Cos’è il laboratorio RTL? RTL significa Real Time Laboratory, ossia Laboratorio in tempo reale (detto anche Laboratorio on line) Esso è basato su tre elementi fondamentali: i sensori (o sonde) l’interfaccia il computer (dotato di un opportuno software)

Perché il laboratorio RTL? Il laboratorio RTL si basa sui moderni strumenti tecnologici forniti dallo sviluppo dei calcolatori e dell’elettronica digitale Esso ha avuto, negli ultimi anni, grande sviluppo e progressiva diffusione, anche a livello scolastico Ma perché si dovrebbe sostituire il laboratorio didattico tradizionale con questi nuovi strumenti tecnologici? I motivi sono molti: cercheremo di evidenziare i principali

Come si fa una misura oggi? Nei laboratori di ricerca reali (non quelli didattici) le misure vengono fatte, al giorno d’oggi, quasi sempre con apparecchi connessi ad un computer È perciò importante che gli studenti possano utilizzare apparati di misura che, almeno qualitativamente, si colleghino all’effettiva ricerca scientifica odierna

Il metodo scientifico Si sente parlare molto, negli ambienti più vari, di metodo scientifico, ma pochi sanno che cosa sia precisamente Certamente non è il metodo con cui vengono insegnate a scuola, tradizionalmente, le materie scientifiche! Vogliamo quindi provare a proporvi un modo di avvicinare la Fisica simile a quello che praticano gli scienziati veri

Lo strumento di misura universale Nel laboratorio RTL si usa in realtà un unico strumento di misura universale: esso è costituito dall’insieme sensore + interfaccia + computer Naturalmente si userà un sensore diverso per ogni tipo differente di grandezza fisica che si vuol misurare; ma lo strumento si rapporta con l’utente sempre nella stessa maniera!

Ruolo attivo e motivazione Col laboratorio RTL è più facile organizzare l’attività didattica in modo che lo studente esegua in prima persona misure ed esperimenti Anche se il laboratorio dispone di una sola copia dell’attrezzatura (sensore + interfaccia), la relativa abbondanza di computer nelle scuole superiori rende possibile quanto meno l’analisi individuale dei dati sperimentali! Tutto questo, come ben sappiamo, aumenta la motivazione degli studenti nei confronti dell’attività sperimentale

Come funziona? Come abbiamo gà detto, lo strumento universale è costituito dall’insieme sensore + interfaccia + computer L’interfaccia è necessaria (quasi sempre) per convertire i segnali (elettrici) provenienti dal sensore in informazioni “comprensibili” al computer L’interfaccia da noi utilizzata si connette al computer tramite l’ormai diffusissima porta USB (Universal Serial Bus)

Acquisizione di dati con sensori Si utilizza un sensore per trasformare la grandezza oggetto in una più facilmente misurabile La misura consiste nella conversione della grandezza da misurare nel risultato della misura, tramite una funzione di trasferimento Per dare significato alla misura bisogna eseguire la taratura del sensore

Diversi tipi di sensori Sensori a risposta digitale danno in uscita direttamente un numero, che esprime il valore della grandezza misurata Sensori a risposta analogica danno in uscita una corrente o una tensione elettrica, il cui valore dipende dalla grandezza misurata

Sensore analogico I sensori analogici producono un segnale continuo Y(t): corrente o tensione Il sistema di utilizzazione (calcolatrice grafica o computer) accetta solo valori numerici discreti delle grandezze Il convertitore rende compatibile il sensore analogico con il sistema di utilizzazione

Convertitori analogico-digitali (ADC) Nell’acquisizione RTL il segnale analogico deve essere digitalizzato I convertitori ADC (Analogic Digital Converter) eseguono la digitalizzazione di un segnale analogico Se il segnale arriva dal sensore già in formato digitale non c’è invece bisogno di conversione

L’interfaccia LabPro Memorie Flash aggiornabili Possibilità di acquisizione indipendente dal calcolatore Frequenza massima di lavoro (non vale per tutte le sonde): 50kHz Tempo minimo tra due campionamenti successivi: 20 ms 4 canali analogici 2 canali digitali Una uscita analogica ± 3 V 100 mA (il quarto canale analogico) 12 bit di conversione ADC Memoria dati interna fino a 12000 punti

Software per la gestione dell’interfaccia LabPro con il PC LoggerPro permette di collegare l’interfaccia LabPro alla porta USB del PC Il software riconosce automaticamente l’interfaccia e i sensori ad essa collegati Permette la calibrazione dei sensori e l’azzeramento Consente una frequenza di campionamento che dipende dal tipo di sensore Permette la lettura in tempo reale dei grafici e l’analisi dei dati sperimentali

Qualunque fit curvilineo! A differenza di altri software (ad esempio il foglio elettronico Excel), LoggerPro è in grado di realizzare il fit di un insieme di dati mediante una qualsiasi funzione definita dall’utente L’unico limite è il numero di parametri contenuti nella funzione, che non può superare 6 Si possono realizzare fit sia automatici sia manuali La curva interpolatrice può essere visualizzata nel grafico insieme ai punti sperimentali

Sonar Sensore digitale; il sonar rileva il tempo di andata e ritorno di un impulso ultrasonoro di frequenza circa 49 KHz È predisposto per lavorare in aria in condizioni standard di umidità alla temperatura di 20°C Emissione e ricezione avvengono dallo stesso dispositivo Durante l’emissione il sensore non può ricevere: questo corrisponde alla presenza di una zona “buia” davanti all’emettitore di circa 25 cm La massima distanza rilevabile è circa 6 m Il fascio si allarga con un cono di circa 20° Range: 0.25 - 6m Sensibilità: 1mm Temperatura standard della taratura: 20°C

Sensore di forza Sensore analogico; il funzionamento del sensore si basa sulla proprietà delle resistenze a film sottile: sottoposte ad allungamento od accorciamento variano la propria resistenza in modo proporzionale alla forza applicata Nel sensore utilizzato le resistenze sono inglobate su film di plastica incollati alla superficie del campione che è sottoposto allo sforzo La variazione di resistenza viene letta mediante un ponte di Wheatstone La variazione di resistenza viene tradotta in una tensione nel range 0-5 volt Anche questo sensore è sensibile alla temperatura Range: ± 10N e ± 50 N Sensibilità (dipende da ADC dell’interfaccia): Scala ± 10N: 0.02 N con CBL 2 0.006 N con LabPro Temperatura di funzionamento standard: 20°C

Termometro Sensore analogico; i sensori sono dei termistori, cioè resistori a semiconduttore la cui resistività dipende dalla temperatura: può aumentare con la temperatura (PTC) o diminuire con la temperatura (NTC) I termistori sono costituiti da materiali policristallini misti ad ossidi I coefficienti di temperatura sono circa un ordine di grandezza maggiori che nei metalli Range: –25 +125 °C La sensibilità varia nelle diverse zone del range di funzionamento: 0.03 °C tra 0 e 40 °C 0.1 °C fino a 100°C La capacità termica del termometro va determinata sperimentalmente

Sonda di tensione È un sensore analogico Può misurare tensioni nell’intervallo 10 volt Il puntale nero è connesso a massa; bisogna tenerlo presente soprattutto se si usano più sonde contemporaneamente La sensibilità è pari a 5 mV se la sonda è collegata a LabPro Esisteva in passato un’altra versione della sonda, denominata raw voltage probe, che misurava tensioni da 0 a 5 V; ora non è più in produzione

Sonda di tensione differenziale È un sensore analogico Può misurare tensioni nell’intervallo 6 volt Nessuno dei puntali è connesso a massa; questo consente di utilizzare contemporaneamente più sonde per misurazioni indipendenti (nessun estremo in comune) La sensibilità è pari a circa 3 mV se la sonda è collegata a LabPro L’impedenza di ingresso è di 10 M

Sensore di moto rotatorio È un sensore analogico Misura angoli di rotazione in senso orario o antiorario Ha una sensibilità dell’ordine di un grado sessagesimale Può essere utilizzato per varie misure; è in grado di misurare la posizione angolare, da cui si possono calcolare velocità e accelerazione angolari Il particolare, è utile per lo studio del moto di un pendolo

RTL- Operazioni tipiche Scegliere i sensori per le misure da eseguire Collegare l’interfaccia al PC e i sensori all’interfaccia Avviare il PC e lanciare il programma di acquisizione (LoggerPro): il programma riconosce automaticamente i sensori Eseguire la calibrazione dei sensori Scegliere la frequenza di campionamento dei dati e il numero di dati da raccogliere Iniziare la raccolta dei dati; in generale la misura delle grandezze viene presentata sullo schermo in funzione del tempo

Esempio

Cosa faremo Al termine di questa presentazione cominceremo ad esaminare in dettaglio il funzionamento del sistema RTL, in particolare del software LoggerPro Ogni gruppo avrà a disposizione una postazione dotata di: computer con software LoggerPro interfaccia LabPro sonar (sensore di posizione) sensore di forza sensore di temperatura (termometro)