sulla piattaforma online, in cui si mostra come eseguire esperimenti usando strumenti come gli smartphone o le schede Arduino. Gli esperimenti sono illustrati in tutte le loro fasi: dalla realizzazione degli apparati sperimentali, che impiegano solo materiali facilmente reperibili, alla presa dati, fino alla loro analisi. Ogni esperimento non è pensato, come tradizionalmente avviene, come una “dimostrazione” sperimentale della validità delle leggi fisiche, ma piuttosto come l’elemento a partire dal quale si possono formulare tali leggi, restituendo loro il ruolo che hanno nel processo scientifico.

Nel manuale sono presenti due pagine di riferimento nei capitoli interessati, mentre i filmati sono accessibili dal sito che accompagna il volume My Pearson Place.

Infine (e non è una novità di poco conto) ho convinto l’editore a reintrodurre nel testo cartaceo le pagine con gli esercizi, che erano state rimosse dalle passate edizioni per trovarsi solo online. L’abbondante varietà di esercizi presenti faceva del Walker un testo molto interessante, ma lo spostamento online aveva convinto molti colleghi ad adottare libri di autori ed editori diversi.

L’Arduino Science Kit

Qualche tempo fa ho ricevuto un Arduino Science Kit: un nuovo prodotto destinato alle scuole per lo studio della fisica con Arduino. Come sa chi legge abitualmente i miei post, sono convinto che Arduino sia una risorsa dall’enorme potenziale didattico sia per la possibilità che offre di eseguire esperimenti a costi contenuti, ma con risultati che possono competere con quelli della strumentazione dedicata, sia perché favorisce lo sviluppo di abilità e competenze trasversali come nessun altro.

È da tempo che lavoro all’introduzione di questa tecnologia nei laboratori di fisica per studenti, sia nelle scuole che nelle Università. I primi riconoscimenti stanno arrivando: dal 2018 la comunità si è ampliata in maniera significativa e l’anno prossimo condurrò una classe di “Laboratorio di Meccanica” per il corso di fisica della mia università per sperimentarla.

Lo Science Kit di Arduino è stato progettato per consentire a un docente di far svolgere esperimenti di fisica ai propri studenti. I docenti che acquistano il kit (o lo fanno acquistare dalla propria scuola) hanno accesso a una porzione riservata del sito di Arduino attraverso la quale possono registrare un kit ogni due studenti, che saranno così abilitati ad accedere alla sezione loro dedicata. Un kit costa poco piú di 200 euro e contiene molto materiale (vedi qui).

Nel kit sono inclusi, oltre a una scheda Arduino MKR WiFi 1010, una serie di sensori e di elementi meccanici che permettono di montare in pochi secondi esperimenti molto interessanti, ben documentati nella sezione dedicata del sito che si presenta cosí

Il sistema si può usare senza scrivere una sola riga di codice. Infatti l’Arduino MKR è programmato per inviare via bluetooth i dati raccolti dai diversi sensori disponibili. Oltre a sensori di intensità luminosa e di temperatura sono presenti un accelerometro, un giroscopio e un sensore di campo magnetico sulla cosiddetta Carrier Board, usata anche per facilitare i collegamenti con dispositivi esterni. Attraverso la Carrier Board, oltre all’output dei sensori, si possono infatti misurare correnti elettriche, differenze di potenziale e resistenze elettriche.

Ogni esperimento (l’elenco si trova alla pagina di descrizione del prodotto) si apre con alcune note per l’insegnante e un elenco di materiali necessari (praticamente tutti inclusi nel kit, tranne oggetti molto comuni). Sono illustrati gli obiettivi didattici e curiosità riguardanti l’esperimento in oggetto. Segue un’introduzione storica che ricorda chi e come ha scoperto i fenomeni oggetto dell’attività.

La preparazione e la conduzione dell’esperimento sono dettagliatamente illustrate con molte fotografie. I dati, in funzione del tempo, si raccolgono attraverso l’applicazione Science Journal di Google. Basta accoppiare il telefono e Arduino con il bluetooth e selezionare, nell’App, i sensori collegati al primo. Al termine dell’attività sono presenti alcune domande alle quali si risponde attraverso l’analisi dei dati raccolti, facilitata da una scheda per lo studente, nonché suggerimenti su possibili approfondimenti.

Una preview di un esperimento è accessibile qui. In questo modo si può avere un’idea molto precisa di come è congegnato un esperimento. Al momento in cui scrivo tutta la documentazione è disponibile in inglese, ma la versione italiana è prevista uscire a breve.

Tutto il sito è molto curato dal punto di vista grafico e scientifico. Naturalmente nulla vieta di usare il kit per eseguire esperimenti diversi, indipendentemente dall’accesso al sito dedicato. Questi possono essere di due tipi: se è sufficiente raccogliere i dati di uno o piú sensori per poi analizzarli basta costruire un esperimento adeguato e usare il sistema senza bisogno di saper programmare la scheda. L’Arduino MKR presente nel kit è infatti già programmato per trasmettere via bluetooth i dati raccolti attraverso i sensori a uno smartphone con lo Science Journal installato. Se invece si sa programmare una scheda Arduino basta usare i sensori e gli accessori in dotazione al kit per realizzare nuovi esperimenti che richiedono tutt’altro trattamento (non bisogna riprogrammare quello in dotazione che è pensato per essere usato cosí com’è, senza bisogno di programmarlo; se comunque lo si fa si può reinstallare il firmware attraverso una procedura ben documentata sul sito).

Dal mio punto di vista il kit offre un vantaggio indubbio consistente nel fatto che avendolo si dispone di sensori e accessori utilissimi per molti esperimenti interessanti. Forse l’unico elemento che avrei aggiunto rispetto a quelli presenti è un sensore ultrasonico. L’utilizzo dell’Arduino MKR preprogrammato non permette allo studente di comprendere del tutto il funzionamento degli apparati, e quindi di apprezzare fino in fondo l’esperimento, ma può essere molto utile per cominciare a familiarizzare col sistema per poi passare a un uso piú consapevole. Questa caratteristica, tuttavia, ne fa uno strumento molto adatto agli studenti piú giovani e delle scuole meno tecniche, perché non richiede d’imparare il linguaggio. È decisamente meno costoso della comune attrezzatura da laboratorio e non richiede molto spazio, né per lo stoccaggio (tutto sta in una comoda scatola che può essere riposta in un armadio), né per l’utilizzo (gli esperimenti si possono fare sui comuni banchi di scuola e non c’è bisogno di locali dedicati).

Il kit è pensato per offrire a una coppia di studenti la possibilità di eseguire da soli un esperimento. Una scuola che voglia offrire questa opportunità dovrebbe quindi acquistare un numero di kit pari alla metà del numero medio di alunni in una classe. Tuttavia il kit sostituisce egregiamente numerose attrezzature presenti in un laboratorio di fisica e per com’è usata questa risorsa solitamente, un solo kit è sufficiente. In questo caso sarà l’insegnante a condurre l’esperimento, come di solito si fa in un laboratorio. A differenza di quest’ultimo, però, i dati di ogni ripetizione dell’esperimento possono essere raccolti con il telefono di ogni alunno, lasciando cosí a quest’ultimo la responsabilità dell’analisi. Di fatto, dunque, un singolo kit è molto piú di un singolo esemplare di strumento in laboratorio. È quindi didatticamente piú efficace.

Osservare i raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle di alta energia che provengono dallo spazio che, urtando con i nuclei dell’atmosfera, danno origine a numerose nuove particelle che si propagano verso la Terra decadendo, cioè trasformandosi in altre particelle, man mano che procedono nella loro corsa. La produzione di nuove particelle è un fenomeno quantistico reso possibile dalla relatività, secondo la quale l’energia dell’urto può trasformarsi in materia secondo la relazione di Einstein E=mc2. L’urto tra i raggi cosmici (che per la maggior parte sono fatti di protoni) e i nuclei degli atomi dei gas che compongono l’atmosfera, produce in prevalenza pioni (π) carichi e neutri. Propagandosi verso terra, i pioni carichi si trasformano spontaneamente in un muone (μ) e un neutrino; quelli neutri in due fotoni. I muoni arrivano numerosi a livello del mare. Se ne osservano circa 100 per metro quadro al secondo. I fotoni producono coppie di elettroni e positroni che danno poi origine a sciami estesi di fotoni, elettroni e positroni.

Quando una particella ionizzante attraversa un diodo al silicio, libera alcune delle cariche presenti nel mezzo. Se il diodo è polarizzato le cariche liberate migrano in direzione del campo elettrico prodotto all’interno del volume del silicio producendo una corrente elettrica che si può misurare.

Cosí funzionano i sensori delle fotocamere digitali e degli smartphone. Il sensore è costituito di una matrice di diodi (pixel), ciascuno dei quali, una volta colpito dai fotoni di cui è composta la luce, produce un segnale elettrico misurabile proporzionale all’intensità della luce. In questa maniera si ricostruisce l’immagine.

Lo stesso fenomeno si può sfruttare per osservare i raggi cosmici. Alcune fotocamere hanno la possibilità di mantenere l’otturatore aperto per un tempo indefinito: la posa T. Nella posa T la prima pressione del tasto dell’otturatore apre l’obiettivo e lo lascia in questa posizione fino a quando il tasto non viene premuto nuovamente. In questa maniera si possono fare fotografie con esposizione lunga anche diverse ore. Se la fotocamera è mantenuta al buio con l’obiettivo coperto gli unici segnali che il sensore registrerà saranno quelli delle particelle cosmiche che lo attraversano.

Sotto riporto una porzione ingrandita di una foto eseguita esponendo per sette ore una fotocamera in queste condizioni.

Ognuno dei puntini colorati rappresenta il segnale lasciato da una particella che ha attraversato il sensore. Nelle fotocamere, per ogni pixel ci sono in realtà tre diodi: uno per ogni colore primario. Il colore del pixel che si osserva dipende dal diodo attraversato e parzialmente dall’energia rilasciata in esso. Con un po’ di fortuna si possono anche osservare alcune tracce come quelle che ho evidenziato. Il particolare è riportato sotto ruotato di 90 gradi a sinistra.

La traccia piú lunga sulla destra è stata lasciata da una particella di bassa energia che viaggiava con un un angolo piuttosto piccolo rispetto alla superficie del sensore (che è sottilissimo: alcune decine di micron nella porzione sensibile). Che l’energia sia bassa lo si capisce dal fatto che la traccia è curva. Le particelle cariche seguono traiettorie curve in campo magnetico e il raggio di curvatura è proporzionale alla loro quantità di moto. Nel caso in esame il debole campo magnetico terrestre dev’essere stato capace di curvare la traiettoria della particella in questione abbastanza da renderne visibile la curvatura.

Con questa tecnica si possono fare anche alcune misure. Contando il numero di pixel “accesi”, per esempio, si ha una misura della frequenza di arrivo dei raggi cosmici (o meglio, della porzione di essi che lascia un segnale misurabile nella fotocamera) ed esercizi di statistica, dividendo in porzioni l’immagine e contando il numero di pixel accesi in ciascuna porzione.

La crescita dei morti per COVID19

Quando ho iniziato a guardare i dati del COVID19 ho notato subito che il rapporto morti/infetti tendeva ad aumentare col tempo. Inizialmente ho attribuito questo comportamento alla mutevole capacità di diagnosi, poi, quando il trend si è manifestato in modo evidente, ho pensato che si trattasse di un sintomo di stress delle strutture sanitarie che non riuscivano a trattare adeguatamente in pazienti.

Un’analisi piú attenta, però, mostra che in realtà questo è proprio l’andamento atteso. Vediamo perché.

Indichiamo con f(t) la funzione che rappresenta l’evoluzione temporale degli infetti N_{inf}(t) = f(t). I morti per COVID19 saranno, mediamente, una frazione di N_{inf}, quindi potremmo scrivere N_{morti} = \alpha N_{inf} con \alpha < 1 grosso modo costante. Non possiamo però scrivere che N_{morti} = \alpha f(t) perché si comincia a morire trascorsi alcuni giorni dal momento in cui si contrae l’infezione. Quindi avremo che

N_{morti} = \alpha f\left(t-t_0\right)

pertanto il rapporto morti/infetti si scrive

\frac{N_{morti}}{N_{inf}} = \alpha \frac{f\left(t-t_0\right)}{f(t)}

Non conosciamo la funzione f(t) (anche se dagli ultimi dati disponibili sembra ben rappresentata da una funzione di Gompertz). Possiamo però fare considerazioni del tutto generali.

Di una funzione possiamo disegnarne il grafico riportando su un sistema di assi cartesiani i valori della funzione f(t) in funzione della variabile da cui dipende t. Per esempio, se f(t)=\sqrt{t}, possiamo calcolare i valori di f(0),\,f(1),\,f(2)\,f(3),\ldots e riportarli su un grafico in funzione di t=0,\,1,\,2,\,3,\ldots. Questi valori sono 0,\,1,\,1.41,\,1.73,\ldots e il grafico appare cosí

Ogni funzione con caratteristiche molto generali come quelle che ci interessano si può approssimare, in un intervallo relativamente ristretto di valori, con un polinomio p(t) di grado opportuno, cioè f(t)\simeq p(t). Minore è l’ampiezza dell’intervallo e migliore è l’approssimazione, cosí come maggiore è il grado del polinomio, a parità di ampiezza dell’intervallo, migliore è l’approssimazione. In sostanza possiamo sempre scrivere che

f(t)\simeq f(t_0)+f'(t_0)(t-t_0)+\frac{f''(t_0)}{2}(t-t_0)^2+\cdots

dove f'(t_0) e f''(t_0) sono quelle che i matematici chiamano derivate della funzione. La derivata f'(t) di una funzione si può immaginare come la pendenza della retta tangente alla sua rappresentazione grafica nel punto indicato tra parentesi. La derivata seconda f''(t) è, a sua volta, la pendenza della tangente alla curva che rappresenta f'(t) e cosí via. Nella figura sotto riportiamo la curva f(t)=\sqrt{t} insieme ai primi tre polinomi che l’approssimano per t=1.

Il primo è rappresentato dalla retta viola, che è una costante che vale 1. L’approssimazione è buona solo per valori vicini a t=1. La retta verde è il polinomio di grado 1 che approssima bene al curva in un intervallo piú ampio, ma che già per t=2 comincia a distinguersi bene dalla curva originale. Il polinomio di grado 2 (la curva azzurra) rappresenta meglio la curva originale (fino a circa t=3 con la precisione che raggiunge il polinomio di grado 1 per t=2).

Tornando alla nostra f(t) possiamo sempre scrivere quindi che

f(t) \simeq f(t_0)+f'(t_0)(t-t_0)+\frac{f''(t_0)}{2}(t-t_0)^2

La curva dei morti, quindi, si rappresenta sostituendo al posto di t, t-t_0 nei coefficienti del polinomio. Abbiamo quindi

f(t-t_0) \simeq f(t_0-t_0)+f'(t_0-t_0)(t-t_0)+\frac{f''(t_0-t_0)}{2}(t-t_0)^2= f(0)+f'(0)(t-t_0)+\frac{f''(0)}{2}(t-t_0)^2

Poiché all’inizio il numero d’infetti è zero, prendendo per t=0 l’inizio dell’epidemia f(0)=0. Inoltre, la salita degli infetti inizia in maniera dolce, quasi piatta, e la retta tangente alla curva che rappresenta f(t) è quasi orizzontale per cui anche f'(0)\simeq 0 e di conseguenza

\frac{N_{morti}}{N_{inf}}=\frac{\alpha f(t-t_0)}{f(t)}\simeq \alpha\frac{f''(0)}{2}(t-t_0)^2\frac{2}{f''(0)t^2} = \alpha\left(\frac{t-t_0}{t}\right)^2

Questa curva, per \alpha = 1 e t_0=5 è fatta cosí

La curva rappresenta la frazione dei morti in funzione del tempo solo per t>t_0 (nel caso dell’immagine per t>5) e si vede bene che in effetti cresce come sembra crescere tale rapporto nella realtà. Per tempi molto lunghi la curva tende asintoticamente ad \alpha (si avvicina cioè sempre piú a questo valore).

Usando tecniche di minimizzazione possiamo trovare i valori da attribuire ai parametri \alpha e t_0 per descrivere i dati sperimentali del rapporto morti/infetti. Riportiamo sotto il grafico che se ne ottiene.

La banda rosa rappresenta la porzione di dati utilizzati per eseguire il calcolo che fornisce \alpha = 0.126 \pm 0.013 e t_0=5.8 \pm 2.8. Il secondo valore ci dice con quanti giorni di ritardo, in media, si muore, dopo aver contratto l’infezione. Il numero è compatibile con t_0\simeq 5 che forniscono i medici.

La mortalità asintotica \alpha di quasi il 13% ci dice che il virus è letale nel 13% dei casi. Ma attenzione. Questo numero dipende fortemente da quanto bravi siamo a individuare gli infetti. Ci sono evidenze che i morti siano decisamente sottostimati. Figuriamoci gli infetti.

Personalmente tendo a credere di piú ai dati raccolti a bordo della Diamond Princess, tutti i passeggeri della quale sono stati sottoposti a tampone. Di questi 712 sono stati trovati positivi e solo 10 sono morti. La mortalità del virus quindi dev’essere dell’ordine dell’1.4% (10/712). Il fatto che la mortalità italiana appaia dieci volte superiore presumibilmente significa che gli infetti sono sottostimati almeno dello stesso fattore. Un fattore 10 di differenza tra gli infetti reali e quelli ufficiali, in effetti, è un numero che comincia a circolare e sembra sempre piú realistico. Se cosí fosse, per ogni malato ufficiale ce ne sarebbero una decina che non sanno di esserlo e sono quindi veicolo di contagio. Questa è una buona ragione per mantenere il lockdown, che tuttavia occorrerà prima o poi quanto meno allentare perché la situazione economica sta diventando insostenibile per molti. Da questo punto di vista il tracciamento dei contatti di chi si scopre infetto sarà uno strumento utilissimo.

Per finire osservo che il fatto che il rapporto sia affetto da errori sistematici notevoli si vede anche dal fatto che in corrispondenza della fine dell’intervallo di fit si vede un “salto” del rapporto, che non dovrebbe esserci in condizioni normali. È utile sapere che l’intervallo non è stato scelto ad hoc. Per determinarlo ho trovato il punto in cui il rapporto N_{morti}/N_{inf} si è ridotto della metà partendo da destra e poi definendo un intervallo di 24 giorni che inizia una settimana prima di questo punto, in modo da essere vicini al punto di flesso della curva che è quello in cui ho fatto l’approssimazione.

Fisica con Arduino a Parigi

Sto trascorrendo un periodo d’insegnamento all’Università di Paris-Sud, dove i miei colleghi Julien Bobroff e Frédéric Bouquet hanno introdotto, da qualche tempo, l’impiego delle schede Arduino nell’insegnamento universitario.

La sessione di Travaux Pratique che si sta concludendo vede un gruppo di studenti cimentarsi con la realizzazione di un esperimento da loro scelto, progettato e realizzato nel giro di cinque giorni, al termine dei quali devono presentarlo oralmente e sottoporre un lavoro scritto al giudizio della commissione.

Due gruppi hanno proposto di studiare la transizione superconduttiva di un superconduttore misurando la resistenza in funzione della temperatura del campione. Un gruppo ha studiato le proprietà magnetiche dei superconduttori pesando con una bilancia un magnete permanente esposto al campo di un superconduttore. Uno ha caratterizzato una sala da concerto in scala misurandone il riverbero e ottenendo informazioni circa la trasmissione del suono attraverso i materiali, utilizzando un sensore ultrasonico. Un gruppo ha studiato il moto di oscillatori accoppiati forzati usando magneti, utilizzando la Legge dell’induzione e.m. di Faraday per tracciarne la posizione. Uno spettrofotometro per la caratterizzazione della concentrazione dei coloranti in una sostanza è stato ottenuto spostando lungo lo spettro della luce bianca, ottenuto con un reticolo, un sensore di luce controllato da un motore. Un altro gruppo ha studiato le correnti di Foucault caratterizzando l’energia persa da un pendolo di Waltenhofen autocostruito la cui posizione era tracciata da un accelerometro. Infine, un sismografo è stato realizzato con un peso attaccato a una molla, il cui moto era smorzato dalle correnti parassite e la cui posizione era tracciata con due sonde di Hall: una vicino alla massa oscillante e l’altra all’estremità di un’asta connessa a quest’ultima. I terremoti erano simulati attraverso l’urto di pesi sul supporto, comandati da un motore.

Tutto usando Arduino per ottenere i dati e per controllare l’esperimento. I video di alcuni di questi potete vederli in questa pagina.

Oltre a seguire gli studenti fino all’esame finale, in queste settimane ho lavorato con i miei colleghi alla preparazione del primo workshop internazionale sulla didattica della fisica con Arduino e Smartphone, che terremo a febbraio, e abbiamo eseguito numerose misure per quello che abbiamo definito lo Smartphone Building Challenge: ci siamo posti l’obiettivo di misurare l’altezza di un palazzo usando uno smartphone. Ci sono moltissimi modi per farlo. Ne parlerò in un prossimo post.

Intanto, se volete imparare a fare le cose che vedete in questo post, iscrivetevi alla quarta edizione della scuola di fisica con Arduino e Smartphone di Sapienza. La scuola è destinata agli insegnanti e agli aspiranti tali, ma possono partecipare tutti i laureati, in qualsiasi materia. La conoscenza di Arduino o la capacità di programmare non sono prerequisiti.

Conclusa la III edizione della scuola di fisica con Arduino e smartphone

Si è conclusa un’altra edizione di successo delle scuole di fisica con Arduino e smartphone per insegnanti delle superiori. La scuola è una full immersion di tre giorni durante i quali agli insegnanti si chiede di progettare, costruire e condurre un esperimento, analizzarne i dati e produrre una documentazione che serva ai loro colleghi per rifarlo.

I partecipanti alla III edizione della scuola di fisica con Arduino e smartphone

Tutti gli esperimenti devono essere realizzabili con materiali facilmente reperibili: non a caso uno dei momenti più topici della scuola è la shopping session durante la quale tutta la banda di insegnanti si reca nel negozio gestito da cinesi vicino al laboratorio dove lavoriamo per comprare il necessario (grazie a Eva Shopping che si presta a essere invasa da un’orda di persone che non sanno ancora cosa vogliono).

Quest’anno sono stati realizzati diversi esperimenti che vanno dall’induzione elettromagnetica alla misura della costante di Planck, dall’interferenza tra onde alla misura della velocità del suono in funzione della temperatura.

Le scuole di fisica con Arduino e smartphone sono apprezzate anche all’estero. Prevediamo di fare un’analoga attività nell’Università di Paris-Sud a maggio, destinata agli studenti universitari. In autunno saremo a Oslo per un progetto del tutto simile. Abbiamo inoltre vinto un bando per esportare il modello in Uruguay e ci hanno invitato da Cuba a tenere un workshop presso la loro Università.

Maggiori informazioni e la documentazione dei progetti sul sito web del Dipartimento di Fisica di Sapienza.

I quesiti copiati

Dopo la pubblicazione delle simulazioni di seconda prova dell’esame di Stato pubblicate dal MIUR, l’annuncio che la prova sarà di “matematica e fisica” e la pubblicazione delle modalità di svolgimento della prova le polemiche erano già abbastanza (inutilmente) roventi.

A queste si aggiunge ieri la pubblicazione di un articolo da parte di Repubblica, secondo il quale sei delle otto tracce della simulazione sarebbero state copiate da un manuale russo per universitari. Sul sito di Studenti.it, invece, si fa osservare che il problema 2 è identico a quello proposto durante gli esami dell’ESABAC francese, definito una “scuola di eccellenza”.

Come al solito, prima di prendere per buone le notizie ho controllato (questa è ed è sempre stata una sana abitudine). È bastato cercare “Irodov problems general physics” su Google per trovare il manuale in questione dove effettivamente sono presenti i quesiti proposti. Sul sito annabac.com invece si trova la versione francese della prova.

Comincio con un po’ di caveat: non sono tra gli estensori delle prove, non conosco gli estensori delle prove, non lavoro per il Governo né per il Ministro (faccio il Professore Universitario, quindi lavoro per lo Stato Italiano, ma non per questo o quel Ministro, delle cui opinioni, fintanto che non diventano legge, me ne infischio). Però mi dà fastidio leggere cose inesatte, specialmente se sono scritte sui siti dei quotidiani la cui professionalità e attendibilità, dicono, dovrebbe essere acclarata.

Altri avvisi preliminari: sono contento che sia finalmente stata introdotta la fisica come argomento d’esame. Le simulazioni che ho letto, le cui soluzioni ho pubblicato su Patreon, mi sono sembrate tutto sommato equilibrate. Se le avessi scritte io avrei fatto probabilmente qualche scelta diversa, sopra tutto per quanto riguarda il linguaggio, ma anche nei contenuti. Ma poiché non ho questa responsabilità, la mia opinione conta quanto quella di chi l’ha scritta.

Sperando che la mia opinione sia chiara, veniamo quindi al punto. Le prove sono state copiate. Direi che è quasi ovvio, trattandosi di simulazioni. Anche perché sono certo che il compito sia stato affidato a qualche collega della scuola che certamente non è stato pagato per farlo. Sono pronto a scommettere su questo. Naturalmente si poteva almeno fare un po’ di sforzo per modificarle un pochettino. Del resto questo è quel che chiediamo agli studenti quando gli facciamo fare del lavoro di ricerca, no? Se chi pretende questo dagli studenti poi non lo fa, beh…qualche critica se la deve prendere.

Gli esercizi di fisica sono di fatto sempre gli stessi. I problemi risolvibili analiticamente, infatti, sono in numero non solo finito, ma piccolo. L’unica differenza tra un esercizio e l’altro è il modo in cui è presentato. Qualsiasi altro problema sarebbe stato una copia di un problema presente su un libro di testo, opportunamente riformulato.

L’altra questione sollevata da chi punta il dito sui quesiti copiati dal manuale di Irodov è che provengono da un manuale per universitari. E allora? Uno studente universitario di fisica dell’epoca alla quale è stato scritto il libro, appena iscritto, molto probabilmente non aveva visto in vita sua una sola formula di fisica. Di conseguenza è del tutto assimilabile a uno studente di liceo di oggi. Anche oggi, gli studenti universitari fanno esercizi che, all’inizio della loro carriera, sono del tutto simili agli esercizi che fanno a scuola. Mica penserete che il solo fatto di essere iscritti a fisica vi dia la capacità di saper risolvere istantaneamente esercizi di alto livello! Nel manuale di Irodov ci sono 2000 esercizi: alcuni difficili, certo, ma altri decisamente semplici.

Per quanto riguarda invece l’affermazione secondo la quale l’ESABAC sarebbe la scuola di eccellenza francese, basta leggere sul sito del MIUR per sapere che in realtà non è altro che un percorso scolastico bilingue comune a Italia e Francia.

È ben noto che le scuole italiane non sono seconde a nessuno in quanto a preparazione fornita. Se quindi la prova è stata data in un esame di Stato che includeva studenti francesi, ancorché frequentati una scuola bilingue (e quindi forse da questo punto di vista di eccellenza, non certo dal punto di vista dei contenuti) significa che la prova è decisamente alla portata degli studenti italiani.

L’esame di Stato 2019 per i Licei Scientifici

In questo post commento due documenti ufficiali del MIUR, che illustrano i caratteri della prova d’esame per i Licei Scientifici. Si tratta di commenti scaturiti da un mio recente intervento in un incontro con gli insegnanti del PLS di Matematica di Sapienza, nel corso del quale ho commentato le prove date come simulazione dell’esame di Stato. La soluzione delle prove da me proposta è stata pubblicata su Patreon, da dove potete scaricarla.

Il primo documento commentato è lo scheda di regolamento recante le indicazioni nazionali riguardanti gli obiettivi specifici di apprendimento. Meglio noto come “indicazioni nazionali”. In particolare le indicazioni per i licei scientifici sono contenute nell’Allegato F del documento.

Nel documento si dice esplicitamente che “lo studente avrà acquisito le seguenti competenze: osservare e identificare fenomeni; formulare ipotesi esplicative utilizzando modelli, analogie e leggi; formalizzare un problema di fisica e applicare gli strumenti matematici e disciplinari rilevanti per la sua risoluzione; fare esperienza e rendere ragione del significato dei vari aspetti del metodo sperimentale, dove l’esperimento e’ inteso come interrogazione ragionata dei fenomeni naturali, scelta delle variabili significative, raccolta e analisi critica dei dati e dell’affidabilità di un processo di misura, costruzione e/o validazione di modelli”

Questo significa che lo studente deve aver imparato a lavorare con i dati sperimentali. Deve quindi almeno essere in grado di estrarre informazioni da grafici e tabelle o altro genere di dati. Non è particolarmente importante che sia capace di condurre un esperimento in prima persona. Questo giustifica la tipologia di almeno uno dei problemi della prova proposta come simulazione. 

Una tale necessità è ben nota da anni e se gli studenti non sono preparati è perché, per molte ragioni, alcune delle quali sicuramente comprensibili, il modo di fare didattica in fisica non è cambiato. È indispensabile cambiare rotta. Il lavoro di analisi dei dati dev’essere preso in seria considerazione e il Dipartimento di Fisica è pronto a fornire la necessaria assistenza.

“La libertà, la competenza e la sensibilità dell’insegnante – che valuterà di volta in volta il percorso didattico piú adeguato alla singola classe – svolgeranno un ruolo fondamentale nel trovare un raccordo con altri insegnamenti” significa che non c’è alcun bisogno di puntare troppo sul formalismo. Le prove proposte non richiedono particolari abilità formali in fisica. Richiedono piuttosto la comprensione del significato delle equazioni (parliamo della prova di fisica: per quella di matematica e fisica l’abilità richiesta è quella richiesta dalle indicazioni di matematica).

Le indicazioni non richiedono esplicitamente un intenso programma di lavoro in laboratorio: richiedono piuttosto “di esplorare fenomeni (sviluppare abilità relative alla misura) e di descriverli con un linguaggio adeguato (incertezze, cifre significative, grafici)”. Il biennio va sfruttato per abituare gli studenti a questo lavoro. Si può approfittare di questo per introdurre alcuni semplici argomenti, ma il focus dev’essere sulla pratica del laboratorio (più intesa nel senso della capacità di analizzare i dati che di fare l’esperimento). Tutta la calorimetria e la cinematica, per esempio, si possono facilmente anticipare in questo periodo, così come l’ottica geometrica.

Segue una serie di argomenti piuttosto esplicito e chiaro: oltre agli argomenti già citati, si parla dei passaggi di stato (che significa che si deve comprendere il concetto di calore latente). Per la dinamica la II Legge di Newton è il punto centrale, insieme al concetto di energia e lavoro che ritornano in tutta la durata del corso di studi.

Nel secondo biennio la capacità di trattare con i dati sperimentali s’intende acquisita e quindi si può passare a una trattazione più formale degli argomenti, senza però mai dimenticare che tutti i risultati che si conseguono sono comunque il frutto dell’analisi sperimentale. Gli esperimenti che permettono di formulare le leggi, dunque, vanno accuratamente descritti, quanto meno.

Allo studente si chiede quindi di conoscere l’equazione di stato dei gas e la teoria cinetica. Il primo e il secondo principio della termodinamica si danno anche per acquisiti. Di conseguenza lo studente dovrebbe saper calcolare le grandezze rilevanti nelle trasformazioni di un sistema termodinamico: calore, lavoro, energia interna, entropia.

Delle onde occorre conoscere i fenomeni della sovrapposizione, interferenza e diffrazione. Si parla di sorgenti coerenti, quindi trattiamo sempre casi molto semplici per i quali il formalismo può essere reso molto semplice. Si chiede anche che lo studente sappia declinare i risultati relativamente a onde sonore e a onde elettromagnetiche (in sostanza deve conoscere la differenza di comportamento tra queste).

Lo studente deve quindi conoscere l’elettrostatica e la gravitazione: nel primo caso ci si aspetta che sappia come sono fatti i campi prodotti da distribuzioni particolari di carica attraverso il Teorema di Gauss; nel secondo che conosca le Leggi di Keplero. Il concetto di energia e di potenziale ricorre in questo settore. È importante mettere sempre in relazione queste conoscenze con quelle acquisite in precedenza.

Dei fenomeni elettromagnetici quelli rilevanti sono la Forza di Lorentz e l’induzione elettromagnetica, il Teorema di Gauss e il Teorema di Ampère (il primo peraltro non riguarda solo l’elettromagnetismo). Essendo sempre importante trattare aspetti energetici si deve trattare la densità d’energia del campo elettrico e del campo magnetico e introdurre le onde e.m., anche solamente a livello qualitativo.

Per quanto riguarda la relatività il campo è ristretto alla conoscenza dei fenomeni della simultaneità tra gli eventi, la contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi, nonché della relazione tra massa ed energia. Di fatto basta la conoscenza delle trasformazioni di Lorentz.

Per la meccanica quantistica occorre aver compreso il dualismo onda-corpuscolo e conoscere l’effetto fotoelettrico, nonché saper spiegare gli spettri di emissione e assorbimento alla luce della teoria dell’atomo di Bohr. Completa la conoscenza della materia la relazione di de Broglie che lega quantità di moto e lunghezza d’onda.

È vero che il quadro di riferimento presenta alcune importanti discrepanze da quanto evidenziato sopra. La buona notizia è che l’elenco degli argomenti su cui può vertere la prova non è troppo lungo ed è abbastanza comune. A parte i punti in cui si dice che lo studente deve saper lavorare con i dati sperimentali, per i quali vale quanto detto sopra.

Effettivamente si possono esprimere perplessità circa la presenza dei corpi rigidi, che non sono certo tra i più semplici da trattare, né tra gli argomenti più amati. Anche la presenza dello spettro di corpo nero tra questi argomenti non è molto coerente con le indicazioni nazionali. 

La mia interpretazione è che il cenno ai corpi rigidi è presente perché all’ultimo punto dei quadri di riferimento per la fisica è citato il momento delle forze magnetiche agenti su una spira. È evidente che se si vuole trattare questo caso il concetto di momento di una forza occorre introdurlo. Non ritengo che ci possano (debbano) essere veri problemi sui corpi rigidi in un compito d’esame. 

Per quanto riguarda il cenno al corpo nero, invece, va detto che nelle indicazioni nazionali è citato, sebbene sembrerebbe non fondamentale (non lo è, in effetti). La trattazione teorica dello spettro di corpo nero è particolarmente complessa e non adatta a essere discussa in dettaglio in un liceo: di conseguenza non si vede come si possano formulare problemi che vadano al di là di qualcosa con un taglio che  però dovrebbe rientrare nella tipologia di problemi di carattere sperimentale. Da questo punto di vista dovrebbe essere sufficiente conoscere il problema del corpo nero a livello molto qualitativo per cui si possono immaginare problemi per i quali basta estrarre dati da un grafico o da tabelle, senza conoscere troppo a fondo il formalismo di questo fenomeno.

Come sempre, quanto sopra è una mia interpretazione naturalmente possono sempre essere smentito dai fatti. Ritengo però che, al di là di qualche critica che certamente si può avanzare nei confronti delle prove proposte come simulazione, tali prove siano sostanzialmente equilibrate. Le simulazioni servono anche a sondare l’umore degli insegnanti e a calibrare meglio la prova d’esame. Va sempre ricordato che le prove sono preparate a cura di colleghi della Scuola, che quindi dovrebbero rendersi conto delle capacità degli studenti di un liceo e dovrebbero essere in grado di calibrare la prova in gradi di difficoltà differenti.

Va anche ricordato che non ci si aspetta che tutti gli studenti siano in grado di portare a termine l’intera prova (un problema e quattro quesiti a scelta tra due problemi e otto quesiti). Le valutazioni dovrebbero andare da un minimo che corrisponde all’individuazione qualitativa delle principali leggi fisiche che governano i fenomeni descritti nei quesiti al massimo che corrisponde a una soluzione formalmente e numericamente corretta di tutte le prove.

Un nuovo kg

Venerdì 16 novembre è stata adottata una nuova definizione dell’unità di massa a livello internazionale: il kg.

Fino a ieri il kg era definito come la massa di un cilindro di una lega di platino e iridio conservata sotto tre campane di vetro presso il Bureau International des Poids e Measures a Parigi. Una definizione che creava qualche problema dal momento che il cilindro è, per quanto protetto, soggetto a usura e all’accumulo di polveri estranee.

Da ieri il kg è definito in termini di una costante universale: la costante di Planck. Si è deciso che la costante di Planck vale 6,626 070 15 ×10-34 kg m2 s-1. Essendo la costante definita in questo modo, come la velocità della luce non ha errore. Il kg dunque è la massa per la quale la costante di Planck assume il valore che le è stato dato.

Una volta definita l’unità di misura si deve però anche spiegare come si ottiene un campione di tale unità, la cosiddetta mise en pratique. Per il kg la mise en pratique consiste in un’accurata operazione di misura del peso (che non è la massa, ma è a essa legata attraverso la relazione secondo la quale il peso di un oggetto di massa m è dato dal valore di tale massa moltiplicata per l’accelerazione di gravità). Per eseguire questa misura di precisione si usa una bilancia di Kibble. La bilancia, idealmente, funziona nel modo seguente. Su un piatto si mette la massa da misurare. Per effetto del peso il piatto subisce una forza d’intensità mg. Sull’altro si trova, disposto in modo da giacere sul piano orizzontale, una bobina di filo conduttore di lunghezza ℓ che è posta in un campo magnetico radiale B. Se si fa circolare una corrente I nella bobina, questa subisce una forza diretta verticalmente di modulo BIℓ. Se la forza dovuta all’interazione tra campo magnetico e filo è verticale e con verso opposto a quella di gravità si ha che

mg = BIℓ

da cui si ricava m. In alternativa si può misurare la fem che si misura ai capi della stessa bobina quando questa si muove verticalmente con velocità v nello stesso campo magnetico B. In questo caso la Legge di Faraday-Neumann prevede che la fem sia uguale alla variazione di flusso del campo magnetico che attraversa la bobina. Idealizzando la bobina come una spira circolare, cadendo questa descrive un cilindro la cui superficie laterale è l’unica attraversata (perpendicolarmente) dal campo magnetico. Il flusso del campo è dunque

Φ = BS = Bℓh = Bℓvt

Di conseguenza la sua variazione nell’unità di tempo vale

V = ΔΦ/Δt = Bℓv

da cui si ricava che il prodotto Bℓ vale V/v, con V che è uguale alla tensione che si misura ai capi della bobina mentre si muove. Possiamo cosé eliminare il prodotto Bℓ alla prima relazione e ottenere

mgv = IV

Nella pratica la misura di I e di V è effettuata attraverso dispositivi quantistici (a effetto Josephson) che permettono misure molto accurate perché i valori di corrente e di tensione che si misurano sono quantizzati. Resta il problema di determinare con precisione g e v. Queste misure sono affidate a interferometri laser che misurano lo spostarsi delle frange d’interferenza prodotta dalla luce riflessa da uno specchio montato sulla bobina o su un dispositivo lasciato cadere per misurare con precisione l’accelerazione di gravità (gravitometro).

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.