Slides VI Lezione

La Fisica di Tutti i Giorni**
Lezione VI
Corso di Laurea in Farmacia
Facolta’ di Farmacia
Universita’ di Pisa
A.A. 2007-2008
Maria Luisa Chiofalo
con la collaborazione di Massimiliano Labardi
**Basato
sul materiale didattico di “How Things
Work” (Wiley, 2001) di Lou Bloomfield
Struttura delle lezioni
In ogni lezione si spiega il funzionamento di due oggetti/fenomeni
precedentemente concordati con gli/le studenti. In particolare si seguono i passi:
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Discussione o dimostrazione d’aula sul dato oggetto/fenomeno
Annotazione di osservazioni fatte
Formulazione di domande utili a comprendere i meccanismi di
funzionamento del fenomeno
A partire dalle domande:
- introduzione di concetti fisici utili per rispondere alle domande
- definizione di eventuali quantita’ fisiche rilevanti emerse dai concetti
- strutturazione dei concetti fisici e delle quantita’ fisiche in leggi
- verifiche, attraverso una discussione collettiva, della comprensione
attraverso ulteriori esempi tratti
dal quotidiano immaginando situazioni o con altre dimostrazioni d’aula
da fumetti
da film o libri di fantascienza
da racconti gialli e noir
assegnazione di esercizi e problemi per casa
alla fine della lezione, rassegna dei messaggi principali, per rafforzare la
consapevolezza di quanto appreso
Il materiale didattico e’ costituito da esperimenti e dimostrazioni d’aula
realizzati appositamente, dalle presenti slides e da contenuti dei seguenti testi
di riferimento
Lou Bloomfield
``How things work - The physics of everyday life'' (J. Wiley, New York, 2001)
``How everything works - Making physics out of the ordinary'' (J. Wiley, New
York, 2007) con I relativi siti web
Albert Einstein e Leopold Infeld
``L'evoluzione della fisica'' (Bollati-Boringhieri, 1965)
Andrea Frova
``La fisica sotto il naso'' (BUR, Milano 2006)
Lawrence Krauss
``La fisica di Star Trek'' (Longanesi, Milano 1998)
James Kakalios
``La fisica dei supereroi'' (Einaudi, Torino 2005)
Peter Barham
``The Science of Cooking'' (Springer, Berlino 2001)
Bruce Colin
``Scherlock Holmes e i misteri della Scienza'' (Cortina Raffaello, 1997)
C. Casula
``I porcospini di Schopenauer'' (Franco Angeli, 2003) [Sui metodi didattici e
le metafore per l'apprendimento]
Forno a microonde
Dimostrazioni d’aula
Si inseriscono diversi alimenti in appositi contenitori da forno a microonde e
oggetti in un normale forno a microonde e se ne osserva il comportamento, in
particolare se e quanto vengano scaldati. Si usa:
-- Acqua
-- Sale da cucina
-- Zucchero
-- Olio
-- Verdura
-- Carne
-- Del cibo surgelato
-- Una ciotola di ghiaccio
Piu’ in avanti nel corso della lezione si inseriscono anche:
-- Un telefono cellulare (a forno spento!!!)
-- Un uovo (intero, con il guscio)
-- Un CD (possibilmente vecchio ☺ )
Osservazioni
A parita’ di condizioni, alcuni alimenti si scaldano, altri no
In particolare l’acqua si scalda, il sale no. In generale si nota che tutti gli
alimenti che contengono acqua si scaldano
I cibi surgelati si scaldano in modo disomogeneo
Il ghiaccio nella ciotola non si scioglie (facilmente)
Ci si sofferma a osservare come e’ fatto il forno:
-- il materiale e le parti di cui e’ composto
-- l’esistenza della griglia metallica nella parete interna dello sportello
-- l’esistenza di un piatto girevole
Domande
1. Come accade che alcuni cibi (quelli che contengono acqua) si
scaldano e altri no? E perche’ puo’ accadere che il cibo si scaldi in
modo non omogeneo?
2. Perche’ se l’acqua si scalda facilmente, il ghiaccio invece non si
scioglie facilmente? E perche’ il cibo congelato si scalda in modo non
omogeneo?
3. Come vengono generate le microonde?
4. A cosa serve la griglia metallica all’interno dello sportello? Perche’
si sconsiglia di inserire oggetti di metallo nel forno a microonde
(acceso)? Cosa accadrebbe se inserissi un CD?
5. A cosa serve il piatto girevole?
Domanda 1
Concetto fisico: le microonde sono onde elettromagnetiche
Richiamo dalla lezione V:
un’onda e’ la propagazione di una perturbazione determinata dall’oscillazione
periodica di qualcosa oppure da un impulso iniziale impresso a qualcosa.
Questo qualcosa puo’ essere:
Materia (gas, liquido o solido) come nelle onde meccaniche. Esempi:
-- Onde sonore
-- Onde sismiche
-- Onde su una corda vibrante
-- Onde del mare
Forze elettriche e magnetiche come nelle onde elettromagnetiche. Esempi:
-- La luce intesa come tutte le radiazioni dalle onde radio ai raggi gamma
Cose piu’ complesse, come lo spazio-tempo nelle onde gravitazionali
(previste dalla teoria e non ancora osservate!) o l’ampiezza di probabilita’ di
trovare una particella in una certa posizione ad un certo tempo nel mondo
ultrapiccolo e ultraveloce descritto dalla meccanica quantistica
Concetti fisici: ancora richiami sulle onde dalla lezione V
Un’onda puo’ avere bisogno di un mezzo per propagarsi (come per le onde
meccaniche) oppure no (come nelle onde elettromagnetiche, che si propagano
anche nel vuoto)
Un’onda puo’ essere:
-- Longitudinale: lo spostamento del qualcosa (il
puntino rosso nella figura accanto) avviene lungo la
direzione di propagazione dell’onda (il puntino si si
muove avanti e indietro). Le onde sonore nell’aria
sono longitudinali e non possono essere trasversali
© 2006 fisicaondemusica.unimore.it
Direzione di propagazione
-- Trasversale: lo spostamento del qualcosa (il
puntino rosso nella figura accanto) avviene in
direzione ortogonale alla direzione di propagazione
dell’onda (il puntino si si muove su e giu’). Le onde
elettromagnetiche in un mezzo omogeneo sono
trasversali e non possono essere longitudinali
© 2006 fisicaondemusica.unimore.it
Concetti fisici: ancora richiami sulle onde dalla lezione V
Le onde possono essere:
-- Stazionarie: la loro ampiezza varia periodicamente
nello spazio ma in alcuni punti, detti nodi, e’ sempre
nulla e in altri, detti ventri (picchi e valli), e’ sempre
massima. Durante l’oscillazione, il nodo rimane fermo
mentre il picco diventa valle e la valle diventa picco.
L’energia non si propaga da un punto ad un altro, ma
viene continuamente convertita tra potenziale e
cinetica.
Esempio: le onde della corda di un violino, le onde
nella vaschetta d’acqua
-- Viaggianti: picchi e valli si spostano nel verso di
propagazione dell’onda. L’energia (potenziale e
cinetica) viene trasportata nel verso di propagazione.
Esempio: le onde in mare aperto o in oceano, le onde
sonore
Ventre
(picco)
Nodo
Ventre
(valle)
© 2006 fisicaondemusica.unimore.it
Quantita’ fisiche
Frequenza dell’onda elettromagnetica: il numero di cicli che l’ampiezza delle
forze elettriche e magnetiche hanno nell’unita’ di tempo (in un secondo)
Lunghezza d’onda della radiazione: la distanza tra due picchi dell’onda
Velocita’di propagazione dell’onda elettromagnetica: la velocita’ della luce
(circa 300000 Km/s)
Nota:
Frequenza e lunghezza d’onda sono legate in modo molto semplice dalla
velocita’ della luce
frequenza = velocita’ della luce/lunghezza d’onda
Cioe’ onde elettromagnetiche di grande frequenza hanno una piccola
lunghezza d’onda
Tipo di radiazione
Lunghezza d’onda
Frequenza
(in Hz = cicli/secondo)
Onde radio
> 10 cm
< 3 miliardi
Microonde
tra 10 cm e 1 mm
tra 3 e 300 miliardi
Raggi infrarossi
tra 1 mm e 700
miliardesimi di metro tra 300 e 428000 miliardi
Visibile
tra 700 e 400
tra 428000 e 749000
miliardesimi di metro miliardi
Raggi ultravioletti tra 400 e 10
tra 749000 e 30 milioni di
miliardesimi di metro miliardi
Raggi X
tra 10 e 0.001
tra 30 milioni e 300 miliardi
miliardesimi di metro di miliardi
Raggi gamma
< 0.001 miliardesimi
di metro
> 300 miliardi di miliardi
Legenda:
1 nm (1 nanometro) = 1 miliardesimo di metro = 10-9 metri
Verifica
Quando un’onda elettromagnetica si propaga in unu materiale trasparente, il
materiale la rallenta un po’. La frequenza dell’onda non cambia. Cosa accade
alla lunghezza d’onda?
[lunghezza d’onda = velocita’ della luce/frequenza. Se la velocita’ diminuisce e
la frequenza non cambia, la lunghezza d’onda deve diminuire ]
Concetto fisico
Le molecole d’acqua sono significativamente POLARI:
L’atomo di ossigeno tende ad attrarre su di se’ gli elettroni dei due atomi
di idrogeno. Ne segue una distribuzione di carica positiva in
corrispondenza degli idrogeni e negativa in corrispondenza dell’ossigeno
+
-
+
Dimostrazione d’aula
Per dimostrare che l’acqua e’ polare, si avvicina ad un filo d’acqua che
scorre da un tubicino una spazzola o un pettine precedentemente strofinati
vigorosamente su un panno di lana o seta o sui capelli
Si osserva che il filo d’acqua viene deviato
Concetti fisici
Se l’acqua (liquida) e’ in un forte campo elettrico, le molecole ruotano
cercando di allinearsi con il campo elettrico
+
+
+
+
-
Campo
elettrico
In un campo elettrico variabile l’orientazione delle molecole d’acqua
cambia continuamente seguendo il campo elettrico
L’assorbimento delle onde elettromagnetiche dipende dalla frequenza e
dal materiale
Dimostrazione d’aula
Per dimostrare questo concetto, si schematizza il processo utilizzando
letterine magnetiche (di quelle da bimbi/e) e imperniandole in modo che
possano ruotare su se stesse
Si fa passare un magnete permanente avanti e indietro mostrando come le
letterine cambiano la propria orientazione per seguire il campo magnetico
generato dal magnete permanente
Dunque:
Le microonde sono onde elettromagnetiche in cui l’intensita’ del campo
elettrico e magnetico varia nel tempo con una frequenza dell’ordine di miliardi
di cicli al secondo
Le molecole d’acqua si orientano, ruotano avanti e indietro seguendo la
variazione del campo e.m. e in questo modo si scaldano per attrito urtando tra
loro. In sostanza, l’energia e.m. delle microonde viene convertita in energia
termica
Nella pratica, le microonde che si usano per un forno hanno una frequenza di
2.45 Gigahertz (GHz) ovvero 2.45 miliardi di cicli al secondo. Cioe’ le molecole
d’acqua ruotano avanti e indietro miliardi di volte ogni secondo
Questa frequenza e’ scelta a seguito delle seguenti considerazioni:
-- non deve interferire con altri apparecchi o dispositivi, per esempio per le
telecomunicazioni. Per esempio, i cellulari funzionano a frequenze di 1.8 GHz
-- poiche’ l’assorbimento dipende dalla frequenza e in particolare in queste
condizioni per l’acqua aumenta con la frequenza, la scelta della frequenza e’
fatta per ottimizzare l’uniformita’ di cottura dei cibi
I cibi che contengono acqua o che sono polari come l’acqua vengono scaldati,
gli altri no
Contenitori di plastica, piatti di ceramica di norma non si scaldano
Il cibo si puo’ scaldare in modo non uniforme a seconda del contenuto
d’acqua delle sue parti
Domanda 2
Concetto fisico
Il ghiaccio e’ acqua allo stato solido, cioe’ le molecole di acqua sono disposte
in modo regolare in una struttura cristallina
Dunque:
Nel ghiaccio la struttura cristallina ostacola fortemente la rotazione delle
molecole d’acqua e il ghiaccio fa fatica a scaldarsi
I forni a microonde sono dotati di cicli di scongelamento: sostanzialmente la
generazione delle microonde viene interrotta in modo periodico per permettere
al calore di fluire attraverso il cibo e sciogliere il ghiaccio. Una volta che sia
tutto scongelato tutto il cibo puo’ assorbire le microonde
Domanda 3
Generatore di microonde: Klystron. inventato nel 1937 come generatore di
microonde per applicazioni Radar
Gli elettroni sono accelerati
o rallentati dal campo
elettrico nella prima cavita’
Pacchetti di elettroni inducono
un campo elettrico piu’ intenso
nella seconda cavita’
Mandando l’uscita all’ingresso si realizza un FEEDBACK Il klystron oscilla a
una particolare frequenza che dipende dal tempo di percorrenza della prima
cavita’ degli elettroni. Questo dipende dalla velocita’ degli elettroni, cioe’ da U0
Domanda 4
Concetti fisici
Superfici metalliche spesse riflettono le microonde:
-- Il campo elettrico fa muovere le cariche libere nella superficie metallica
-- Queste cariche accelerano e assorbono le microonde
-- Accelerando, emettono nuove microonde (alla stessa frequenza) che
viaggiano pero’ in diverse direzioni
Superfici metalliche sottili possono scaldarsi per “attrito” dovuto alla
resistenza elettrica al moto delle cariche libere
Superfici metalliche appuntite possono accumulare sulle punte una carica
elettrica sufficiente a causare scintille
Dunque:
Le pareti del forno a microonde sono di metallo spesso in modo da riflettere le
onde e non farle passare all’esterno (per non cuocere quel che e’ fuori dal forno
e che contiene acqua, inclusi noi…)
La griglia metallica ha lo stesso scopo: riflettere le microonde ma
permettendoci di vedere dall’esterno. La dimensione dei fori della griglia e’
molto piu’ piccola della lunghezza d’onda delle microonde alla quale opera il
forno (circa 12 cm) e dunque le onde non riescono a passare
In realta’ la schermatura non e’ totale, pur rimanendo in limiti considerati non
pericolosi per noi. La potenza che riesce a passare anche in un forno vecchio
(guarnizioni non perfettamente funzionanti ecc.) e’ stimata intorno ai 5 mW per
cm quadro a 5 cm di distanza (per un cellulare si tratta di circa 2 mW)
NOTA: se non si mettesse nulla dentro il forno a microonde, le microonde
verrebbero riflesse continuamente e potrebbero infine essere riassorbite dal
generatore (che si chiama magnetron) che potrebbe surriscaldarsi e
danneggiarsi
Dimostrazioni d’aula
Per convincersi del fatto che le microonde vengono schermate all’esterno, si
inserisce un telefono cellulare all’interno del forno e si prova a chiamarlo
(senza successo ☺) [NOTA: attendere circa 30 secondi prima di chiamarlo]
Si inserisce un CD nel forno a microonde e si accende il forno (per
pochissimo tempo!!! ☺) e accade che…. [attenzione, non lo fate a casa]
Domanda 5
Concetti fisici
Come abbiamo gia’ visto, le onde sono soggette al fenomeno di interferenza.
Nel forno, cio’ accade perche’ le microonde vengono riflesse dalle pareti interne
in tutte le direzioni
Dunque:
In generale da uno stesso punto passano piu’ onde provenienti da direzioni
diverse
Queste possono interferire costruttivamente o distruttivamente e dunque
possono esserci regioni dove l’ampiezza del campo elettrico (e dunque la
rapidita’ con cui il cibo si cuoce) e’ piu’ grande e regioni dove e’ molto piccola
Il piatto girevole (nei forni americani vengono usate palette di metallo che
“mescolano” le onde) serve ad ovviare a questo problema
Verifiche
Si pensi di porre una parete di metallo spessa all’interno del forno in modo
da dividerlo in due. Si supponga che le onde provengano dalla parte sinistra.
Cosa accadrebbe a cibo posto nella parte destra?
[Non si riscalderebbe. Le microonde rimarrebbero tutte confinate nella
parte sinistra]
Cosa accadrebbe se si mettesse del cibo a scaldare nel microonde, avvolto in
un foglio d’alluminio? (NON FARLO davvero)
[Non si riscalderebbe. L’alluminio rifletterebbe le microonde verso
l’esterno. Tuttavia il foglio e’ sottile e dunque di surriscalderebbe e…]
Cosa accadrebbe se si cercasse di cuocere un uovo intero – con tutto il
guscio? In generale a cibi dentro contenitori rigidi ermeticamente chiusi?
[Suggerimento: pensare alla lezione sui fluidi e all’esperimento dei
palloncini in azoto liquido]
Dimostrazioni d’aula
Si risponde alla verifica sulla cottura dell’uovo, inserendo un uovo nel forno
a microonde
APPENDICE
ATTENZIONE AGLI INCIDENTI
DOMESTICI
Si raccomanda di NON effettuare esperimenti con il forno a microonde e di
non ripetere quelli mostrati a lezione
Ogni anno in Italia si contano
-- 8000 morti per incidenti domestici
-- 4.380.000 infortuni, di cui
-- il 52% accade in cucina
-- soprattutto a bambini/e, anziani e donne
Messaggi
Il forno a microonde usa le microonde per cuocere I cibi
Le microonde sono prodotte dal magnetron, vengono riflesse dalle pareti
interne e trasferiscono energia alle molecole di acqua o altri composti polari,
che si scaldano per attrito a seguito degli urti tra le molecole durante la rapida
rotazione determinata dal campo elettrico variabile
Oggetti di metallo e microonde non sono sempre incompatibili. In generale
fogli di metallo sottili e oggetti di metallo appuntiti dentro il microonde in
funzione sono potenzialmente pericolosi. Piatti di metallo spessi si
comportano come le pareti interne del forno