Le e,5-8marzo2003
Un mondo di esperienze
alla portata dei nostri sensori
MirellaRafanelli
Li eoS ienti o\Vanini"-Casarano(Le)
1 Introduzione
Oggettodiquesta omuni azioneel'esperienzaderivatadall'usodisistemidi
a quisizioneeanalisididatiintemporealeRTL(RealTimeLaboartory)in
unlaboratorios olasti o. IlnostroLi eo,infatti,estatoattrezzato5anni
fa on appare hiature ostituite da al olatri i gra he TI92, interfa e
CBL(Cal ulator Based Laboratori) e sensori di moto, suono, luminosita,
temperatura, ampo magneti o, tensione, pressione,in quantita adeguata
afare esperienze sia dalla attedra he a gruppi. Si e fatto uso, inoltre,
delsoftware ne essario per metterein omuni azione la al olatri e onil
CBLela al olatri e onil PC. L'averusato lenostre appare hiaturein
pare hie lassieindiversesituazioni, i onsenteditiraredelle on lusioni
sui vantaggi e gli in onvenienti di questo tipo di attivita di laboratorio
rispettoaquellotradizionale. Sinteti amente,sipuoin orrereinris hidi:
dipendenzaoperdita di on denza onmezzipiu tradizionali;
onfusione tra ne e mezzo: l'uso dell'appare hiaturae spesso os
oinvolgentedafarperderedivistal'obiettivoprin ipale;
ladiÆ oltadi distingueretra idatisigni ativiequellia essori he
l'attrezzaturaregistra,naturalmente, ongrandedettaglioeinmodo
deltuttoimparziale;
disillusione,dopouninizialeentusiasmo,perl'inattesadiÆ oltanel-
l'e ettuare ertemisureointerpretare ertidati.
Aquestifanno ris ontronotevolivantaggi:
grandevarietadi esperienze;
sostanzialeidentitadiusodeivarisensori;
rapiditadi ese uzioneeimmediatezzadellavisualizzazione;
versatilitanellaelaborazionedei datiemodellizzazione;
Esperienze ome la veri a della legge di Boyle (e dei gas in generale),
la ari a e s ari a del ondensatore, lo studio di moti di vario genere, le
urvediris aldamento-ra reddamento,misuresullaforzadiattrito stati o
e .,sirealizzanoabbastanzafa ilmentean he onattrezzaturetradizionali.
L'attrezzaturaRTL onsentediripetereognirilevamento ongrandefa ilita
e onun'abbondanzadidettagli he onsentonodi rintra iareregolaritae
\e ettise ondari"altrimentiinavvertibili.
Esperienzenonstandardsuargomenti urri olari.
Sonoesperienze hetrovano fa ilmente postoin un normale urri ulum di
si aper henonpresentanoparti olaridiÆ olta on ettuali,ma hesareb-
bero ben diÆ ili da realizzaresenza RTL. Ad esempio, on un mi rofono
omesensoresipuomisurarelavelo itadelsuonoovisualizzarela\forma"
di unaqualunque su essionedisuoni. Conunsonarsi possonostudiarei
gra idivarimoti, ompresoquellodiunapalla herimbalzasulpavimento
odiunoggetto heos illaatta atoadunamolla.
Figura1:
La possibilitadi attivare automati amente (per mezzo di un omando
\Trigger")l'iniziodell'a quisizionedidatidapartediunasondaditensione
onsente di visualizzare fenomeni di brevissima durata ome i transienti
nei ir uitiRL, extratensionidi hiusuraoaperturadi ir uiti,latensione
indotta in una bobinainteressatadalmoto di unmagnete permanente (il
magnete he adenellabobina)
Figura2:
o a oppiata ad un'altra bobina per orsa da orrente variabile. Una
sondaHall ollegata al CBL onsente di studiare l'andamento del ampo
magneti oinprossimitadi onduttoriper orsida orrente,e os via.
Esperienzesuargomentinon urri olari
La fa ilita di ese uzione di erte esperienze puo in oraggiare l'intro-
duzione di argomenti non strettamente urri olari, ome i battimenti di
suoni emessi da due diapason di frequenze vi ine, le aratteristi he ten-
sione orrentedi diodi odilampadine, losfasamentotra orrente e ampo
magneti oinuna bobina onnu leodi ferro...
Esperienzeo asionali
Glistrumentidi misuradi uisi parlasonoportatiliedi ingombromi-
nimoper iopossonoessereusati onfantasianellesituazionipiuvarie. Negli
s ambitra olleghionellastampadell'asso iazioneADTsiriferis onorile-
vamentisufenomeni henonsipossonoripetereinlaboratorio: levariazioni
diluminositaetemperaturaduranteun'e lisse,levariazioniditemperatura
inariaosottoilmanto dinevedurante unanevi ata,l'a elerazionedi un
aereoduranteil de ollo,levariazionidi pressionedurante unagitainmon-
tagna,il antodiungrillo.
una sorgente puntiforme, la legge di Ohm, l'andamento esponenziale del
ra reddamento).
Esperienzesemiquantitative
In erti asinon ontatantoilrisultatonumeri oa uisipuopervenire,ma
eimportanteri er areregolaritaooperare onfrontitradatiogra i. Come
esempioriportiamoinsu essioneigra idell'energia al olataelaborando
idatirelativialla palla herimbalza. Energiapotenzialeed energia ineti-
arispettoaltemposono primariportatesingolarmente,poisommate per
mostrare hetraunrimbalzoel'altrol'energiame ani asi onserva;in ne
itregra isonosovrappostiper onfrontaremeglio,istanteperistantequal
eil ontributodellevarie formedienergianel bilan io omplessivo.
Esperienzesoloqualitative
Ilfatto hetalvolta isilimitaavisualizzareeri etteresuigra i,per he
etroppodiÆ ileri avaredatiquantitativamenteapprezzabilida erteespe-
rienze, non ne diminuis e l'importanza. Si puo vedere, ad esempio, l'in-
uenzadell'evaporazionesulra reddamentodiunliquido,odellaformadel
nu leo sulla ostante tempoin un ir uito LR, odella maggiore ominore
rapiditadi ompressionedell'ariainunasiringasullavariazionedipressione
4 Esperienze per quali obiettivi
In ne possiamo interrogar isu quali sono gli obiettivi he i proponiamo
nell'eseguire le varie esperienze. Ci limitiamo ad elen arli e i so ermia-
mosolo suquelloriportatoperultimo he isembraillustraremegliouna
delleopportunitapiuinteressantio ertedallenuovete nologie. Illavorodi
laboratoriopuoservireper:
apprezzarelaportatadeinostrimodelli(eri avarneunagrati azione);
interrogar isui limitideinostrimodelli (ea quistaresenso riti o);
estenderelenostre onos enze;
a rontare problemi he ri hiederebbero onos enzematemati he he
nonpossediamo.
5 Avvi inare mondo teori o e mondo reale
L'insegnamentodella si a pro ede attraversouna serie di sempli azioni
e s hematizzazioni il ui \prodotto nale" sembra talvolta piu una bran-
adellamatemati a heuna s ienzasperimentale. Illavorodi sintesiedi
astrazioneeindispensabile per ostruire unquadroteori o oerente euni-
tario hespieghiifenomeni si iefornis aprevisioniesviluppite nologi i.
Naturalmentetuttofunziona n he isilimitaarisolvereproblemi ostruiti
tenendopresentequesto mondoideale. Quando,pero,si er a di ritrovare
questomondonellarealta,an heinquellapiuttosto\addomesti ata"diun
laboratoriodi si a,leattesesonospessodeluse. Lapossibilitao ertadalle
nuovete nologiedi eseguireeripeteremisurein po otemposu unostesso
fenomeno, di visualizzare immediatamente i gra i relativi e di elaborare
i datipuo ontribuire adappianare le di erenzetra teoriae mondo reale.
Riportiamotreesempis elti traitantipossibili.
6 I esempio: per sollevare un peso...
La forza puo essere ostante?
Perdeterminare il lavorofatto nel sollevamento di un orpo i manuali di
si apropongonogra ideltiporiportatoinFig. 4.
Figura4:
In ordinataeriportata laforza F =mg eser itatasul orpo,in as is-
sail dislivellotra l'altezza raggiunta ela posizione di partenza,l'area del
rettangoloequivale allavoro fattosul orpo. Ma non sempresi sottolinea
adeguatamente helaforzaduranteilsollevamentoe ostantesoloseilmoto
e uniforme; per ioperun orpoinizialmente fermo il gra oriportato ha
sensosoloselavelo itarimane ostantementevi inaazeroeilsollevamento
avvieneinuntempoin nitamentelungo. Ne isipuoriferirealfatto heil
ampogravitazionalee onservativo,per hedisolito l'esperienzades ritta
serveproprioperintrodurrequesto on etto...
Figura5:
Un sensoredi forza e unsonar, usati in questo aso onun'interfa ia
CBL2( al ulatorasedlaboaratory)euna al olatri egra aTI89,possono
aiutarea apirequello heavvieneduranteunnormalesollevamento(Fig.5).
Il software usato per rilevare e salvare i dati sulla al olatri e e Physi s
della Vernier, modi ato in una versione ADT-MAD del 2002. Forza e
altezzavengonorilevate ontemporaneamente eriportate ingra ouna in
funzione dell'altra. Sul medesimo gra o (Fig.6)erappresentataan he la
Figura6
Laforzahaunandamentoirregolare,mafa iledainterpretare:
nel primo tratto la forza eser itata e maggiore del peso dell'ogget-
to sollevato; infatti deveteneresollevatol'oggettoeimprimergliuna
a elerazione;
nelse ondo trattol'oggettorallenta noafermarsi, per iola forzae
minoredelpeso;
laforza mediaeugualealpesodell'oggetto;
Usando opportunamente il foglio elettroni o e gli strumenti di al olo
della al olatri esi puo ostruireil gra odellavoroin funzione dellapo-
sizioneeveri are heillavorospeso omplessivamentenelsollevarel'ogget-
toeugualeaquello hesiavrebbe onunaforza ostantementeparialpeso.
Figura7
I due gra i sovrapposti risultano inizialmente indistinguibili, nella gura
su essivainve e,dovesivedel'ultimotrattoingrandito,sinota heillavoro
nelsollevamento reale (linea ontinua)e maggiorea meta altezzarispetto
algra oteori o(lineaapunti): infattil'oggettosollevatoein movimento,
per iohaa quistatosiaenergiapotenziale he ineti a,mentrealla nedel
sollevamentoefermoeillavoro oin ide onquelloprevistoteori amente.
7 IIesempio: una ompressionein nitamente lenta !?
Un sensore di pressione, appli ato al foro di us ita di una siringa piena
sima sia ordamale onitempi del laboratorios olasti o, per iosiresta
onil dubbiodi farequal osadipo o orretto.
Figura8
Questoaspettodellaquestione puoessere hiarito onfrontandoi gra idi
due a quisizioni della pressione in funzione del tempo, ottenuti l'uno on
una ompressioneimprovvisa,l'altro onuna piugraduale(Fig.9).
Figura9
Intuttieduei asiil tempo omplessivoedi 5seivolumiinizialee nale
sonoglistessi. Ilrisultatoedeltuttorassi urante: l'e ettodellamaggiore
rapidita di ompressione si fa sentire,evero, ma solo peruna brevissima
frazione di tempo, poi si ristabilis e immediatamente l'equilibrio termi o
ri hiesto dallaleggedi Boyle.
8 III esempio: Il ris aldamento
Suilibrisitrovanospessosituazionidelgenere:
a quaesposta aduna fonte di alore.
Datala massad' a quadeterminare la potenzadella sorgentedi alore.
Oaltriproblemianaloghi.
Sembrafa ile...per henon provarea misurarela potenza di unfornellino,
oppureari avareil alorespe i odi unliquido ola ostantedi Joule on
unaresistenzanota?
Con un mini-ris aldatore da laboratorio da 13W e 22Ohm, immerso
su essivamente in tre re ipienti on uguali masse di a qua e alimentato
ontrediversetensionisivede helarealtaebendiversa.
Figura10
In tutti e tre i asi l'aumento di temperatura e tutt'altro he lineare, in
quanto diminuis e on l'aumentare della temperatura stessa, no a rag-
giungereunatemperaturalimitediversaperognidiversovaloreditensione.
Ilfenomenononeelementare ome quelloprevisto dalmodelloenonper-
mettedi al olarefa ilmente l'equivalente inJoule diuna Caloria,manon
e per questo meno interessante. Se ondo il livello di studio in ui si in-
seris el'esperienza,sipotrannodes riverequalitativamenteiltrasferimento
di aloretra resistenzaea qua equello traa qua eambiente ir ostante,
oppure si potra a rontare la questione on le funzioni esponenziali. Una
modellizzazioneinquestosensodi ottienefa ilmente onunprogrammadi
Figura11
Dal onfronto traleequazioni relativeatutti etrei gra i emergonodati
suiqualisipossonofarri ettereiragazzi,an hesottoformadiquestionario:
he osarappresentaBeper heepiuomenolostessointuttietrei asi?
Qualeelatemperaturadiequilibrioprevistadalnostromodelloneitre asi?
Per heilvalorediCaumentaall'aumentaredellatensionedialimentazione?
Figura12
Questedomandeaprono unaltroargomento hesarebbeopportuno dis u-
terequandosi intendonointrodurrelenuovete nologienellas uola: ome
valutarel'eÆ a iadellavorofatto?
Inqualisedie onqualimezzi?
