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.

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.

 

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.

La stima di π

Il problema della cosiddetta quadratura del cerchio è molto antico. Consiste nella determinazione dell’area di un cerchio di raggio 1 (l’area del cerchio di raggio qualsiasi essendo semplicemente quella del cerchio di raggio 1 moltiplicata per il raggio al quadrato). Un modo per definire questa misura è il seguente: prendiamo un cerchio di raggio 1 e inscriviamolo in un quadrato, che evidentemente deve avere lato pari a 2 (e dunque area pari a 4). Se chiamiamo π l’area di questo cerchio, il rapporto tra quest’area e quella del quadrato è π/4.

Il 14 marzo è il cosiddetto Pi Day: il giorno del pi greco (in inglese la data del 14 marzo si scrive 3/14). Questo post è dunque un suggerimento per attività didattiche da portare avanti in quella giornata.

Se si distribuiscono N punti in maniera uniforme all’interno del quadrato, una frazione di essi cadrà all’interno del cerchio ed è evidente che il numero di punti che cade all’interno del cerchio diviso il numero di punti N sarà in media uguale al rapporto delle aree di queste figure. Chiamando Nint il numero di punti interni al cerchio possiamo perciò dire che

Nint/N ≃ π/4,

e, di conseguenza, possiamo stimare π semplicemente contando il numero Nint che cade all’interno del cerchio:

π ≃ 4Nint/N.

La statistica c’insegna che la precisione con cui potremo determinare il valore di π sarà tanto migliore quanto maggiore sarà il numero di punti Nint, che a sua volta dipende da N.

Con il linguaggio di programmazione Scratch anche i bambini possono scrivere un semplice algoritmo per stimare il valore di π.

All’indirizzo https://scratch.mit.edu/projects/149703806/ si può vedere in funzione il programma piCat che fa proprio questo. Il gattino di Scratch chiede quanti punti N si devono generare e comincia a mettere un pallino in punti a caso scelti all’interno del quadrato. Quando il pallino si trova nel cerchio (e questo lo si determina controllando il colore col quale il pallino è in contatto) cambia colore e incrementa il valore di un contatore Ninside. La stima di π è costantemente aggiornata. Con N=2000 si trovano valori molto prossimi a quello vero, pari a 3.1415926535897932384626433832795028841971693… (alla pagina http://www.piday.org/million/ trovate il valore di π con un milione di cifre dopo la virgola).

Simulazione di campi magnetici

Nei giorni scorsi, preparando le mie lezioni di Fisica per Biotecnologie, cercavo un modo efficace di spiegare qualitativamente come mai il campo magnetico prodotto da molte spire sia relativamente uniforme all’interno e poco intenso all’esterno del gruppo di spire. Volevo anche includere questa spiegazione nel mio e-book Fisica Sperimentale, che sono vicino a terminare (almeno per quanto riguarda i suoi contenuti: la forma e le eventuali correzioni richiederanno ancora molto tempo).

Non trovando nulla di soddisfacente sulla rete ho deciso di scrivere da me il software necessario (il codice è disponibile su bitbucket). In fondo non è difficile. Si parte da un filo percorso da corrente che produce un campo magnetico le cui linee di forza sono circonferenze centrate sul filo e la cui intensità è data dalla Legge di Biot-Savart.  Una spira circolare, a questo punto, si può pensare come a una coppia di fili: per simmetria, infatti, due punti opposti sulla spira sono equivalenti a tutti gli altri e ciascuno produce un campo equivalente a quello prodotto da un filo tangente alla spira in quel punto.

Avendo a disposizione il campo di una spira si può calcolare quello prodotto da molte spire semplicemente sommando (vettorialmente) quello prodotto da ciascuna di esse in un dato punto dello spazio.

Ho così scritto un programma che calcola il campo di N spire sovrapposte e di una spira che si trova a una certa distanza da queste, con l’asse allineato a quello delle altre. Facendo variare la distanza di quest’ultima spira se ne simula l’avvicinamento al gruppo di N spire. Per ogni distanza produco quindi un grafico che rappresenta con un codice di colori l’intensità del campo in un punto e uno nel quale disegno i vettori campo in punti selezionati. Salvo i grafici in altrettante immagini e da queste genero un gif animato che fa vedere come evolve il campo in questione.

Qui sotto si vede l’animazione che rappresenta le N spire che cadono l’una sull’altra: l’intensità del campo magnetico tra le spire diventa via via più grande e uniforme (in bianco sono rappresentati i campi più intensi).

Nel video sotto invece si vedono i vettori campo magnetico in diversi punti dello spazio. Si può notare come, vicino a una singola spira, il vettore campo descriva circonferenze concentriche attorno alla spira. Sommandosi, i campi di molte spire danno luogo a un campo praticamente uniforme all’interno del solenoide formato da tante spire e orientato come il suo asse.

Le immagini sono state ottenute con gnuplot e i filmati con il programma convert di Linux.

Se siete interessati ai dettagli potete contattarmi agli usuali recapiti. Il codice è rilasciato con licenza GPL ed è quindi pubblico e utilizzabile da chiunque.

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!

Al via la Scuola di Fisica con Arduino e Smartphone

Oggi abbiamo iniziato il percorso verso una nuova didattica del laboratorio di fisica: è il primo di tre giorni di scuola di Fisica con Arduino e Smartphone. La scuola, realizzata nell;ambito dei programmi previsti nell’ambito del Piano Lauree Scientifiche, è promossa da Sapienza Università di Roma, con la collaborazione delle Università di Roma TRE, Milano Bicocca e Paris-Sud e con il supporto di Fondazione Mondo Digitale. Oltre che da me, le lezioni sono tenute da Frederic Bouquet, dell’Università di Paris-Sud e da Tommaso Tabarelli de Fatis, di Milano Bicocca.

Il primo giorno di scuola prevedeva tre tutorial: uno sull’uso e la programmazione di Arduino, uno sull’uso dei sensori per Arduino per l’esecuzione di misure di fisica e una terza sull’uso di smartphone per la realizzazione di esperimenti.

Alla scuola partecipano 20 insegnanti di scuola superiore, che in questo modo impareranno a usare le nuove tecnologie per l’esecuzione di esperimenti più moderni in classe o fuori.

Abbiamo mostrato come si possano studiare, con pochi euro e uno sforzo tutto sommato minimo, la variazione della resistenza elettrica con la temperatura, la percolazione, l’isteresi magnetica, l’effetto Doppler, la propagazione del suono e molto altro. Con gli smartphone si possono eseguire misure di forza, di intensità sonora e di luce e si possono osservare direttamente fenomeni come i battimenti e l’interferenza. L’analisi spettrale dei suoni è semplicissima e si possono eseguire misure accurate di varie grandezze fisiche.

Da domani gli insegnanti si cimenteranno con il laboratorio vero e proprio: saranno infatti chiamati a progettare e quindi a realizzare e condurre un esperimento da zero, usando il materiale a disposizione nel FabLab di Mondo Digitale o acquistabile con un piccolo budget.

Le foto della giornata le trovate qui.

Smartphone Physics

Nei giorni scorsi abbiamo predisposto alcuni semplici esperimenti che si possono realizzare con uno smartphone. Gli esperimenti in questione riguardano lo studio dei sistemi di riferimento non inerziali e si possono realizzare grazie al fatto che su ogni dispositivo di questo tipo è presente un accelerometro che permette al telefono di sapere in quale posizione si trova (verticale, orizzontale, poggiato su un tavolo).

Per realizzare questi esperimenti usiamo un’App gratuita il cui nome è Wireless IMU, scritta da Jan Zwiener. IMU non sta per Imposta Municipale Unica, ma per Inertial Measurement Unit: il software trasmette attraverso una rete WiFi i dati dei sensori del telefono che contengono informazioni rilevanti al fine di determinarne la posizione.

Una volta installata la App io ho scritto un’applicazione Java che intercetta i dati trasmessi dal telefono e li usa, negli esempi che ho previsto, per mostrarne il grafico in funzione del tempo e registrarli su un file per un’analisi successiva. Il software è, naturalmente, libero e si può scaricare all’indirizzo https://bitbucket.org/organtin/wimu. Essendo scritto in Java il software può girare su qualunque PC, indipendentemente dal sistema operativo. Il fatto che il codice sorgente sia aperto permette a chiunque di modificarlo e di realizzare l’applicazione che crede.

Le applicazioni al momento previste sono Imu e ImuFreeFall. La prima si limita a fare un grafico delle tre componenti dell’accelerazione in funzione del tempo. Mettendo il telefono su una piattaforma girevole si vede come l’accelerazione lungo il raggio diventi non nulla. Il dispositivo infatti si troverà in un sistema non inerziale con una componente centrifuga dell’accelerazione. Per eseguire l’esperimento si può usare un vecchio giradischi. Fissate bene il telefono sulla superficie per evitare che scivoli via (un modo consiste nell’incollare una cover sulla superficie girevole e fissare il telefono su quest’ultima).

ImuFreeFall mostra il valore della componente y dell’accelerazione e il modulo di quest’ultima in funzione del tempo. L’applicazione si arresta automaticamente quando il telefono passa da accelerazione nulla ad accelerazione diversa da zero. Se si tiene il telefono in verticale, l’accelerazione misurata lungo questa direzione è quella di gravità: 9.8 ms-2. Nel momento in cui lo si lascia cadere quest’accelerazione passa improvvisamente ad assumere il valore zero. Il telefono, infatti, si trova in un sistema di riferimento non inerziale con accelerazione costante. Appena la caduta si arresta l’accelerazione torna ad assumere il valore normale e l’applicazione si ferma. In questo modo si può sperimentare l’effetto del famoso ascensore in caduta libera descritto sui libri di fisica, per il quale dubito che qualcuno voglia fare l’esperimento. Naturalmente, per evitare che l’esperimento si possa eseguire una sola volta, il telefono va fatto cadere su un’opportuna superficie che attutisca l’urto: un secchio pieno di cuscini o di fiocchi di polistirolo da imballaggio funziona perfettamente (basta avere buona mira o un’area di caduta molto ampia).

The Minchioduino

There are words, in Italian, that are not very polite, who becomes funny and acceptable when they change gender. That’s the case for “minchio” (pronounced minkio), used to give a name to something that does not have a name or for which you don’t know it.

A friend of mine bought, few weeks ago, a device to control remotely the air conditioners in his house on the beach. The device was supposed to learn from any remote controller and replicate its behaviour. It can be controlled from a phone using SMS. Sadly, that device did not work for my friend. In fact it works fine with all other appliances (TV, VCR, etc.), but for the air conditioners.

I then proposed to build it from scratch using an Arduino, an IR sensor, an IR LED and a GSM shield. We tested a prototype of it as follows: after a bit of hacking of the Shirriff’s libraries for IR remotes, we were able to read the whole set of codes produced by the air conditioner remote controller (air conditioners’ codes are much longer than TV ones); we then tried to mimic them using our LED, but unfortunately it didn’t work, too. Hard to say why.

However, a maker never gives up: failure is not an option! Hence I switched to plan B. I opened the remote DSC_0399controller and found the contacts corresponding to each key. A picture of the remote controller board is on the left: pressing a key makes a short circuit between two tracks on the board (the black ones). Such tracks are made of a conductive paint on top of the copper tracks behind them. They are separated from them by means of a thin isolation layer. I then carefully removed, usingDSC_0401 (1) sand paper, both the conductive tracks and the isolation layer in order to access the copper tracks. You can see the result in the photo on the right. The conductive paint connects with copper tracks where you can see those small copper dots in the picture: making a short circuit between two appropriate contacts produces the same effect of pressing a key.

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This way, I could solder wires on the board. Since the tracks are quite fragile, I fixed the wires along the tracks using some wax dropped from a candle (quite smart, uh? See pictures). Each pair of wires were connected to the pins of a CD4066, an integrated circuit with four  switches that can be controlled by means of a digital signal. I used two CD4066 (I needed to switch the air conditioners on to heat and to cool, to switch it off, to increase and decrease the temperature).

The inputs for the CD4066 is driven by an Arduino YUN. It also reads an LM35 sensor to get the current temperature. The YUN is the ideal board because it connects to WiFi, that is available in my friend’s home. It also run a custom Linux version on which I can run a python script. We called such a system: the minchioduino.

Using the techniques explained in a previous post of mine, I was able to do the following: the Arduino continuously  polls the twitter timeline of my friend. A command for the minchioduino consists of a tweet starting with “#minchio“, followed by the command that can be heat, cool, off, + or - (whose meaning is obvious). You can even start heating or cooling for a given amount of time, then the system automatically stops after the specified time (e.g. #minchio heat 0.2 switches on heating for 12 minutes: 0.2 hours). Once a command is got, it is removed from the twitter timeline, while the current status is posted. This way the user knows if the system accepted the command and what is the actual status.