Il sensore magnetico degli smartphone nella didattica delle Scienze

Il sensore magnetico degli smartphone nella
didattica delle Scienze Fisiche
Alfonso D’Ambrosio
IIS J.F.Kennedy
Via de Gasperi,20, 35043 Monselice (PD)
[email protected]
Viene mostrato l’utilizzo degli smartphone per la conduzione
di semplici esperimenti di magnetismo in corrente alternata e
continua. Vengono analizzati i dati sperimentali e la valenza
didattica degli smartphone nelle scienze fisiche.
1. Introduzione
Negli ultimi anni sono diversi gli studi che provano l’efficacia degli
smartphone nella didattica delle scienze fisiche [Perez-Losada e Fort. 2012;
Khun e Vogt., 2013] e sono numerosi gli esperimenti di fisica realizzabili con
essi [Oprea e Miron, 2014 e Galante e Lombardi, 2014]. Nella nostra scuola è
stato promosso un progetto pomeridiano sul Laboratorio Povero di Fisica
utilizzando gli smartphone come strumento di misura, elaborazione e
condivisione dei dati. Il progetto ha avuto una durata di 36 ore e sono stati
utilizzati i sensori degli smartphone, per la conduzione di esperimenti di
acustica, magnetismo e cinematica. Gli studenti coinvolti erano del secondo e
terzo anno di un indirizzo tecnico e sono stati suddivisi in gruppi da quattro,
ognuno con un suo ruolo. La metodologia utilizzata è l’IBSE, essi si muovevano
liberamente tra la postazione di lavoro e l’aula informatica per fare ricerche in
rete e per costruire l’apparato sperimentale. Il 90% degli studenti aveva un
proprio tablet o smartphone. Esistono numerose App che sfruttano tutti i sensori
di uno smartphone, la più completa è sicuramente l’App Physics Toolboox
Suite, dove all’interno troviamo applicazioni che utilizzano il giroscopio,
l’igrometro, l’accelerometro, il magnetometro. Nel progetto lo smartphone è
stato utilizzato come strumento attraverso il quale gli studenti hanno effettuato
misure, hanno condiviso dati, prodotto una relazione multimediale. Di seguito
vengono discussi alcuni esperimenti realizzati con gli alunni e l’efficacia
didattica degli smartphone nella raccolta e analisi dei dati .
2. Il campo magnetico indotto in un solenoide
Partendo dal presupposto che il costo di un magnetometro per uso didattico
è molto elevato e non sempre si trova nei laboratori scolastici, abbiamo pensato
DIDAMATICA 2015 – ISBN 978-88-98091-38-6
che in uno smartphone il magnetometro è presente e viene utilizzato per il
navigatore GPS e le mappe.
Gli studenti hanno scaricato una applicazione ad hoc ed hanno testato il
magnetometro su un fenomeno noto: il campo magnetico generato da un
solenoide percorso da corrente alternata.
E’ stato collegato un generatore di corrente alternata da 12V ad un
solenoide. All’interno del solenoide si crea un campo magnetico alternato
autoindotto che ha la stessa frequenza del campo elettrico del generatore
[Amaldi, 2012]. Con il generatore è possibile variare la frequenza della corrente,
mentre la frequenza del campo magnetico B viene misurata direttamente dal
cellulare. L’applicazione permette di ottenere il campo B totale, ma anche le sue
componenti x,y e z. La visualizzazione per componenti permette di verificare
che il campo magnetico oscilla nel piano perpendicolare all’asse del solenoide,
mentre la direzione del vettore B direzione è lungo l’asse (vedi Fig. 1). La
risoluzione del cellulare è tale da non rilevare oscillazioni maggiori di 50 Hz,
pertanto l’analisi è stata condotta su campi a bassa frequenza.
3. Verifica sperimentale della legge di Biot-Savart
Un filo percorso da corrente elettrica continua I, genera un campo magnetico
B, che giace nel piano perpendicolare alla direzione del filo, la cui intensità, in
un punto a distanza R dal filo, è data da:
𝜇𝐼
𝐵=
(1)
2𝜋𝑅
dove μ è la permeabilità magnetica del mezzo. Le linee di forza del campo
B sono circonferenze concentriche e contenute nel piano ortogonale del filo.
E’ stato realizzato il setup sperimentale visibile in Figura 2, dove un filo
isolato viene collegato ad un generatore di corrente continua. Uno smartphone
è stato posto ad una distanza R variabile dall’asse del filo e posizionato in
maniera tale che la componente x del sensore fosse lungo la linea di tangenza
delle linee di flusso.
Fig.1 – Set-up sperimentale per la verifica della legge di Biot-Savart
Genova, 15-17 Aprile 2015
Le misure in Tabella 1 indicano la misura della componente x del campo B,
al variare della corrente I nel filo, si è tenuto conto del campo magnetico
terrestre. Non conoscendo la posizione del sensore, si è deciso di assegnare
un errore di 2mm sulla distanza pari alla metà dello spessore dello smartphone.
I(A)
0,10±0,01
0,42±0,01
0,94±0,01
1,34±0,01
1,83±0,01
2,34±0,01
2,90±0,01
B(T)
(0,6±0,2)10-6
(2,1±0,2)10-6
(4,8±0,2)10-6
(6,6±0,2)10-6
(8,4±0,2)10-6
(12,0±0,2)10-6
(14,6±0,2)10-6
Tabella 1 – Misura del campo magnetico generato da un filo rettilineo percorso da
una corrente I, in un punto a distanza R=4,8cm da esso.
I dati sperimentali sono consistenti con la (1) e dal fit del dati sperimentali
ricaviamo la misura della permeabilità magnetica dell’aria, 𝜇 = (1,32 ±
0,06)10−6 𝐻/𝑚, compatibile con il valore presente in letteratura [Amaldi, 2012].
Tenendo costante la corrente I del generatore, abbiamo misurato la
relazione tra il campo B e la distanza dall’asse del filo, la figura 2 mostra la
proporzionalità diretta tra B ed I e l’inversa proporzionalità tra B ed R, in
accordo con la formula (1).
Fig.2 – Dipendenza funzionale tra B,I ed R per la verifica della legge di Biot-Savart.
4. Analisi dei risultati ottenuti ed efficacia didattica
I risultati ottenuti conducono a due riflessioni importanti sulle potenzialità
fisiche e didattiche degli smartphone:
1- L’alta tecnologia dei sensori di un cellulare ha permesso di misurare
grandezze con una percentuale di errore al di sotto del 10% ed ha consentito di
svolgere esperimenti difficilmente realizzabili con la strumentazione didattica a
DIDAMATICA 2015 – ISBN 978-88-98091-38-6
disposizione nelle nostre scuole. Il cellulare diventa il solo strumento con il
quale sperimentare alcuni fenomeni fisici. L’utilizzo di un magnetometro
presente nei sensori degli smartphone permette di condurre analisi qualitative e
quantitative di campi magnetici in tre dimensioni.
2- Da un questionario finale in uscita emerge che i ragazzi sono più propensi ad
utilizzare lo smartphone, perché “è più facile”, “è un mio strumento”, “è un
oggetto che reputano “familiare”, che conoscono bene e sanno usarlo
autonomamente, “è alla moda”, possono portarlo ovunque e fare
esperimenti anche a casa (in tal senso i ragazzi hanno effettuato misure del
campo magnetico generato da apparecchiature elettroniche, quali TV,
microonde, Pc, un altro cellulare). Il cellulare diventa uno strumento tuttofare,
con il quale non solo effettuare misure, ma anche condividere elaborarli e
discuterli in tempo reale sui social network (la maggior parte delle App
permettono il salvataggio di un file delle misure e la registrazione in tempo reale
del flusso dati).
In tutte le esperienze il docente ha svolto il ruolo di guida, risolvendo situazioni
di stallo o ponendo domande stimolo.
5. Conclusioni
La scoperta delle scienze fisiche attraverso gli esperimenti è sempre
preferibile. L’augurio è che lo sviluppo crescente di App Scientifiche gratuite e
non, porti l’insegnante ad utilizzare gli smartphone come ambiente di
apprendimento, come potenziale di stimolo e come strumento di misura alla
pari degli altri che si trovano in laboratorio. Dell’utilizzo di tali applicazioni ne
potrebbero beneficiare anche le recenti proposte di flipped classroom, MOOC o
corsi online a singolo utente (SPOCs).
Bibliografia
Amaldi, U., L’Amaldi per il Licei Scientifici vol.2, Zanichelli, Bologna, 2012.
Galante, L., lombardi, A.M., Acustica con una bic e uno smartphone, La Fisica nella
scuola, XLVI,2, 2014, 54-58.
Khun, J., Vogt, P., Applications and examples of Experiments with Mobile Phones
and Smartphone on Physics Lessons, Frontiers in Sensors, 1, 4, 2013, 16-27
Oprea,M. Miron, C., Mobile phones in the modern teaching of physics, Romanian
reports in Physics, 66,4, 214, 1236-1252
Perez-Losada, J., Fort, J., Using Smart Phones To Enhance Undergraduate Learning
In Laboratory Classes, 7th congres International de Docencia universitaria I
Innovacio, Barcelona, 2012.
Genova, 15-17 Aprile 2015