Piano Lauree Scientifiche 2016/2017 – Scheda Interazioni

Piano Lauree Scientifiche 2016/2017 – Scheda Interazioni magnetiche.
Studente: ………………………………………………………………………………………………
Scuola e classe: ……………………………………………………………
Data: ………………………..
Materiali
Laboratorio
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Software Capstone
Sensore di Corrente/Tensione Pasco
sensore di Forza Pasco
Interfaccia PASPort-USB Link
Magnete solenoide bussola
Generatore di corrente
Cavi elettrici per i collegamenti
Previsione e osservazione qualitativa e
quantitativa dei fenomeni
Osserva la disposizione dei magneti e prova a
disegnare le linee di forza del campo che
secondo te si formano nello spazio compreso
fra di essi ed all’esterno.
Quindi prova con la bussola ad individuare
la direzione delle linee di campo e
disegnale sulla figura: corrispondono a
quelle disegnate prima? Quali commenti
puoi fare?
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Schema dell’esperimento:
Collegate il generatore G e l’amperometro A al
circuito premontato seguendo lo schema a destra
utilizzando i cavi elettrici forniti.
Introducete le spire tra le espansioni del magnete
secondo lo schema riportato in figura.
Misurate la lunghezza del tratto orizzontale di spira
entro i magneti
L=…………………………………..
L'amperometro misurerà la corrente che attraversa
le spire mentre il sensore di forza misurerà la forza
esercitata lungo la verticale. Poichè inizialmente la
forza misurata corrisponde alla forza di gravità
tarate il sensore a zero prima di dare avvio alle
misure.
Prevedi cosa accade dopo aver inserito dall’alto la
paletta (parallelamente ai magneti), lasciandone
però fuori la metà superiore, e sapendo che nelle
diverse spire circola una corrente in senso
orario\antiorario.
Esistono forze agenti sulla spira? In caso
affermativo rappresentale sulla figura a destra.
Lancia il programma Capstone e scegli un
esperimento con Table&Graph. Sul grafico, scegli di
visualizzare sull’asse delle ascisse la corrente e su
quello delle ordinate la forza .
Fai una prova di acquisizione dei dati (premi il
pulsante
RECORD)
per
verificare
che
il
collegamento tra sensori e PC funzioni. Accendi
l’alimentatore e prova ad aumentare la differenza
di potenziale del generatore e osserva cosa accade
sul piano F-I che hai preparato. Premi il pulsante di
avvio misure (record)
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Dopo aver verificato che la paletta sia
correttamente inserita tra i magneti, premi il
pulsante di reset del sensore di forza, fai partire
l’acquisizione dei dati (premi il pulsante RECORD) e
accendi l’alimentatore. Aumenta gradualmente la
corrente fino ad arrivare al valore di 1 A (leggi il
valore sull’alimentatore). Riporta gradualmente a
zero il valore della corrente e spegni il generatore.
Inverti il verso della corrente invertendo i due
cavetti inseriti nel generatore di corrente. Accendi
il generatore e aumenta gradualmente la corrente
fino ad arrivare al valore di 1 A (leggi il valore
sull’alimentatore). Riporta gradualmente a zero il
valore della corrente e spegni il generatore.
Ferma l’acquisizione dati,premi il pulsante “STOP”
e inizia ad annotare le prime osservazioni sulla base
dei dati raccolti.
Riporta nel sistema di assi coordinati qui a fianco
alcuni punti significativi del grafico ottenuto e
disegna la curva interpolatrice.
Facciamoci aiutare da Capstone per ricercare quale
potrebbe essere la relazione matematica che
meglio descrive il grafico trovato. Seleziona la parte
di grafico che ti interessa studiare e, usando il tasto
per creare interpolazioni (FIT), prova a ricercare
qual è, tra le curve indicate, quella che meglio
approssima il grafico ottenuto.
In questo modo troverete la costante sperimentale,
m (m=............±.............), che corrisponde alla
relazione
F=m I+b
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Cosa accade quando la corrente è positiva\negativa
e la sua intensità aumenta?
A che tipo di forza è soggetta la paletta quando la
corrente circola in un verso o nell’altro?
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Prova ora ad immaginare la situazione raffigurata:
due palette attraversate dalla stessa corrente e
entrambe all’interno di due magneti ma agganciate
a un solo rilevatore di forza. Qual è secondo te la
forza che si misurerà? Per aiutarti disegna le forze
sulla figura.
Che tipo di relazione o di dipendenza potremmo immaginare esistere tra la grandezza fisica “Lunghezza
del filo (l)” e la forza esercitata sul filo dal magnete?
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Come cambierebbe il grafico trovato se raddoppiassimo o dimezzassimo il numero delle spire?
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Confronta il valore della pendenza ottenuto dal tuo gruppo con i valori ottenuti dagli
altri gruppi e riporta in un grafico il valore della pendenza in funzione del numero delle spire.
Quale relazione c’è tra pendenza e numero di spire?
Numero
spire
di
Lunghezza filo
(m)
Pendenza
(N/A)
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Il valore della costante di proporzionalità tra la Forza e il prodotto Il, dipende dal valore del campo
magnetico nel quale la corrente è inserita.
Si definisce Tesla [T] l’unità di misura del campo magnetico B.
Ha valore di un Tesla un campo magnetico tale che un filo conduttore di lunghezza di 1 m e percorso da
una corrente I di 1 A è soggetto a una forza di 1 N.
Prova a valutare l’intensità del campo magnetico tra i due magneti espresso in Tesla
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Dipendenza della forza dall’angolo tra direzione della corrente e campo magnetico
Allarga al massimo la distanza tra i magneti
inserisci completamente la spira tra i magneti ma con i rispettivi piani non paralleli (vedi figura). Fai una
previsione di ciò che secondo te accade quando circola corrente nella spira.
Angolo 0
Angolo 45
Commenta
La forza sarà massima quando l’angolo tra la corrente è il campo magnetico è …………………………………
La forza sarà minima quando l’angolo tra la corrente è il campo magnetico è ……………………………………
Prova a prevedere quale sarà la dipendenza tra la forza e l’angolo
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Lancia il programma Capstone e
apri ancora un file del tipo
Table&Graph. Sulla tabella, in una
delle due colonne inserire la forza,
nell’altra selezionare “create new” e
poi “run-tracked user entered
data”.
In
basso,
anzichè
“continuous mode” impostare “
“keep mode”.
il tuo grafico avrà sull’asse delle
ascisse l’angolo e su quello delle
ordinate la forza.
Fissa un angolo quindi clicca sul
tasto KEEP SAMPLE, inserisci nella
tabella il valore dell’angolo in gradi
e poi INVIO.
Quindi cambia l’angolo e ripeti la
misura fino a completare il giro.
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Riporta nel sistema di assi coordinati qui
a fianco alcuni punti significativi del
grafico ottenuto e disegna la curva
interpolatrice.
Facciamoci aiutare da Data Studio per
ricercare quale potrebbe essere la
relazione
matematica
che
meglio
descrive il grafico trovato. Schiaccia il
pulsante INTERPOLA e prova a ricercare
quale è, tra le curve indicate, quella che
meglio approssima il grafico ottenuto.
Prova ora a fare delle considerazioni conclusive sulla relazione esistente tra la forza
magnetica, l’intensità di corrente, la lunghezza del filo e la direzione di questa forza rispetto
alle direzioni della corrente e del campo magnetico.
Relazione tra la forza che agisce sul filo percorso da corrente e l’intensità di corrente
F=
Relazione tra la forza che agisce sul filo percorso da una corrente I e la lunghezza del filo
F=
Note le precedenti relazioni possiamo allora scrivere un’unica relazione che lega tra loro la Forza, la
lunghezza del filo, l’intensità di corrente e l’angolo ϑ tra il campo magnetico e il vettore individuato dalla
direzione del filo (e dal verso della corrente):
F=
Invertendo la relazione precedente risulta quindi:
B=
Tale grandezza rappresenta il valore del campo magnetico.
L’unità di misura nel SI di B è : _______
Scrivi a le tue osservazioni conclusive sulla relazione che c’e’ tra le direzioni e i versi di F, I e B.
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Approfondiremo ora la forza di Lorentz, che è all’origine dei fenomeni osservati negli esperimenti
precedenti. Prima di cominciare, rispondi alle seguenti domande, e non modificare la risposta
nel corso dell’attività; ritorneremo su esse al termine degli esperimenti.
Un piccolo oggetto di vetro con carica elettrica positiva è
inizialmente fermo tra i poli di un magnete permanente. A tuo
parere:
 la carica viene attratta dal polo nord e respinta dal polo sud
 la carica viene attratta dal polo sud e respinta dal polo nord
 la carica subisce un forza diretta verso destra
 la carica subisce un forza diretta verso sinstra
 la carica elettrica non interagisce con il campo magnetico
Un filo di rame percorso da corrente verso l'alto è posto
immobile tra i poli di un magnete permanente:
 il filo viene attratto dal polo nord e respinto dal polo sud
 il filo viene attratto dal polo sud e respinto dal polo nord
 il filo subisce un forza diretta verso destra
 il filo subisce un forza diretta verso sinistra
 Il filo non interagisce con il campo magnetico
Se poniamo un corpo carico positivamente in prossimità un filo percorso da corrente
a)
Il filo viene attratto dal corpo carico
b)
Il filo viene respinto dal corpo carico
c)
Il filo subisce una forza ma viene deviato in un’altra direzione dal corpo carico (nè
attratto nè respinto)
d)
Il filo non interagisce con il corpo carico
Motivazioni__________________________________________________________________
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Materiali
Laboratorio
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Apparato
Generatore corrente
Generatore di Tensione
Web cam
Descrizione dell’apparato
Nell’apparato di Thomson gli elettroni
sono emessi per effetto termoionico
dal catodo e sono quindi accelerati
lungo l’orizzontale da un potenziale
acceleratore V.
L’energia cinetica, K, con cui
l’elettrone
viene
“sparato”
dal
cannone elettronico è eV (e=carica
dell’elettone ) e può essere misurata
in elettronVolt (simbolo eV)
e si
ottiene come
K=eV
Un campo magnetico nella direzione
ortogonale al piano xz e nel verso
entrante nel foglio è generato da due
bobine di Helmotz e sarà nel seguito
considerato un campo uniforme
Il valore del campo magnetico può essere ottenuto dalla corrente che circola nelle bobine:
B  7.8  104  I [ A] Tesla
Dove I[A] è la corrente nelle bobine misurata in Ampere .
Un elettrone, prodotto dal catodo, si
muove con velocità v parallela a x in un
campo magnetico uniforme, le cui linee
di campo sono perpendicolari a v e
entranti nel foglio. Sull’elettrone agirà
una forza dovuta al campo magnetico?
Se sì in quale direzione?
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Prevedi quale puo’ essere la traiettoria
delle’elettrone, tracciala sul disegno a
fianco riportato e giustificala.
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Osserva ora il dispositivo in funzione e verifica la correttezza della tua previsione. Annota le
differenze tra quanto previsto e ciò che hai osservato.
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In quale direzione agisce la forza magnetica?
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Come pensi che cambi l’energia cinetica dell’elettrone lungo la sua orbita? Qual è il lavoro
che la forza magnetica compie sull’elettrone?
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Ora che conosciamo la forma della
traietoria, si supponga di aumentare il
campo magnetico. Come ti aspetti che
cambi la traiettoria? Prova a disegnare la
nuova traiettoria.
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Osserva cosa accade quando cambia il campo magnetico e verifica la correttezza della tua
previsione.
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Supponi ora B costante (fissando la corrente nelle bobine) e di variare la velocità (e
quindi la quantità di moto) della particella cambiando la sua energia cinetica agendo
sul potenziale acceleratore: come ti aspetti che cambi la traiettoria se si aumenta la
quantità di moto dell’elettrone?
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Osserva cosa accade quando cambia l’energia del fascio (velocità delle particelle) e verifica la
correttezza della tua previsione.
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Conoscendo la traiettoria della particella, quali considerazioni si possono fare sul lavoro compiuto
della forza agente su di essa? Se la carica fosse ferma (V=0  v=0), come cambierebbe la forza
agente sulla carica?
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Scheda Dati
Laboratorio
ANALISI DI TRAIETTORIE DEGLI ELETTRONI
COSTANTI FONDAMENTALI
FATTORI DI CONVERSIONE E UNITA’ DI
MISURA
Massa dell’elettrone
me=9.109 38 × 10-31 kg
Carica ddell’elettrone
e=1,60217653 × 10-19 C
Velocità della luce nel vuoto
c=3× 108 m/s
eV=1,6 × 10-19 J
1 KeV=1000 eV
1 MeV=1000 KeV
1 T=104 Gauss
Energia Cinetica e velocità
K
1
2e
me ve2  e  V  ve 
V
2
me
2e
5
= 5.9 10 m / s
me
Vogliamo ora ricavare che tipo di relazione lega tra loro il raggio r della traiettoria e il campo B o il raggio
e la velocità della particella. Sul desktop del vostro PC potete trovare una cartella denominata “Forza di
Lorentz”, che contiene altre due cartelle: una contiene delle fotografie di traiettorie corrispondenti a diversi
valori di campo magnetico B e differenza di potenziale costante, l’altra fotografie scattate in situazioni in
cui il campo B non cambia e viene fatta variare la ddp.
Per misurare il raggio della
traiettoria
di
ogni
fotografia
procedete nel modo seguente:
i.Aprite l’immagine con Paint
(MenuAvvio\Programmi\Accesso
ri\Paint)
ii.Prendendo come riferimento il
righello presente sulla fotografia,
misurate quanti pixel ci sono tra
i valori -5 e +5. Questa
operazione vi permetterà di
sapere quanti pixel sulla foto
corrispondono a 10 cm. Potete
leggere il numero di pixel
nell’angolo in basso a sinistra
della finestra di Paint (vedi
figura).
iii.Ora procedete nella misura in
pixel del diametro
della
circonferenza e fate la debita
proporzione per ottenere il
raggio.
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Piano Lauree Scientifiche 2016/2017 – Scheda Interazioni magnetiche
Apri la cartella “Immagini a B Costante”, e scegli con quale insieme di immagini vuoi lavorare:
Per ognuna di queste fotografie riporta nella tabella i valori necessari per ricavare un grafico
velocità-raggio. Disegna il grafico (si consiglia l’uso di Excel )e ricorda che:
VALORE DELLA CORRENTE …………………………………………… [A]
CAMPO MAGNETICO [ B  7.8  104  I [ A] Tesla ]…………………………………[T]
NUMERO PIXELS IN 10 cm ………………………………………………
V [V]
Diametro
[pixel]
r [m]
v [m/s]
Diametro pixel/2
numero pixel in 10 cm
V [Volt ]5.9 105 m / s
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r/v [s-1]
Piano Lauree Scientifiche 2016/2017 – Scheda Interazioni magnetiche
Apri la cartella “Immagini a V Costante”, e scegli con quale insieme di immagini vuoi lavorare:
Per ognuna di queste fotografie riporta nella tabella i valori necessari per ricavare un grafico
campo magnetico-raggio. Disegna il grafico (si consiglia l’uso di Excel )e ricorda che:
VALORE DEL POTENZIALE …………………………………………… [V]
VELOCITA’ (v = V [Volt ]5.9 105 m / s )……………………………………………[m/s]
NUMERO PIXELS IN 10 cm ………………………………………………
B[T]
B  7.8  104  I [ A] Tesla
Diametro
[pixel]
r [m]
Diametro pixel/2
numero pixel in 10 cm
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1/r
r •B
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Dalle misure fatte possiamo trarre alcune conclusioni:
1) La quantità di moto (o momento) p dell’elettrone, e il raggio della sua traiettoria hanno una
dipendenza di proporzionalità, quando B =__________ il coefficeinte trovato
kv=_____________. Possiamo allora scrivere la relazione:
r=
2) Il raggio della traiettoria dell’elettrone e il valore del campo magnetico hanno una dipendenza
di proporzionalità inversa.
Quando V=__________ il coefficeinte trovato k B
=_____________. Possiamo allora scrivere la relazione:
r=
3) Note le precedenti relazioni possiamo scrivere un’unica relazione che lega tra loro il raggio, il
campo magnetico e il momento della particella:
r=
4) Sapendo che F=ma e che a=v2/r = p2/(m2 r) s i può ricavare la relazione che lega la forza
magnetica ai valori di p e di B (ricava la relazione):
F  ma  m
v2
 ………………………………..
r
5) Descrivi a parole le conclusioni che puoi trarre dalla relazione che hai trovato.
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