Percorso educativo a cura dell'UNIVERSITÀ DI BARI 
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PERCORSI "LA MISURA DEL TEMPO"
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Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Raggi cosmici
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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Cosa sono i raggi cosmici
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Obiettivi generali
Nel quadro dell'integrazione tra apprendimento formale e informale, i percorsi laboratori attivi hanno lo scopo di mettere in contatto diretto gli studenti con le problematiche del metodo scientifico. Partendo da una problematica del tutto generale (la misura del tempo) si conducono i ragazzi ad una riflessione critica sul senso e la metodologia per ottenere una risultato che sia scientificamente corretto. In tale contesto l'utilizzo di laboratori inseriti in realtà museali permette di stabilire connessioni storio-scientifiche che aiutino ad evidenziare il ruolo sociale della scienza e la sua stretta connessione con lo sviluppo tecnologico.
Obiettivi specifici
I raggi cosmici sono particelle cariche che provengono dal cielo e che attraversano tulla l'atmosfera arrivando fin sulla terra. La loro natura fu definita nel 1912 grazie alle ricerche di un fisico italiano Pacini, poi diventato docente nel 1928 all'Università di Bari, e dal fisico tedesco Hess. I raggi cosmici sono particelle cariche e trasportano elevata energia ( tra un miliardo e un miliardo di miliardi di volte l'energia di un quanto di luce) e velocità prossima a quella della luce e ne arrivano in media uno al secondo su un metro quadro di superficie terrestre. Presso il Dipartimento di Fisica di Bari è comunque possibili registrarne il loro arrivo con una apparecchiatura messa a punto assemblando insieme apparati di rivelazione non più utilizzati per la ricerca. Due rivelatori di raggi cosmici sono montati all'estremità di una barra di 50 cm che può ruotare di 180º in un piano verticale; il segnale elettrico generato dal passaggio di un raggio cosmico attraverso i rivelatori permette di misurare la direzione di arrivo ed il tempo di transito del raggio tra un rivelatore e l’ altro. Dal tempo, che è dell’ ordine di 10-8 -10-9 secondi , è poi possibile risalire alla velocità del raggio e anche alla stima della sua energia. L'esperienza mette insieme informazioni sulla natura di raggi cosmici, sulle tecniche per misure di tempi brevissimi, sulle relazioni relativistiche tra velocità ed energia, ma anche fornisce l'occasione per presentare ricerche d'avanguardia condotte da docenti dell'Università di Bari.
Modalità di conseguimento degli obiettivi
L'obiettivo del percorso sarà raggiunto attraverso una serie di processi di coinvolgimento attivo degli studenti, principalmente di scuola superiore, in una serie di attività laboratoriali, mediante una stretta interazione con i docenti accompagnatori ai quali si chiede di svolgere, anche utilizzando l'analisi dei test finali sottoposti agli studenti, una riflessione sulla metodologia utilizzata e sul suo valore epistemologico.
Metodo
Durante i laboratori scientifici il metodo utilizzato è quello laboratoriale collaborativo. Si parte dalla mappatura delle conoscenze e dei pre-concetti elaborata durante un primo colloquio aperto e centrato sulla domanda: <<Quando non riusciamo più a distinguere nel tempo due fenomeni dobbiamo rinunciare a studiare il mondo fisico?>> e si procede attraverso un percorso caratterizzato da:
Articolazione del percorso
Nel caso di misure di fenomeni temporali di durata inferiore alla sensibilità dei nostri migliori strumenti di misura (fotomoltiplicatori, diodi a valanga, ecc. ) possiamo sfruttare tale limite per effettuare misure nelle quali la contemporaneità può permetterci di discriminare tra segnale e rumore.
Un esempio di queste tecniche è quella di verificare se due segnali provenienti da due rivelazioni distinti possono essere ricondotti al passaggio di una stessa particella carica o da due distinte.
Quando siamo sicuri che si sia verificato il primo caso abbiamo anche informazioni sulla traiettoria percorsa dalla particella.
Principi di funzionamento: una particella rilascia in uno scintillatore energia sotto forma di luce; questa viene raccolta da un fotomoltiplicatore che la trasforma in un segnale elettrico. I segnali rivelati da due rivelatori sono inviati ad apparato di coincidenza che discrimina tra segnali che arrivano "contemporaneamente" o segnali distinti nel tempo: nel primo caso sono attribuiti ad una sola particella, nel secondo a due distinte.
Gli studenti utilizzano un apparato del museo che è stato costruito assemblando materiale dismesso da gruppi di ricerca perché obsoleto e riutilizzato a fini didattici e divulgativi.
Lo strumento permette anche di rivelare l'arrivo di un raggio cosmico attraverso un piccolo segnale sonoro attivato dal segnale elettrico prodotto dai fotomiltiplicatori.
La raccolta dei dati relativi alle traiettorie dei raggi cosmici permette di analizzare la distribuzione angolare di questi segnali che vengono dal cielo.
Agli studenti vengono consegnati dei fogli di carta millimetrata nei quali riportare in mumero delle coincidenze ai funzione dell'angolo di orientamento dell'apparato. Dopo aver costruito e discusso il grafico ottenuto, si rielaborano gli stessi dati con un computer.
Restituzione
Si suggerisce agli studenti di calcolare, in casi semplici, le probabilità dell'avvenire contemporaneo di due eventi e i loro esempi e calcoli possono essere riutilizzati in visite successive.
Bibliografia
Marcelo Alonso, Edward J. Finn, III volume. Quantum and statistical physics : Addison-Wesley, ©1968.
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