Cos’è il laboratorio RTL?

1. Cos’è il laboratorio RTL? • RTL significa Real Time Laboratory, ossia Laboratorio in tempo reale (detto anche Laboratorio on line) • Esso è basato su tre elementi fondamentali: • i sensori (o sonde) • l’interfaccia • il computer (dotato di un opportuno software)

2. Perché il laboratorio RTL? • Il laboratorio RTL si basa sui moderni strumenti tecnologici forniti dallo sviluppo dei calcolatori e dell’elettronica digitale • Esso ha avuto, negli ultimi anni, grande sviluppo e progressiva diffusione, anche a livello scolastico • Ma perché si dovrebbe sostituire il laboratorio didattico tradizionale con questi nuovi strumenti tecnologici? • I motivi sono molti: cercheremo di evidenziare i principali

3. Come si fa una misura oggi? • Nei laboratori di ricerca reali (non quelli didattici) le misure vengono fatte, al giorno d’oggi, quasi sempre con apparecchi connessi ad un computer • È perciò importante che gli studenti possano utilizzare apparati di misura che, almeno qualitativamente, si colleghino all’effettiva ricerca scientifica odierna

4. Il metodo scientifico • Si sente parlare molto, negli ambienti più vari, di metodo scientifico, ma pochi sanno che cosa sia precisamente • Certamente non è il metodo con cui vengono insegnate a scuola, tradizionalmente, le materie scientifiche! • Vogliamo quindi provare a proporvi un modo di avvicinare la Fisica simile a quello che praticano gli scienziati veri

5. Lo strumento di misura universale • Nel laboratorio RTL si usa in realtà un unico strumento di misura universale: • esso è costituito dall’insieme sensore + interfaccia + computer • Naturalmente si userà un sensore diverso per ogni tipo differente di grandezza fisica che si vuol misurare; ma lo strumento si rapporta con l’utente sempre nella stessa maniera!

6. Ruolo attivo e motivazione • Col laboratorio RTL è più facile organizzare l’attività didattica in modo che lo studente esegua in prima persona misure ed esperimenti • Anche se il laboratorio dispone di una sola copia dell’attrezzatura (sensore + interfaccia), la relativa abbondanza di computer nelle scuole superiori rende possibile quanto meno l’analisi individuale dei dati sperimentali! • Tutto questo, come ben sappiamo, aumenta la motivazione degli studenti nei confronti dell’attività sperimentale

7. Come funziona? • Come abbiamo gà detto, lo strumento universale è costituito dall’insieme sensore + interfaccia + computer • L’interfaccia è necessaria (quasi sempre) per convertire i segnali (elettrici) provenienti dal sensore in informazioni “comprensibili” al computer • L’interfaccia da noi utilizzata si connette al computer tramite l’ormai diffusissima porta USB (Universal Serial Bus)

8. Acquisizione di dati con sensori • Si utilizza un sensore per trasformare la grandezza oggetto in una più facilmente misurabile • La misura consiste nella conversione della grandezza da misurare nel risultato della misura, tramite una funzione di trasferimento • Per dare significato alla misura bisogna eseguire la taratura del sensore

9. Diversi tipi di sensori • Sensori a risposta digitale • danno in uscita direttamente un numero, che esprime il valore della grandezza misurata • Sensori a risposta analogica • danno in uscita una corrente o una tensione elettrica, il cui valore dipende dalla grandezza misurata

10. Sensore analogico • I sensori analogici producono un segnale continuoY(t): corrente o tensione • Il sistema di utilizzazione (calcolatrice grafica o computer) accetta solo valori numerici discreti delle grandezze • Il convertitore rende compatibile il sensore analogico con il sistema di utilizzazione

11. Convertitori analogico-digitali(ADC) • Nell’acquisizione RTL il segnale analogico deve essere digitalizzato • I convertitori ADC (Analogic Digital Converter) eseguono la digitalizzazione di un segnale analogico • Se il segnale arriva dal sensore già in formato digitale non c’è invece bisogno di conversione

12. L’interfaccia LabPro • Memorie Flash aggiornabili • Possibilità di acquisizione indipendente dal calcolatore • Frequenza massima di lavoro (non vale per tutte le sonde): 50kHz • Tempo minimo tra due campionamenti successivi: 20 ms • 4 canali analogici • 2 canali digitali • Una uscita analogica ± 3 V 100 mA (il quarto canale analogico) • 12 bit di conversione ADC • Memoria dati interna fino a 12000 punti

13. Software per la gestione dell’interfaccia LabPro con il PC • LoggerPro permette di collegare l’interfaccia LabPro alla porta USB del PC • Il software riconosce automaticamente l’interfaccia e i sensori ad essa collegati • Permette la calibrazione dei sensori e l’azzeramento • Consente una frequenza di campionamento che dipende dal tipo di sensore • Permette la lettura in tempo reale dei grafici e l’analisi dei dati sperimentali

14. Qualunque fit curvilineo! • A differenza di altri software (ad esempio il foglio elettronicoExcel), LoggerPro è in grado di realizzare il fit di un insieme di dati mediante una qualsiasi funzione definita dall’utente • L’unico limite è il numero di parametri contenuti nella funzione, che non può superare 6 • Si possono realizzare fit sia automatici sia manuali • La curva interpolatrice può essere visualizzata nel grafico insieme ai punti sperimentali

15. Sonar • Sensore digitale; il sonar rileva il tempo di andata e ritorno di un impulso ultrasonoro di frequenza circa 49 KHz • È predisposto per lavorare in aria in condizioni standard di umidità alla temperatura di 20°C • Emissione e ricezione avvengono dallo stesso dispositivo • Durante l’emissione il sensore non può ricevere: • questo corrisponde alla presenza di una zona “buia” davanti all’emettitore di circa 25 cm • La massima distanza rilevabile è circa 6 m • Il fascio si allarga con un cono di circa 20° • Range: 0.25 - 6m • Sensibilità: 1mm • Temperatura standard della taratura: 20°C

16. Sensore di forza • Sensore analogico; il funzionamento del sensore si basa sulla proprietà delle resistenze a film sottile: sottoposte ad allungamento od accorciamento variano la propria resistenza in modo proporzionale alla forza applicata • Nel sensore utilizzato le resistenze sono inglobate su film di plastica incollati alla superficie del campione che è sottoposto allo sforzo • La variazione di resistenza viene letta mediante un ponte di Wheatstone • La variazione di resistenza viene tradotta in una tensione nel range 0-5 volt • Anche questo sensore è sensibile alla temperatura • Range: ± 10N e ± 50 N • Sensibilità (dipende da ADC dell’interfaccia): • Scala ± 10N: 0.02 N con CBL 2 0.006 N con LabPro • Temperatura di funzionamento standard: 20°C

17. Termometro • Sensore analogico; i sensori sono dei termistori, cioè resistori a semiconduttore la cui resistività dipende dalla temperatura: • può aumentare con la temperatura (PTC) • o diminuire con la temperatura (NTC) • I termistori sono costituiti da materiali policristallini misti ad ossidi • I coefficienti di temperatura sono circa un ordine di grandezza maggiori che nei metalli • Range: –25 +125 °C • La sensibilità varia nelle diverse zone del range di funzionamento: • 0.03 °C tra 0 e 40 °C • 0.1 °C fino a 100°C • La capacità termica del termometro va determinata sperimentalmente

18. Sonda di tensione • È un sensore analogico • Può misurare tensioni nell’intervallo 10 volt • Il puntale nero è connesso a massa; bisogna tenerlo presente soprattutto se si usano più sonde contemporaneamente • La sensibilità è pari a 5 mV se la sonda è collegata a LabPro • Esisteva in passato un’altra versione della sonda, denominata raw voltage probe, che misurava tensioni da 0 a 5 V; ora non è più in produzione

19. Sonda di tensione differenziale • È un sensore analogico • Può misurare tensioni nell’intervallo 6 volt • Nessuno dei puntali è connesso a massa; questo consente di utilizzare contemporaneamente più sonde per misurazioni indipendenti (nessun estremo in comune) • La sensibilità è pari a circa 3 mV se la sonda è collegata a LabPro • L’impedenza di ingresso è di 10 M

20. Sensore di moto rotatorio • È un sensore analogico • Misura angoli di rotazione in senso orario o antiorario • Ha una sensibilità dell’ordine di un grado sessagesimale • Può essere utilizzato per varie misure; è in grado di misurare la posizione angolare, da cui si possono calcolare velocità e accelerazione angolari • Il particolare, è utile per lo studio del moto di un pendolo

21. RTL- Operazioni tipiche • Scegliere i sensori per le misure da eseguire • Collegare l’interfaccia al PC e i sensori all’interfaccia • Avviare il PC e lanciare il programma di acquisizione (LoggerPro): il programma riconosce automaticamente i sensori • Eseguire la calibrazione dei sensori • Scegliere la frequenza di campionamento dei dati e il numero di dati da raccogliere • Iniziare la raccolta dei dati; in generale la misura delle grandezze viene presentata sullo schermo in funzione del tempo

22. Esempio

23. Cosa faremo • Al termine di questa presentazione cominceremo ad esaminare in dettaglio il funzionamento del sistema RTL, in particolare del softwareLoggerPro • Ogni gruppo avrà a disposizione una postazione dotata di: • computer con software LoggerPro • interfaccia LabPro • sonar (sensore di posizione) • sensore di forza • sensore di temperatura (termometro)