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Impariamo come rompere le particelle per studiarne la composizione! Costruiamo un semplice strumento ("l'acceleratore") per studiare l’effetto delle collisioni tra le biglie a varie energie. Possiamo così introdurre varie forme di energia: l'energia potenziale, l'energia cinetica e l'energia di legame, capendo come è possibile trasformare una forma in un'altra.
Avere un’introduzione sulle varie forme di energia.
Energia Potenziale: è un’energia “conservata” quando un oggetto è messo in un campo gravitazionale in una certa posizione. Questa energia “conservata” può essere facilmente trasformata in energia cinetica, che è collegata alla velocità e alla massa di un corpo. Questa energia cinetica è usata per rompere i legami tra particelle.
Attrito: è la resistenza al moto di un corpo. È un modo per dissipare energia (nel nostro caso trasformare energia cinetica in calore).
Energia di legame: energia richiesta per spezzare I legami tra particelle.
Collisione tra particelle: per vedere dentro gli atomi, particelle e molecole, gli scienziati colpiscono questo sistemi con particelle “proiettili”. Se l’energia cinetica di questi proiettili è più grande dell’energia di legame, i legami si rompono e gli atomi, le particelle e le molecole si spezzano rivelando I loro costituenti.
Acceleratori di particelle: sono macchine che accelerano le particelle proiettili per raggiungere velocità (e quindi energie cinetiche) necessarie per rompere altre particelle (vedi per esempio http://www.cernland.net/)
Questa attività prevede tre step
1) Gli studenti rilasciano le biglie di acciaio a differenti altezze dello scivolo. Noteranno che la distanza che queste biglie raggiungono è più grande se l’altezza di partenza sullo scivolo è maggiore. Questo implica che l’energia potenziale è trasformata in energia cinetica. Si introdurrà il concetto di attrito.
2) Costruiranno un sistema di biglie di vetro tenuto insieme dalla pasta adesiva. Questo rappresenterà un nucleo atomico (come esempio).
3) Partendo dalla parte bassa dello scivolo, si cercherà la minima altezza per cui le biglie di vetro vengono separate.
Preparazione:
Prendete i tubi di plastica squadrati (canaline elettriche) e tagliateli in pezzi di ~70 cm. Normalmente le canaline sono fatte da un corpo principale e da una specie di coperchio. Predete due corpi principali e con la colla a caldo incollateli a formare un angolo di 90 gradi. Il relativo coperchio viene fissato curvandolo un po’ per formare lo scivolo (figura 1).
Figura 1
Ipotesi: “L’enegia non può essere creata o distrutta ma solo trasformata da una forma all’altra”.
Spiegazione: ci sono molte forme di energia. L’energia cinetica è legata alla velocità di un corpo. Ma se freno una macchina, dove va la sua energia? In calore. Per convincervi, potete misurare la temperatura dei freni dopo l’arresto o semplicemente sfregare velocemente le mani per convertire energia cinetica in calore.
Gli studenti lasciano andare la biglia di acciaio a diverse altezze dello scivolo e misurano le distanze raggiunte al momento di arrestarsi. L’insegnante chiede cosa succeede e perché. La prima osservazione è che più grande è l’altezza e più distante si ferma la biglia.
1) La gravità fornisce energia cinetica alla biglia (più rigorosamente abbiamo trasformazione di energia potenziale in energia cinetica).
2) L’attrito ferma la biglia e la sua energia cinetica è trasformata in calore.
Ipotesi:”gli oggetti sono uniti fra loro e bisogna fornire energia per rompere I legami”.
Spiegazione: se lascio cadere un oggetto (per es. un uovo) da un’altezza di 1 cm o da un metro cosa cambia? Nel primo caso posso vedere un po’ di danno sulla sua superficie, nel secondo caso vedo la totale distruzione dell’uovo.
Quindi in cosa si è trasformata l’energia cinetica dell’uovo? Abbiamo bisogno di una certa energia per rompere un oggetto: la cosidetta “Energia di Legame”.
Formiamo un sistema di tre biglie di vetro usando della pasta adesiva (tipo Patafix, Figura 2). Questo rappresenta una molecola, un atomo, una particella o, più in generale, un “sistema”.
Figura 2
Come faccio a rompere il sistema? Il sistema per rompersi necessita di una certa energia per rompersi e se questa è troppo piccola non succede nulla.
Mettiamo il sistema di biglie di vetro vicino alla fine dello scivolo e lasciamo andare la biglia di acciaio ad una altezza modesta (Figura 3). Aumentiamo progressivamente l’altezza di rilascio (figura 4) fino a che l’energia sia sufficiente per separare le biglie. (vedi https://www.youtube.com/watch?v=7CHrKoGuZqQ)
Figura 3
Figura 4
Prova differenti tipi di collisione (frontale e non) con più di tre biglie. Spiega cosa accade. Perché in alcuni casi le biglie si separano?
In alcuni casi, il legame tra le biglie è così forte che la biglia proiettile deve essere rilasciata da un punto più elevato, possibilmente richiedendo troppo spazio nella classe. Alternativamente, un'altra fonte di energia può essere usata per rompere il legame. Una possibilità è di spingere la biglia con dei magneti.
Cosa abbiamo imparato?
- L'energia si trasforma - gli scienziati usano le collisioni per studiare ciò di cui la materia è fatta.
Per risorse esterne vedi, per esempio:
