Elettromagnetismo e Circuiti

1. Elettromagnetismo e Circuiti uno dei Laboratori PLS di Fisica a Lecce Andrea Ventura Dipartimento di Matematica e Fisica “E. De Giorgi” Università del Salento Convegno Scientifico sul PLS Città della Scienza (Napoli) – 12 e 13 Dicembre 2013

2. Il Piano Lauree Scientifiche di Fisica a Lecce I Laboratori PLS prevedono una fase teorica introduttiva, una di progettazione di esperienze di laboratorio insieme ai docenti delle scuole, la loro realizzazione e esecuzione, una fase in cui l'esperienza è portata in classe e la fase finale di discussione e presentazione dei risultati.  Personale dell’Università del Salento coinvolto nel PLS 2010-12 e nel 2012/13: Paolo Bernardini, Giovanni Buccolieri, Maria Luisa De Giorgi, Marcella D’Elia, Sergio Fonti, Luca Girlanda, Edoardo Gorini, Luigi Martina, Vincenzo Orofino, Fabio Paladini, Francesco Strafella, Andrea Ventura Sezione di Lecce Ex-collegio Fiorini Università del Salento

3. Laboratori PLS proposti alle scuole superiori Elenco delle Scuole nel PLS-Fisica 2012/13 Liceo Scientifico “F. Capece” – Maglie (Le) Liceo Scientifico "De Giorgi" – Lecce Liceo Scientifico "Q. Ennio" – Gallipoli (Le) Liceo Scientifico "G. Ferraris" – Taranto IISS "E. Ferdinando" – Mesagne (Br) ITIS "E. Fermi" – Lecce Liceo Scientifico "G. Galilei“ – Nardò (Le) ITT "Giorgi" – Brindisi ITIS "E. Mattei" – Maglie (Le) Liceo delle Scienze Umane“A.Moro”–Maglie(Le) Liceo Classico "G. Palmieri" – Lecce Liceo Scientifico “Pepe Calamo” – Ostuni (Br) Liceo Polivalente "Q. Punzi“ – Cisternino (Br) Liceo Scientifico "G. Stampacchia"– Tricase (Le) IISS "S. Trinchese“ – Martano (Le) Liceo Scientifico "G. C. Vanini“ – Casarano (Le) Liceo Classico "Virgilio“ – Lecce • Nell’ambito del PLS di Fisica a Lecce da alcuni anni alle scuole delle province di Brindisi, Lecce e Taranto viene proposta una serie di Laboratori, realizzati secondo le direttive del Progetto: • Elettromagnetismo e Circuiti • Fisica Ambientale • Introduzione alla Fisica Moderna • Ottica • Spettroscopia applicata all’Astrofisica • Termologia e Termodinamica

4. Il Laboratorio di Elettromagnetismo e Circuiti “Elettromagnetismo e Circuiti” è uno dei Laboratori PLS di Fisica istituiti presso l’Università del Salento. Sorto dall’esigenza di colmare lacune nella strumentazione scolastica ed aumentare la visibilità del Corso di Laurea in Fisica presso gli studenti delle superiori, il Laboratorio si è configurato a partire dall’anno scolastico/accademico 2010/11 secondo le Linee Guida del PLS. In base alla disponibilità fornita dalle scuole superiori nel quadro dell’offerta formativa, negli ultimi tre anni il Laboratorio ha coinvolto un numero di studenti variabile tra i 15 e i 40, provenienti da un minimo di due scuole a un massimo di sei. Normalmente si tratta di licei scientifici e di istituti tecnici. L’obiettivo specifico di questo Laboratorio è di completare l’apprendimento dell’elettromagnetismo con una dimensione empirica, che riscontra notevole interesse ed entusiasmo da parte sia degli studenti che degli insegnanti delle scuole partecipanti.

5. Organizzazione del Laboratorio • Negli ultimi anni il Laboratorio PLS di Elettromagnetismo e Circuiti è stato avviato attorno alla metà di dicembre. • Gli argomenti da affrontare nel Laboratorio a quel punto dell’anno scolastico non sono ancora stati trattati a lezione dagli insegnanti, per cui, subito dopo l’iniziale riunione di coordinamento tra i docenti del Dipartimento e gli insegnanti delle Scuole, occorrono due lezioni frontali introduttive. • In queste lezioni, con adeguato rigore ma senza eccessivo dettaglio, vengono descritte le leggi fisiche da verificare, per poi illustrare le varie fasi delle esperienze da svolgere in laboratorio negli incontri successivi.

6. Guida ai Laboratori PLS • Come anche per gli altri Laboratori PLS proposti a Lecce, le esperienze didattiche del Laboratorio di Elettromagnetismo e Circuiti sono illustrate in una guida (fornita agli studenti sia in formato digitale che cartaceo), utile all’impostazione ed allo svolgimento di tutte le attività laboratoriali.

7. Strumenti per l’analisi dei dati • Viene inoltre proposto un breve tutorial seguito da un’esercitazione su un software di analisi dati (il pacchetto ROOTfornito gratuitamente dal CERN) per rappresentare i dati sperimentali raccolti e adattarli a generiche funzioni matematiche. • Tale proposta viene di norma accolta dagli studenti che abbiano già acquisito elementi di programmazione al computer: in alternativa si procede all’impiego di altre soluzioni come il più popolare MicroSoft EXCEL. • Le lezioni iniziali sono svolte in un’aula multimediale del Dipartimento, con videoconnessione in favore degli istituti aventi maggiori problemi di spostamento. • Agli studenti sono fornite in omaggio delle chiavette USB (da 4 GB) personalizzate per conservare ed elaborare i dati che saranno raccolti in laboratorio.

8. Le esperienze del laboratorio • Il Laboratorio di Elettromagnetismo e Circuiti verte su sei esperienze didattiche, ciascuna organizzata in modo da essere svolta in un tempo di circa 1.5 ore da un gruppo di 3-4 studenti: • l’esperienza di Millikan, • il catino elettrolitico, • la scarica del condensatore, • l’oscilloscopio didattico, • il sistema molla-magnete, • il solenoide attraversato da corrente.

9. L’esperienza di Millikan Obiettivo: verificare la quantizzazione della carica elettrica. La raccolta dei dati è agevolata dall’impiego di un’interfaccia tra una videocamera e un computer .

10. Il catino elettrolitico Obiettivo: rappresentare le linee equipotenziali di campi elettrici in un sistema di due elettrodi con una definita geometria (cariche di tipo puntiforme o distribuzioni lineari di carica). È un’esperienza di tipo qualitativo.

11. La scarica del condensatore Obiettivo: misurare il tempo di scarica e verificarne la relazione con resistenza e capacità in un circuito RC.

12. L’oscilloscopio didattico Obiettivo: caratterizzare la forza di Lorentz al variare della corrente e del campo magnetico.

13. Il sistema molla-magnete Obiettivo: studiare l’induzione elettromagnetica e metterla in relazione con altri fenomeni elettromeccanici. Il sistema è analizzato tramite un sensore di tensione interfacciato con un computer per l’acquisizione dei dati.

14. Il solenoide attraversato da corrente Obiettivo: misurare il campo magnetico associato e stimare la permeabilità magnetica in aria

15. Discussione e valutazione dei risultati • Ciascun gruppo di studenti svolge le sei esperienze due alla volta nell’arco di tre incontri pomeridiani in laboratorio (di 3-4 ore), in base a un calendario prestabilito secondo una rotazione dei vari gruppi. • Concluse le attività in laboratorio, ciascun gruppo prepara e consegna per ogni esperienza realizzata una relazione, completa di analisi dei dati raccolti e di opportune considerazioni finali (la consegna può avvenire in forma cartacea o digitale). Le relazioni vengono corrette dai docenti e discusse con gli studenti in un successivo incontro durante il quale, • di comune accordo con i docenti, gli studenti individuano una o due esperienze da approfondire ulteriormente. • A tal riguardo gli studenti preparano una presentazione dettagliata (di 10-15 trasparenze), da esporre nell’incontro conclusivo, e dalla quale emergono ulteriori elementi di valutazione.

16. Giornate di condivisione del PLS di Fisica • L’incontro conclusivo è incluso nelle “giornate di condivisione del PLS di Fisica”, durante le quali viene mostrata a tutti i partecipanti del Progetto una selezione delle presentazioni rappresentative di tutte le sei esperienze di laboratorio. • Agli studenti valutati positivamente viene rilasciato l’attestato di partecipazione al Laboratorio di “Elettromagnetismo e Circuiti”. • L’attestato di partecipazione al PLS è valido per ottenere due CFU, spendibili in caso di iscrizione al Corso di Laurea in Fisica a Lecce. • La partecipazione al PLS è inoltre un titolo valutato anche in selezioni basate sul merito aperte a tutti gli studenti iscritti al Corso di Laurea (ad esempio un recente viaggio al CERN).

17. Alcune considerazioni generali • Grazie alla dedizione degli insegnanti ed all'entusiasmo degli studenti, i contenuti del Laboratorio di “Elettromagnetismo e Circuiti”, come pure degli altri Laboratori PLS, sono stati recepiti in maniera più che soddisfacente. • L’impatto in termini di qualità degli iscritti al Corso di Laurea in Fisica a Lecce è positivo: negli ultimi anni la percentuale di iscritti provenienti dal PLS è passata dal 10% al 20% circa. • Tra le criticità riscontrate vanno segnalati alcuni problemi logistici (per fortuna non insormontabili), tra cui il fatto che alcuni istituti, soprattutto i più distanti, pur col sostegno dei fondi PLS, hanno avuto difficoltà a coprire i costi dei trasporti per tutti gli incontri, per cui talvolta gli studenti per spostarsi si sono dovuti organizzare autonomamente.

18. Conclusioni e prospettive • Per il futuro si intende migliorare o sostituire alcune esperienze didattiche, nella direzione di favorire al massimo la fruibilità da parte degli studenti. • Si intende monitorare e analizzare nel corso degli anni le loro scelte universitarie, per ottenere così un riscontro dell'efficacia del lavoro di orientamento svolto. • Per l’anno scolastico 2013/14, l’azione del PLS potrà migliorare ulteriormente anche grazie all’iniziative di alcune scuole che hanno attivato dei PON in ambito C2 specificamente dedicati ai Laboratori PLS di Fisica. Giornate conclusive PLS di Fisica Lecce, aprile 2012

19. Grazie dell’attenzione! Giornate conclusive PLS di Fisica Lecce, 11 aprile 2013 Dipartimento di Matematica e Fisica “Ennio De Giorgi” Università del Salento