Brillantini, colla e anche un pò di fisica Teach article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Esplorare la fisica in modo nuovo creando un modello per la collisione di particelle usando del materiale per il modellismo.

Se considerate il tipo di strumentazione necessaria alle attività pratiche in un laboratorio di fisica, vi verranno in mente il prisma, dei becchi a coccodrillo, e degli acquisitori di dati, meglio conosciuti come data logger. Le scienze ed in particolare la fisica, sono percepiti come materie difficili e differenti dalle altre, con delle strumentazioni e macchine complicate; questo viene realizzato in posti speciali, come il laboratorio, e con suo proprio linguaggio tecnico. Tuttavia, facendo del lavoro pratico con del materiale di tutti i giorni, potrete aiutare gli studenti ad avere una differente prospettiva della materia.

In questo articolo introduciamo una attività usando materiali per decorazioni artistiche. Originalmente l’abbiamo ideata per essere mostrata durante eventi pubblici o festival delle scienze, ma la miscela di scienza e creatività si è rivelata particolarmente divertente ai partecipanti di tutte le età e agli insegnanti che hanno manifestato il loro entusiasmo nel voler replicare questo divertimento nelle loro classi.

Ricostruzione delle collisioni

I ricercatori spesso utilizzano dei modelli per spiegare i fenomeni e le osservazioni, ma queste rimangono ancora delle idee teoriche e sono solo descritti a parole, o forse anche con disegni. Utilizzando del semplice materiale per modellismo per rappresentare alcuni aspetti fisici di un processo  o un oggetto si riesce a sviluppare la comprensione di un concetto astratto. Una attività pratica può interessare gli studenti che altrimenti potrebbero perdere l’interesse in quello che percepiscono come una materia arida e accademica.

creative physics
Immagine fornita gentilmente da IOP – Institute of Physics

Le attività creative nel laboratorio di fisica sono molto gradite soprattutto per la loro novità. Attività inusuali creano ‘situazioni d’interesse’ – un temporaneo interesse che si innesca spontaneamente attraverso l’ambiente esterno, per esempio attraverso la curiosità o il divertimento (Schraw et al, 2001). Stimolare queste reazione nella classe è un modo di focalizzare l’attenzione degli studenti e costringerli a pensare.

Questa attività si occupa della fisica delle particelle subatomiche e di come gli scienziati hanno tratto le loro conoscenze in questo campow1. Questa attività può aiutare gli studenti ad imparare e comprendere il modello standard della fisica delle particelle elementari e della ricerca del bosone di Higgs mediante il  Large Hadron Collider (Grande Acceleratore Lineare di Particelle) (LHC) al CERN. L’attività non crea molto disordine e può essere realizzata in uno spazio ragionevolmente ristretto. E’ anche particolarmente adatta a studenti della scuola secondaria superiore ed è altrettanto appetibile agli studenti della vecchia scuola secondaria di primo grado (il concetto di particella subatomica pur rimanendo per loro nuovo è comunque  estremamente coinvolgente).

Le basi delle fisica delle particelle subatomiche

Dapprima discutiamo delle basi delle particelle subatomiche. Di cosa è costituita la materia? Che cosa c’è all’interno dell’atomo, di un protone e di un neutrone? Tutto ciò che vediamo attorno a noi, dalle galassie, alla Terra e noi stessi, è composto di atomi. Contrariamente al fatto che noi non li possiamo vedere ad occhio nudo, gli atomi non sono al più basso livello di grandezza della materia. Gli atomi stessi sono composti da particelle più piccole, le quali a loro volta, sono composte da ancora più piccole particelle aggruppate assieme, e così via…. e non sappiamo ancora dove finiscono.

Questa è la ragione per la quale gli scienziati stanno ancora esplorando cosa contiene l’atomo: quali forze tengono assieme le particelle e se vi sono altre particelle da scoprire. Uno dei modi che gli scienziati hanno per studiare la struttura dell’atomo è quello di provocare una collisione a quasi la velocità della luce con altre particelle, utilizzando un acceleratore di particelle come quello in uso al CERN. Domandate ai vostri studenti cosa, secondo loro, succede quando due particelle collidono a velocità molto elevata.

Tali collisioni possono frantumare l’atomo nelle sue particelle costituenti, o particelle esistenti si possono fondere in particelle più grandi. Questo potrebbe essere successo milioni di anni fa all’inizio dell’Universo quando tutta la materia e l’energia erano confinate in uno spazio piccolissimo. Gli scienziati possono osservare le configurazioni delle particelle prodotte dalla collisione e capire cosa esse sono dal loro modo di muoversi. L’analisi dei frammenti generati dalle collisioni di particelle, permette agli scienziati di identificare quali nuove particelle sono state prodotte. Vedi Landua 2008a e Landua 2008b per una più approfondita spiegazione di come funziona un acceleratore di particelle e di come ciò può aiutare gli scienziati a capire le origine dell’Universo e di cosa è costituito. 

Creazione di modello mobile della collisione di particelle

In questa attività, gli studenti ricreano un modello di ciò che succede quando due particelle collidono in un acceleratore di particelle. Le particelle verranno rappresentate da delle sferette colorate, le loro traiettorie da scovolini per pipa, e i prodotti della collisione da pom-pom. In questo modo, il modello costruito aiuterà gli studenti a visualizzare il mondo della fisica delle particelle, normalmente astratto.

threading beads
Immagine fornita gentilmente
da IOP – Institute of Physics

Materiali

  • Filo elastico colorato (circa 20 cm)
  • Perline colorato
  • Scovolini per pipa
  • Pom-pom
  • Indicatori per pagina
  • Colla
  • Forbici

Procedura

tie knot
Immagine fornita gentilmente
da IOP – Institute of Physics
  1. Infilare due perline nel filo elastico. Queste due perline rappresentano le particelle che collidono.
  2. Usando il filo elastico, fate un doppio nodo intorno alle perline. Fate un altro nodo alle estremità dell’elastico in modo da ottenere un grande anello.
  3. Inserite diversi scovolini attraverso il piccolo anello ed intorno alle perline.
  4. Piegate gli scovolini a metà attorno al piccolo anello elastico, quindi torceteli tutti assieme.
  5. Date agli scovolini la forma di traiettorie delle particelle.
thread pipecleaners
Immagine fornita gentilmente
da IOP – Institute of Physics

Spiegate ai vostri studenti perché particelle differenti tra loro seguono differenti traiettorie a seconda della loro energia, carica e massa. Le particelle più leggere avranno una traiettoria più lunga, mentre quelle più pesanti seguiranno una traiettoria più breve. Le traiettorie di una particella carica sono curve, mentre le particelle neutre (senza carica) viaggiano seguendo traiettorie  rettilinee. Le particelle con bassa energia seguono traiettorie a spirale. Alcune particelle possono persino seguire percorsi ramificati.

Mostrate ai vostri studenti un paio di esempi e quindi chiedete loro di scoprire i rimanenti tipi una volta che hanno terminato di costruire il loro modello.

shape the tracks
Immagine fornita gentilmente da IOP – Institute of Physics
  1. Fissate i pom-pom  alla estremità degli scovolini usando colla ripiegando lo scovolino attorno al pon-pon.

Mettiamo insieme i risultati : ‘qualcuno ha trovato il Bosone di Higgs?’

L’ultimo passo nella costruzione del modello  mobile delle particelle è quello di appiccicare delle etichette alle particelle. Per indicare il processo di classificare le particelle, fornite gli studenti di una tabella simile alla tabella 1, nella quale sono specificate esattamente le traiettorie per ogni tipo di particella.

Tavola 1: Traiettorie dettagliate per ogni tipo di particella

Traiettoria

Particella

Descrizione

Lunga traiettoria lineare

Fotone

Energia pura

Breve traiettoria lineare

Neutrino o anti-neutrino

Piccolo e luce

Lunga traiettoria curva

Muone o antimuone

Grande e carico elettricamente

Breve traiettoria curva

Elettrone o positrone

Piccolo e carico

Traiettoria a spirale

Pione

Una coppia di quark su-giù

A getto (traiettorie che iniziano assieme e poi si dividono ramificandosi)

Coppie di quark e gluoni

Bosone-Z e Bosone-W

I gluoni tengono i quark insieme

Particelle pesanti che trasportano forza

labelled mobile
Immagine fornita gentilmente da IOP – Institute of Physics

Una volta che gli studenti sono stati in grado di aggiungere nel loro modello alle traiettorie le etichette delle relative particelle, discutete sui differenti tipi di particelle che loro hanno scelto. Forse verranno fuori delle traiettorie che non sono riportate nella tavola. Se così fosse, allora discutete cosa succede quando negli esperimenti dell’acceleratore di particelle si trovano nuove traiettorie. Chiedete agli studenti di dare un nome alle nuove particelle che hanno scoperto.

Ora che gli studenti hanno reso visibili le particelle subatomiche, potete estendere la discussione, per esempio, affrontando il Bosone di Higgs e cosa esso è (vedi Hayes, 2012).

Insegnare le scienze con i materiali  da costruzione

I pezzi finiti possono essere esposti in classe o all’interno dei locali scolastici per illustrare alla comunità scolastica le principali proprietà della fisica delle particelle, allo stesso modo come le produzioni artistiche sono esposte al pubblico. Oppure gli studenti possono portare a casa i loro lavori e discutere di scienze con le proprie famiglie. I modelli sono anche facili da riprodurre e gli studenti potrebbero mostrare ai loro genitori ricostruendoli davanti a loro.

Queste attività di costruzione sono un eccellente metodo per visualizzare le dimostrazioni, per esempio durante una giornata di scuole aperte o una mostra scolastica. Gli studenti li possono mostrare ai loro colleghi, ragazzi più giovani o ai visitatori. Questa è un’eccellente opportunità per accelerare il processo di familiarizzazione degli studenti  al processo di comunicazione e permettere di condividere  il loro entusiasmo per le scienze.

Una valutazione sull’attività quando questi lavori si espongono al pubblico, (Durbin, 2011) indica che, la combinazione della creatività sviluppata con il materiale da costruzione facilita la discussione dei risultati incrementando allo stesso tempo la comprensione e l’interesse. Analogamente, in classe, questa attività permette gli studenti di utilizzare la loro immaginazione per esplorarne le  caratteristiche, catturare il loro interesse e aiutarli a comprenderli. Soprattutto, rendendo più comprensibili certi concetti astratti, le meraviglie delle scienze possono essere condivisi e godendone tra più persone.

Riconoscimenti

L’autore vorrebbe ringraziare l’Istituto di Fisica e Samantha Durbin che hanno aiutato a sviluppare e testare le attività.

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References

Web References

  • w1 – (Foglio di istruzioni) Instruction leaflets questo ed altri due articoli su queste attività con materiale da costruzione affrontano l’esplorazione delle galassie e dei pianeti si possono trovare nel sito web del Institute of Physics, o direttamente sul link. Le tre attività sono adatte per una vasta gamma di età e non richiedono specifici pre-requisiti. La scienza dietro a queste attività comprende argomenti che sono regolarmente trattate sulle riviste e giornali e sono tuttora soggetti di ricerca, forniscono una opportunità di creare un aggancio con la fisica del mondo reale.

Resources

  • Altre istruzioni grafiche sui modelli della fisica delle particelle si possono trovare in Physics.org website.
  • Per saperne di più sul CERN e la ricerca sul bosone di Higgs, visitate CERN education site (CERN sito web educativo) dove troverete lezioni e risorse sulla fisica delle particelle.
  • Per costruire il vostro acceleratore di particelle, vedete:
  • Potete far proseguire i vostri studenti su questi argomenti attraverso il progetto del cittadino della scienza del Zooniverse, che fornirà ai vostri studenti la capacità di esplorare la scoperta del loro bosone di Higgs usando dati scientifici reali
  • Alcune semplici strategie per promuovere le situazioni di interesse in classe si possono trovare qui.

Author(s)

Alison Rivett è un consulente educativo per l’Ogden Trust e  un consulente di sensibilizzazione scientifica primaria per il Bristol ChemLabs, entrambi in UK.  Alison propone e sviluppa attività di sensibilizzazione di fisica & chimica specifiche per gli studenti delle scuole per entrambe le organizzazioni.


Review

Questo articolo presenta un’ attività pratica realizzata utilizzando scovolini per pipe e pom-pom ,volta a esplorare collisioni ad alta energia tra  particelle. Un modello mobile di visualizzazione dei fasci di traiettorie che si verificano una volta avvenuta la collisione e la creazione eventuale (in funzione delle energie in gioco) di nuove particelle. Questa attività può essere facilmente preparata ed eseguita in una classe con gli alunni di età compresa tra 10-15, ma sarà anche di interesse per la scuola e si potrà presentare a mostre scientifiche per studenti visitatori della stessa fascia di età. I materiali richiesti si trovano facilmente e a buon mercato e le istruzioni sono facili da seguire (ma leggetele due volte!). Questa è un’occasione d’oro per introdurre la fisica delle particelle – e perché no, anche ai diagrammi di Feynman –  almeno da un punto di vista qualitativo. L’opuscolo disponibile onlinew1  sarà molto utile, e una visita al www.HiggsHunters.org è fortemente raccomandato!


Davide Vité, Cycle d’orientation de Cayla, Geneva, Switzerland




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