Il Piano Lauree Scientifiche (PLS) attivato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca Scientifica ha come obiettivi la diffusione della cultura scientifica, l'incoraggiamento dei giovani a intraprendere lo studio delle materie scientifiche e il miglioramento delle possibilità di orientamento attraverso iniziative che offrano l'opportunità di effettuare una prima esperienza diretta col mondo della ricerca.

ATTIVITÀ 2017-18

Azione a. Laboratorio per l’insegnamento delle scienze di base

a1. La superconduttività al servizio del progresso tecnologico.

Dopo una serie di lezioni propedeutiche sulla generazione dei campi magnetici e dei problemi correlati (dissipazione), si introduce la superconduttività come enabling technology per la generazione di intensi campi magnetici. Verranno illustrati i problemi tecnologici connessi alla costruzione dei cavi superconduttori, e agli studenti dell’Istituto partner verrà proposto un esperimento in un laboratorio particolarmente attrezzato per effettuare speciali misure su fili e nastri

superconduttori (lab. ERMES). Tale laboratorio è un polo per misure e caratterizzazione dei fili e nastri utilizzati per la realizzazione dei dispositivi di potenza e materiali superconduttori.

All’interno dell’università esiste un laboratorio congiunto Università-ENEA-INFN nel quale c’è una particolare infrastruttura criogenica di potenza, adatta per il test di magneti superconduttori per acceleratori di particelle che operano ad elevate correnti (fino a 20 kA) alla temperatura di 4.5K (-268°C). In un prossimo futuro in questo laboratorio sarà anche possibile analizzare le proprietà di trasporto elettrico di cavi superconduttori per alte correnti (fino a 50kA) in campo magnetico.

Lo scopo di questo laboratorio congiunto è di rispondere alle commesse dei grandi progetti internazionali che hanno bisogno di provare particolari dispositivi superconduttori di potenza per realizzare complesse macchine: dagli acceleratori di particelle elementari ad energie sempre più alte alle macchine per la fusione termonucleare controllata basata sul confinamento magnetico del plasma. I magneti su cui sono concepite queste macchine utilizzano cavi superconduttori specificamente progettati che necessitano quindi di una fase di sviluppo e di analisi prima del loro impiego.

Nell’ attività di laboratorio gli studenti avranno modo di capire che la tecnologia sviluppata specificamente per queste misure serve a dare un contributo significativo allo sviluppo dei magneti superconduttori per il settore della ricerca di base, ma anche nel settore della medicina (MRI) o delle scienze chimiche/farmacologiche (NMR) e per tutte le applicazioni elettrotecniche dei superconduttori nella produzione e distribuzione di energia elettrica, nelle applicazioni ambientali (separazione magnetica) o di trasporto (motori superconduttori, levitazione magnetica etc.).

L'attività in laboratorio verrà proposta a due gruppi di 5 studenti, suddivisi in giorni diversi, e consistente in:

1. familiarizzare con l’ambiente criogenico;
2. provare un filo superconduttore reale fino alla sua capacità di trasporto;
3. generare un campo magnetico, operare in un campo magnetico intenso (diversi tesla);

Si consiglia lo studio preliminare delle leggi di Ampere e Biot Savart, cenni sulla resistenza elettrica, legge di Ohm e sulle dissipazioni resistive (Joule). Trattando argomenti di elettrotecnica “fredda” qualche accenno al primo e secondo principio della termodinamica aiuta la comprensione delle tecnologie utilizzate negli esperimenti di laboratorio.

a2. Concentrare la luce solare.

In questo laboratorio gli studenti apprendono le leggi dell’ottica geometrica, cogliendo in particolare che alcune costruzioni geometriche hanno interessanti applicazioni anche nell’ambito delle energie rinnovabili. L’attività fornisce inoltre l’occasione di utilizzare e valorizzare opportunamente leggi e metodi della trigonometria. Viene in particolare progettato un diottro con doppia superficie sferica col quale è possibile fare arrivare, con un dato rapporto di concentrazione, luce solare raccolta da una superficie sferica di qualche decimetro di diametro su di una superficie di più piccole dimensioni. Le superfici sferiche duali del diottro, quella maggiore in entrata e quella minore in uscita, sono confocali. Questo sistema ottico potrebbe trovare applicazione nel campo del fotovoltaico a concentrazione, in cui è importante che la direzione e l’uniformità originarie del fascio incidente siano mantenute anche nel fascio concentrato. Le dimensioni del sistema dipendono dal rapporto di concentrazione desiderato e dall’estensione della superficie da irradiare. Sono previste prove di laboratorio su modelli di plexiglas aventi la finalità di validare l’analisi teorica effettuata utilizzando esclusivamente concetti elementari di ottica geometrica.

a3. Celle fotovoltaiche.

In questa attività laboratoriale viene spiegato il funzionamento della giunzione tra silicio di tipo n e silicio di tipo p e del suo uso come fotocellula o cella fotovoltaica (2 ore). Usando strumentazione all’avanguardia presente nel laboratorio Grafene e Materiali 2D per la Nanoelettronica, gli studenti misureranno le caratteristiche corrente-tensione (I-V) di una cella solare al buio e a diverse illuminazioni. Verrà loro mostrato l'effetto dell'angolo di incidenza del fascio luminoso. Gli studenti useranno le caratteristiche I-V per determinare diversi parametri della cella fotovoltaica. Verranno poi realizzate connessioni in serie e parallelo di celle fotovoltaiche per aumentare la tensione di circuito aperto e/o la corrente di circuito chiuso per realizzare un pannello solare, che verrà utilizzato come generatore di potenza in un circuito dimostrativo. L’esperienza è anche occasione per mostrare agli studenti, anche se solo in modo qualitativo, come si organizzano le misure delle proprietà elettriche ed ottiche di materiali nanostruttrati (quali grafene, dicalcogenuri dei metalli di transizione, nanotubi di carbonio o nanoparticelle) i quali hanno una o più dimensioni dell’ordine del nanometro (10^-9 m) e sono alla base delle moderne nanotecnologie.

a4. Costruire la materia.

Si tratta di un’attività che si svolge prevalentemente in laboratorio sotto la guida di personale dell’Istituto SPIN del CNR, con un obiettivo particolarmente ambizioso per una classe dell’ultimo anno di liceo scientifico, visto il livello molto avanzato rispetto alla quotidianità scolastica delle conoscenze e strumentazioni richieste. Consiste nella realizzazione di un cristallo di elevatissima purezza e regolarità e nel successivo controllo delle proprietà morfologiche e composizionali tramite microscopia elettronica a scansione, attraverso l’uso di alcune delle tecniche abitualmente impiegate nelle attività di ricerca che si svolgono in questa area.

Lo scopo di questo laboratorio è quello di avvicinare i ragazzi alla fisica dei materiali, insegnare loro l'acquisizione e l'interpretazione dei dati, la comprensione delle immagini e la generazione di grafici. Inoltre, poiché l’attività prevede in particolare anche la caratterizzazione del cristallo ottenuto, viene mostrata agli studenti coinvolti una tecnica, quella della microscopia elettronica a scansione, che ha un impatto molto positivo sulla costruzione di una forma mentis in grado di generare interesse verso le materie scientifiche e la fisica dello stato solido. L’intera attività ha infine la finalità di far comprendere ai ragazzi quale sia il giusto atteggiamento da tenere in laboratorio e di trasmettere loro il rispetto per la ricerca, la valorizzazione della pazienza e la dedizione necessaria al raggiungimento di un obiettivo difficile.

a5. Magnetismo: attrazione speciale.

L’utilizzo di materiali magnetici nella vita di tutti i giorni è tanto sconosciuto quanto vasto. Basti pensare che tutte le volte in cui parliamo al telefono, ascoltiamo la radio, utilizziamo un bancomat, scaldiamo un cibo nel forno a microonde, suoniamo una chitarra elettrica, usiamo un computer, o addirittura quando accendiamo una luce in casa, stiamo utilizzando gli effetti prodotti dall’utilizzo di materiali magnetici. E questi sono solo alcuni dei moltissimi esempi in cui sono coinvolti tali materiali e le leggi del magnetismo.

Ma i materiali magnetici sono anche oggetto di ricerca a livello avanzato, con l’obiettivo di rendere possibile il loro utilizzo in un prossimo futuro per la realizzazione di memorie, dispositivi logici magnetici, sensori avanzati per l’industria spaziale, aeronautica ed automobilistica, dispositivi di cura in medicina, solo per citare pochissime applicazioni futuribili.

Presso il Dipartimento di Fisica “E.R. Caianiello” è presente il laboratorio “LAMBDA” (Laboratory for Analysis of the Materials Behaviour in Dc and Ac fields) nel quale vengono studiate le proprietà magnetiche di materiali (sia magnetici che superconduttori), in presenza di campi fissi e/o variabili nel tempo. Le attrezzature e le tecniche di indagine permettono di ottenere informazioni sulle caratteristiche magnetiche più interessanti dei materiali analizzati, basandosi sulla comprensione dei meccanismi microscopici che sono alla base dei fenomeni rilevati.

Al di là della sofisticazione e della sensibilità delle attrezzature utilizzate, tramite il presente percorso formativo ci si propone di ottenere un analogo obiettivo. Infatti si vuole mostrare come, utilizzando strumentazione relativamente semplice, ma con le opportune metodologie scientifiche, sia possibile studiare sperimentalmente il comportamento magnetico di un materiale e capirne i meccanismi microscopici che ne sono alla base. Viene proposto un percorso formativo che prevede un impegno di 6 ore per 20 alunni scelti dal tutor nell’Istituto partner. Si inizia con una lezione teorica propedeutica sul magnetismo (2 ore), cui fa seguito una fase laboratoriale dedicata alla determinazione sperimentale del ciclo di isteresi magnetica di barre di materiale ferromagnetico (due turni di 4 ore per ogni dieci alunni dell’Istituto partner).

Azione b. Autovalutazione

TALE TIPOLOGIA INTERESSA 6 ISTITUTI. IL DOCENTE TUTOR DI OGNI ISTITUTO INDIVIDUA 10 STUDENTI A CUI PROPORRE L’AZIONE DI AUTOVALUTAZIONE DI SEGUITO DESCRITTA.

Osserviamo innanzi tutto che l’obiettivo del laboratorio di autovalutazione è far acquisire agli studenti la consapevolezza della loro preparazione di base in relazione a quanto richiesto nei corsi di laurea scientifici. In generale questa azione interferisce positivamente con quella mirata alla riduzione degli abbandoni in quanto avere una preparazione iniziale e una mentalità adeguata è un requisito che certamente aiuta ad affrontare consapevolmente le difficoltà. Ma quest’anno l’attività di autovalutazione ha un obiettivo in più. Infatti è stata progettata per aiutare gli studenti che dovranno affrontare l’esame di maturità di Liceo Scientifico nell’A.S. 2019-2020 ai quali molto probabilmente verrà chiesto di sostenere la seconda prova scritta in Fisica. Come probabilmente gli addetti ai lavori ricorderanno, le simulazioni sperimentate negli anni passati hanno dato risultati generalmente negativi, anche a causa di formulazioni poco attente dei problemi proposti. Ciò nonostante, si stima che i tempi siano ormai maturi e che l’introduzione della seconda prova di Fisica nei licei scientifici sia molto probabile già a partire dal 2019. Si registra ancora una certa resistenza verso questa innovazione, tuttavia noi riteniamo a) che la comprensione dei fenomeni della natura passa attraverso la risoluzione degli esercizi/problemi esattamente come la comprensione del calcolo matematico avviene solo se si affrontano gli esercizi/problemi e b) non è più pensabile che oggi un adolescente che è stato formato in un liceo scientifico non sappia che senza le correzioni introdotte dalla Fisica Moderna non si può progettare alcun dispositivo che funzioni sulla base della trasmissione dei segnali, che non potremmo disporre dei telefonini, delle risonanze magnetiche, del WEB, e ovviamente che non si sarebbe scoperto il bosone di Higgs né rivelate le onde gravitazionali.

L’autovalutazione viene effettuata attraverso un percorso interdisciplinare così strutturato:

• Inizialmente vengono proposti dei test auto-valutativi per comprendere quanti studenti siano consapevoli della necessità di utilizzare metodi matematici o principi fisici
• In una seconda fase gli studenti vengono formati in un percorso (15 ore circa) di allenamento ad affrontare esercizi su argomenti di elettromagnetismo e fisica moderna, in cui si insegna l’approccio metodico alla risoluzione.
• Nell’ultima fase gli studenti valutano il proprio grado di miglioramento sulla base delle nozioni di matematica e fisica apprese durante le di lezioni frontali. Alla fine dell’attività è prevista una visita ad alcuni laboratori di ricerca del Dipartimento con, eventualmente, la possibilità di assistere ad un esperimento.

Per come è strutturato il percorso ed in previsione che la seconda prova scritta di fisica venga proposta nell’anno scolastico 2019-20 si suggerisce di selezionare studenti delle classi di IV liceo scientifico.

Azione c. Formazione insegnanti.

TALE AZIONE RIGUARDA GLI INSEGNANTI E NON GLI STUDENTI E VIENE PROPOSTA A SETTE ISTITUTI. IL DOCENTE TUTOR DI OGNI ISTITUTO INDIVIDUA E SEGNALA AL RESPONSABILE DEL PROGETTO TUTTI I COLLEGHI DELL’ISTITUTO CHE SONO INTERESSATI

Lo studio della Meccanica Quantistica e, più in generale, della Fisica Moderna riveste oggigiorno un ruolo importante, viste le recenti prescrizioni del MIUR sui programmi di studio dei Licei Scientifici e l’introduzione della prova scritta di Fisica nell’esame di maturità.

Tali prescrizioni hanno procurato disorientamento nel corpo docente dato che è mancata una fase di transizione adeguata e abbastanza lunga da permettere un passaggio non traumatico dal vecchio al nuovo sistema.

Per collaborare col corpo insegnante in questo delicato percorso di adeguamento si propone nell’ambito dell’azione c) del PLS una Scuola Invernale di Fisica Moderna.

La scuola, della durata di 5 giorni, si tiene nel mese di febbraio presso il Dipartimento di Fisica.

La scuola prevede lezioni teoriche seguite da un’attività di laboratorio in cui vengono proposti alcuni esperimenti significativi sul corpo nero finalizzati alla comprensione di alcune caratteristiche della radiazione elettromagnetica e, allo stesso tempo, all’introduzione di nuove ipotesi interpretative che trovano soluzione con l’ipotesi di Planck sui quanti di luce. Inoltre, viene utilizzata la semplice formulazione della teoria dell’atomo di idrogeno data da Bohr per richiamare concetti di base della Fisica Classica. Lo stesso effetto fotoelettrico può dare adito alla descrizione dei metalli secondo il modello classico di Drude e, allo stesso tempo, ripropone all’attenzione la necessità di superare le difficoltà interpretative dell’esperimento stesso, così come fatto da Einstein nel 1905. In questo ambito, pertanto, cercando di riprodurre in laboratorio semplici esperimenti dell’epoca, si potrebbe raggiungere un duplice scopo. Il primo è costituito dall’approfondimento di temi avanzati della Meccanica Classica. Il secondo è l’esposizione dei concetti fondamentali della Fisica Moderna attraverso il quadro storico che viene proposto nei libri di testo introduttivi alla Meccanica Quantistica.

Azione d. Riduzione abbandoni

CON QUESTA AZIONE SI PROPONE IL FINANZIAMENTO DI UNA SCUOLA ESTIVA PER STUDENTI CON LE SEGUENTI MOTIVAZIONI:

La scuola ha l’obiettivo di individuare le eccellenze e accompagnare gli studenti che superano la selezione di ingresso fino all’iscrizione al corso di laurea in Fisica. Questa azione ha l’obiettivo di motivare e fortificare gli iscritti al corso di laurea in modo che essi siano consapevoli del tipo di impegno richiesto e che siano anche pronti a gestire efficacemente eventuali difficoltà. In tal modo si ritiene di poter ridurre il tasso di abbandono che caratterizza questo percorso di studi in tutti gli atenei italiani.

Nell’anno solare 2018 la Scuola verrà organizzata come segue: ci sarà una singola fase aperta a trenta studenti del terzo e quarto anno che risulteranno vincitori di un bando. Evidentemente questa strategia punta a coltivare quanto seminato l’anno precedente e a intraprendere un nuovo ciclo “di semina e di raccolta”.

Si ritiene che questo programma favorisca in maniera naturale l’iscrizione al corso di laurea in Fisica di un nucleo di studenti fortemente motivati in grado di portare avanti in maniera regolare il loro corso di studi fino al completamento del percorso nei tempi previsti.

Il programma dettagliato della scuola estiva sarà reso noto con congruo anticipo

Calendari e Referenti

Azione a1. La superconduttività al servizio del progresso tecnologico.

Referente universitario: Dr. Umberto Gambardella

Azione a2 (Laboratorio) Concentrare la luce solare

Liceo Scientifico Genoino, Cava dè Tirreni

Referente scolastico: prof. Pasquale de Vivo

Referente universitario: prof. Roberto De Luca

Azione a3 (Laboratorio) Celle fotovoltaiche

Referente scolastico:

Referente Universitario: prof Antonio Di Bartolomeo

Azione a4 (Laboratorio) Costruire la Materia

Referente scolastico: prof.ssa Amalia Di Dente

Referente Universitario: prof Antonio Vecchione

Azione a5 (Laboratorio) Magnetismo: Attrazione Speciale

Referente scolastico: prof.ssa Lucia Ciancio

Referente universitario: prof. Massimiliano Polichetti

Azione B - Autovalutazione

Azione C. Formazione insegnanti - Scuola Invernale di Fisica Moderna

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