la scienza dei materiali a scuola scaletta delle attività di laboratorio

LA SCIENZA DEI MATERIALI A SCUOLA
SCALETTA DELLE ATTIVITÀ DI LABORATORIO PRESSO LE SCUOLE
LABORATORIO DI BIOLOGIA
1) Consegnare la scheda N.1
2) Organizzare cinque gruppi di lavoro
IL MICROSCOPIO OTTICO
1) Mostrare blocchi del microscopio ottico e illustrare il funzionamento
2) Illustrare le caratteristiche del microscopio ottico
ESPERIMENTO N.1
1) Illustrare lo scopo dell’esperienza:
a) il campione è un pezzo di affresco proveniente da una villa romana del I sec. d. C. rinvenuta a
Trieste
b) si vuole stimare la dimensione dei cristalli azzurri visibili al microscopio ottico
2) Illustrare le fasi di lavoro
a) Osservazione del campione al microscopio stereoscopico attraverso la telecamera e la proiezione al
monitor televisivo
b) Consegnare le fotocopie spiegando che sono tre fotogrammi di una ripresa video del campione fatta
in data 11 XI 2002. Ricordarsi di indicare l’ingrandimento della foto ( 30 × )
c) Spiegare che si richiede di determinare il diametro medio dei più piccoli cristalli visibili e quello dei
più grandi
Nota per l’insegnante: i cristalli sono cuprorivaite CaCuSi4 O10 e si trovano su un deposito di calcite,
carbonato di calcio, CaCO3 .
3) Lasciare un po’ di tempo per annotare sulla scheda.
ESPERIMENTO N.2
1) Illustrare lo scopo dell’esperienza:
a) il campione è un pezzo di vassoio di polistirolo espanso usato per la conservazione della carne al
supermercato
b) si vuole descrivere la struttura del materiale usato per il vassoio del supermercato
2) Illustrare le fasi di lavoro
a) Osservazione del campione al microscopio stereoscopico a gruppi (cinque gruppi di lavoro)
b) Determinare qual è il più piccolo dettaglio visibile al microscopio. Ricordare ai ragazzi di annotare
l’ingrandimento adoperato nelle osservazioni e di aiutarsi con disegni e didascalie
c) Spiegare che cosa si intende per campo visivo, magari aiutandosi con la videocamera e il monitor (si
può adoperare la pallina di polistirolo tagliata perché con quella si capisce bene e inoltre non si perde
tempo facendosi dare il polistirolo azzurro). Stimare la profondità di campo. Ricordare ai ragazzi di
annotare l’ingrandimento adoperato nelle osservazioni e di aiutarsi con disegni e didascalie.
3) Lasciare un po’ di tempo per annotare sulla scheda.
ESPERIMENTO N.3
1) Illustrare lo scopo dell’esperienza:
a) il campione è una pallina di plastica di polistirolo rinforzata con granuli di vetro
b) si vuole descrivere la struttura del materiale usato per la pallina di polistirolo
2) Illustrare le fasi di lavoro
a) Osservazione del campione al microscopio stereoscopico attraverso la telecamera e la proiezione al
monitor televisivo
b) Determinare qual è il più piccolo dettaglio visibile al microscopio. Ricordare ai ragazzi di annotare
l’ingrandimento adoperato nelle osservazioni e di aiutarsi con disegni e didascalie
c) Stimare la profondità di campo. Ricordare ai ragazzi di annotare l’ingrandimento adoperato nelle
osservazioni e di aiutarsi con disegni e didascalie.
3) Lasciare un po’ di tempo per annotare sulla scheda.
Ricordare ai ragazzi di portarsi dietro al LabSTM il materiale da disegno e le calcolatrici.
SCHEDA N.1: ANALISI AL MICROSCOPIO OTTICO
Caratteristiche del microscopio ottico
§
Dimensioni del minimo oggetto visibile
§
Profondità di campo
Ingrandimento
Esperimento N.1
a) Indica quali sono il sistema da analizzare e lo scopo dell’esperimento
§
b) Descrivi il campione
c) Stima la dimensione minima e massima dei cristalli che riesci a distinguere.
Diametro minimo:
Diametro massimo:
Esperimento N.2
a) Indica quali sono il sistema da analizzare e lo scopo dell’esperimento
b) Descrivi il campione
c) Qual è il dettaglio più piccolo che si riesce a stimare? Fa’ un disegno.
d) Si riesce a stimare la profondità di campo? Quanto vale? Fa’ un disegno del campione nelle
due situazioni estreme.
Esperimento N.3
a) Indica quali sono il sistema da analizzare e lo scopo dell’esperimento
b) Descrivi il campione
c) Qual è il dettaglio più piccolo che si riesce a stimare? Fa’ un disegno.
d) Si riesce a stimare la profondità di campo? Quanto vale? Fa’ un disegno del campione nelle
due situazioni estreme.
LABORATORIO DI FISICA
4) Consegnare la scheda N.4
5) Illustrare il tema dell’attività che è di focalizzare l’attenzione sul fascio di elettroni come sonda del SEM
e non altro
ESPERIMENTO N.1
6) Triodo a vuoto: l’effetto termoionico
a) mostrare il tubo a vuoto e il circuito
b) il filamento: emissione degli elettroni per effetto termoionico
c) misurare la corrente anodica variando la tensione di griglia: andamento qualitativo della
caratteristica i-V (non dilungarsi su tabelle e misurazioni, richiedere un andamento qualitativo)
d) la corrente di saturazione: illustrare velocemente che dipende dalla temperatura del filamento, cioè
dal numero di fotoelettroni emessi
ESPERIMENTO N.2
7) Triodo con gas elio: l’assenza di vuoto
a) mostrare il tubo a vuoto e il circuito per far rilevare che il tubo a vuoto è lo stesso, che il circuito è lo
stesso, che l’esperimento è lo stesso, che l’unica differenza è la presenza nel tubo di una certa
quantità di elio
b) misurare la corrente anodica variando la tensione di griglia: andamento qualitativo della
caratteristica i-V (non dilungarsi su tabelle e misurazioni, richiedere un andamento qualitativo)
c) discutere l’andamento qualitativo della caratte ristica facendo notare le differenze con la situazione di
prima, facendo capire che il gas residuo interagisce con il fascio di elettroni ed è responsabile di tale
comportamento della corrente anodica
ESPERIMENTO N.3
8) Diffrazione di elettroni: l’interazione con il bersaglio , le figure di interferenza
a) descrivere il tubo e mostrare il circuito velocemente spiegando che quello che interessa è
l’interazione del fascio con il bersaglio (non insistere sulla strumentazione e sulla rilevazione dei dati
perché ciò che interessa è che si ottiene una figura di interferenza anche con gli elettroni e che questa
dipende dalle caratteristiche del bersaglio oltre che dall’energia degli elettroni)
c
; far notare che il diametro delle
λ
figura cambia con l’energia degli elettroni incidenti e richiamare d sin θ = nλ per far comprendere
b) gli elettroni come i fotoni: figure di interferenza, E = hν = h
che, fissato d ed n poiché varia θ, allora varia λ, cosa che chiarisce la relazione tra l’energia e la
lunghezza d’onda degli elettroni
c) effetto di un campo elettrico o magnetico sulle figure di interferenza: 1) toccare con un dito lo
schermo fluorescente del tubo e notare come cambia la figura di interferenza; 2) muovere un
magnete a sbarra vicino al tubo a vuoto e notare come cambia la forma della figura di interferenza
ESPERIMENTO N.4
9) Tubo a vuoto per esperimento di Thomson: traiettoria degli elettroni; focalizzare gli elettroni
a) in presenza solo di campo elettrico: analizzare la traiettoria
b) in presenza solo di campo magnetico: analizzare la traiettoria
c) evidenziare le differenze tra le traiettorie
CONTENUTI DELL’ATTIVITÀ IN LABORATORIO DI FISICA
ESPERIMENTO N.1
Realizzare il circuito per esperienza di Frank – Hertz con triodo a vuoto, adoperando una batteria da 4,8 V
per la tensione griglia – anodo inversa ed un alimentatore 0 – 50 V per la tensione variabile di griglia (griglia
– catodo). La tensione di griglia viene letta sul generatore stesso, la corrente anodica su un milliamperometro
(in questo esperimento si è adoperato un fondo scala di 40 mA). Per la realizzazione dell’esperienza non è il
caso di spin gere le letture di corrente a più di due cifre significative poiché la corrente oscilla troppo ed è
faticoso leggere il valore. Già con due cifre significative soltanto ci sono difficoltà di letture perché i valori
oscillano abbastanza.
Non interessa che gli studenti annotino i valori, trascrivano tabelle perché ciò che conta e che va richiesto
loro è di capire che la caratteristica cresce sempre fino ad un valore di saturazione in cui tutti gli elettroni
emessi riescono a raggiungere il catodo superando il potenziale della griglia. Occorre lasciare loro del tempo
per annotare qualcosa sull’andamento della caratteristica.
Interessa anche dire ai ragazzi che il valore di saturazione dipende dalla temperatura del filamento
perché, se il filamento è più caldo, viene emesso un maggior numero di elettroni. Occorre lasciare un po’ di
tempo perché i ragazzi prendano delle note libere di quanto viene loro detto.
Rilevare i dati di corrente anodica in funziona della tensione di griglia. Con questa disposizione sperimentale
si raggiunge la corrente di saturazione tra i 15 e 25 V. Le rilevazioni sono state intensificate da 15 a 35 V.
i
mA
0
5
10
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
40
45
50
0
0,03
0,11
0,15
0,18
0,19
0,18
0,16
0,17
0,17
0,18
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,16
Triodo a vuoto: caratteristica i - V
0,25
Corrente anodica, mA
V
V
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
10
20
30
40
50
60
Tensione di griglia, V
ESPERIMENTO N.2
Realizzare un circuito identico a quello dell’esperimento N.1 sostituendo il triodo a vuoto con il triodo a gas
elio. Ripetere l’esperimento nell’identico modo. Gli andamenti sono quelli standard dell’esperimento di
Frank – Hertz.
Il procedimento e le rilevazioni dei dati avvengono allo stesso modo de ll’esperimento N.1, ma si notano
delle cadute di corrente (sono due entro il range di tensione di griglia esplorato). Ciò che interessa far
comprendere agli studenti è che le due caratteristiche sono differenti e che le cadute di corrente
corrispondono alle interazioni anelastiche del fascio di elettroni con gli atomi del gas nel triodo. Occorre
lasciare loro del tempo per annotare le idee che si vanno discutendo e l’andamento qualitativo della
caratteristica tensione – corrente.
ESPERIMENTO N.3
Realizzare il circuito per l’esperimento sulla diffrazione di elettroni con le stesse precauzioni (si rimanda alle
schede di laboratorio predisposte). Il modo di procedere e le attenzioni sono le stesse dell’esperienza per la
diffrazione degli elettroni e si deve prestare attenzione, soprattutto, a non bruciare il bersaglio superando il
valore di corrente di 0,15 mA (agire sul circuito di protezione).
Non interessa che gli studenti prendano misure, né che si distraggano per comprendere il circuito e la ragione
del circuito di protezione. L’apparecchiature viene maneggiata dal docente e dunque molti dettagli operativi
si possono (e si devono) tralasciare perché rischiano di distrarre l’attenzione degli studenti dall’obiettivo del
lavoro che è quello di capire che gli elettroni hanno comportamento ondulatorio e che la lunghezza d’onda
dipende dall’energia degli elettroni che colpiscono il bersaglio.
Questo è il momento di far notare come la presenza di gas residuo potrebbe creare delle distorsioni
nelle immagini perché non sarebbe possibile controllare l’energia delle particelle incidenti sul campione.
Anche per questo si adoperano elettroni monocromatici.
Preso atto che gli elettroni, su scala atomica, assumono comportamento ondulatorio, far notare che il
diametro delle figura cambia con l’energia E degli elettroni incidenti. Richiamare la relazione d sin θ = nλ
per far comprendere che, essendo fissati d ed n, poiché varia θ con il diametro dei cerchi, allora varia λ, cosa
che chiarisce la relazione tra l’energia e la lunghezza d’onda degli elettroni. A questo punto introdurre la
relazione di De Broglie E = h
c
= hν .
λ
Toccare con un dito lo schermo fluorescente del tubo: la figura d’interferenza si deforma. Avvicinare un
magnete a sbarra allo schermo fluorescente: la figura d’interferenza si deforma. La presenza di campi
elettrici e magnetici altera la traiettoria delle particelle provocando distorsioni delle immagini di cui si deve
tenere conto quando si progetta la strumentazione (lenti elettromagnetiche per focalizzare il fascio sul punto
dove si vuole effettuare l’analisi: fare eventualmente cenno veloce, ma il momento se ne parla, se mai, al
SEM) e si preparano i campioni da analizzare (caricamento della superficie: lasciare aperto questo problema
perché verrà affrontato e compreso adeguatamente solo al SEM).
ESPERIMENTO N.4
Realizzare il circuito per esperimento di Thomson. Nell’esperimento realizzato sono stati adoperati due
alimentatori da 5 kV per accelerare gli elettroni e per caricare le piastre del condensatore. Le bobine di
Helmoltz sono state alimentate con due batterie da 12 V in serie ed è stato adoperato un reostato “rotondo”
per variare la tensione di alimentazione delle bobine stesse.
Traiettoria con campo elettrico
Con un potenziale di accelerazione di 2,6 kV e con 5 kV di potenziale deflettore sulle piastre si
riesce a vedere il fascio di elettroni e si riesce a farlo passare nel punto di coordinate (4 cm; -2 cm). Si
osserva il fascio, cercando di notare la divergenza degli elettroni del fascio perché non sono ben collimati. Si
rilevano, con l’approssimazione possibile, le coordinate centrali del fascio per confrontarle con quelle
rilevate nella seconda parte dell’esperienza, solo in presenza del campo magnetico.
Traiettoria con campo magnetico
Mantenendo lo stesso potenziale di accelerazione, si neutralizzano le armature del condensatore e si
alimentano le bobine di Helmoltz. Si regola la corrente nelle bobine in modo che il fascio passi di nuovo nel
punto di coordinate (4 cm; -2 cm). Si rilevano come prima le coordinate centrali del fascio e si procede al
confronto delle due traiettorie.
Prima di fare confronti quantitativi che sono abbastanza azzardati, data la scarsissima precisione delle letture,
è meglio discutere con i ragazzi per valutare le differenze tra le due traiettorie anche a vista, cosa che può
guidare l’ interpretazione dei dati.
Una volta compreso che la traiettoria in presenza del campo magnetico è circolare (l’insegnante aiuta
perché altrimenti il lavoro è come un indovinello), si può, cautamente, parlare di focalizzazione del fascio,
dato che si notano e si amplificano le divergenze e si può discutere liberamente di questo fatto. Occorre che
gli studenti abbiano del tempo per annotare le idee ed eventualmente le tabelle.
SCHEDA N.4: IL FASCIO DI ELETTRONI
Effetto termoionico (andamento qualitativo della caratteristica i-V e annotazioni)
L’assenza di vuoto (andamento qualitativo della caratteristica i-V e annotazioni)
Interazione con il bersaglio (figure di interferenza; effetto di un campo elettromagnetico)
Focalizzare gli elettroni (disegnare traiettorie)