Rompiamo le particelle

Attività hands-on per imparare che l’energia può essere trasformata in molte forme
Sandro Bardelli, INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna; Amalia Persico, Sofos-Divulgazione delle Scienze
Goals
  • Avere un’introduzione all’energia potenziale e cinetica
  • Avere un’introduzione all’energia di legame
  • Avere un’introduzione ai principi di un acceleratore di particelle
  • Avere un’introduzione alla fissione nucleare
Learning Objectives
  • Dimostrare la trasformazione dell’energia da potenziale a cinetica, da energia di legame
  • Dimostrare che una biglia lasciata cadere su un scivolo da un punto sempre più alto raggiunge una distanza e una velocità sempre maggiori. Il punto più altro possiede più energia potenziale.
  • Osservare che le biglie si fermano per effetto dell’attritto
  • Comprendere che esiste un’energia di soglia che rompe il sistema “biglie attaccate tra loro” (come una molecola o un atomo).
  • Capire che gli scienziati usano questo effetto per studiare la materia.
Evaluation

Fare un semplice grafico che metta in relazione l’altezza del punto di partenza della biglia”proiettile” con la distanza raggiunta dalla stessa dopo l’accelerazione. Chiedere una breve spiegazione del fenomeno (perché a differenti altezza corrispondono diverse distanze percorse?) Predire l’altezza sullo scivolo necessaria per raggiungere una data distanza. Cosa succede se mettiamo un tappeto sul pavimento?

In alcuni casi il sistema di biglie di vetro incollate non si rompe ma si sposta. In questi casi: fare un grafico che leghi l’altezza della biglia di acciaio con lo spostamento delle biglie di vetri “target” ed eventualmente con il loro numero.

Gli studenti dovrebbero essere in grado di rispondere alle seguenti domande e di dare una veloce spiegazione: perché differenti altezze di partenza della biglia di acciaio corrispondono diverse distanze percorse? Cosa succede se usiamo differenti colle per unire le biglie di vetro? Se abbiamo colle più resistenti dobbiamo avere uno scivolo più grande? Cosa succeede se la collisione non è frontale ma laterale?

Materials
  • Tubi di plastica (“canaline”) usate da elettricisti (~5 euro l’una)
  • Biglie di vetro (5 euro, 50 biglie)
  • Biglie di acciaio (5 euro, 50 biglie)
  • Pasta adesiva (p.es. PAtafix, Blu Tac) (~3 euro)
  • Colla a caldo
  • Magneti
Background Information

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 spezzano 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/)

Full Activity Description

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)

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.

Step1

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”.

Step2

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 niente . 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)

Proviamo ora vari tipi di collisioni (frontali, laterali, con più di tre biglie). Spieghiamo cosa succeede e perché alcune volte abbiamo la rottura del sistema ed altre no.

Step 3

In alcuni casi il legame tra le biglie è troppo forte, per cui dovremmo avere uno scivolo molto più grande addirittura dell’aula. Una possibilità è quella di deviare e guidare le biglie di acciaio con dei magneti.

Cosa abbiamo imparato?

  • L’energia si trasforma.
  • Gli scienziati usano le collisioni per esplorare di cosa è fatta la materia.
Curriculum

In tutti I livelli scolastici dove il concetto di energia è trattato. In Italia si parte dalla fine della scuola primaria alla secondaria di primo grado.

Additional Information

Per risorse esterne vedi, per esempio:

Conclusion

Il tema principale dell’attività è quello di rompere le particelle per studiare la loro composizione. Con un semplice acceleratore lo studente studia l’effetto delle collisioni tra le biglie a varie energie. Comunque questo è l’occasione per introdurre il tema importante delle varie forme dellèenergia come energia potenziale, cinetica e energia di legame e la possibilitàdi trasformare una forma in un altra.

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