Elenco dei materiali per i corsi STEM: Focus sui metalli

Premessa

La sperimentazione pratica è essenziale nell'istruzione STEM, in particolare nella fisica, dove idee astratte come la forza, la conduttività e le proprietà termiche sono concrete. Per apprendere efficacemente la meccanica, l'elettromagnetismo e l'ottica, è indispensabile disporre di materiali reali che li rappresentino. Un gruppo di materiali con diverse applicazioni è costituito da campioni di metallo come leghe di rame, alluminio e titanio. Possono essere utilizzati per dimostrare le variazioni di densità, resistenza, conduttività elettrica e conduttività termica, correlando la teoria alla pratica.

Panoramica degli argomenti

Poiché in questo caso la fisica domina l'educazione STEM, gli studenti dovrebbero avere buone informazioni sulle proprietà dei materiali. Utilizzando campioni di metallo, gli studenti possono:

-confrontareledensità per prevedere le prestazioni dei materiali in condizioni di peso e volume.

-Eseguireprove di resistenza meccanica e studiare la sollecitazione-deformazione dei metalli.

-Sperimentarela conducibilità elettrica e il motivo per cui i fili di rame sono utilizzati per l'elettronica.

-Eseguiretest sullaconducibilità termica, spiegando perché l'alluminio viene utilizzato nei dissipatori di calore.

Associando queste caratteristiche ad applicazioni quotidiane come l'aerospaziale, l'elettronica e l'edilizia, gli studenti possono vedere la rilevanza dei principi fisici fondamentali.

Materiale richiesto

Opzionale: morsetti, tappetini isolanti e guanti di sicurezza per la manipolazione dei campioni metallici durante gli esperimenti. Per materiali più avanzati, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Istruzioni passo-passo

1. Misura della densità

Per determinare la densità dei campioni di metallo e confrontarla con i valori teorici, sono necessari una bilancia digitale, un calibro o un righello, un cilindro graduato (per quantificare lo spostamento dell'acqua) e i campioni di metallo (alluminio, rame e Ti-6Al-4V). La densità è la massa rispetto al volume.

Fase 1: misurazione della massa

Accendere la bilancia digitale e azzerarla.

Posizionare ciascun campione di metallo sulla bilancia e determinarne la massa ((m)) in grammi (g).

Effettuare la misurazione due volte per garantire la precisione.

Fase 2: Misura del volume

Per i campioni di forma regolare (cubi, cilindri):

-registrarele misure (lunghezza, larghezza, altezza o diametro) con un calibro o un righello.

-Applicarela formula geometrica appropriata per trovare il volume (V).

Per i campioni di forma irregolare

-Mettereuna quantità nota di acqua in un cilindro graduato.

-Immergerecompletamente il campione e leggere la variazione di volume.

-Ladifferenza è il volume del campione in centimetri cubi (cm³).

Fase 3: trovare la densità

Utilizzare la formula:

ρ= m/V

dove ρ è la densità in g/cm³, m è la massa in grammi e V è il volume in cm³.

Calcolare per ogni campione di metallo.

Fase 4: Confronto con i valori teorici

Confrontate le densità misurate con quelle tipiche:

-rame: ~8,96 g/cm³

-Alluminio: ~2,70 g/cm³

- Lega dititanio (Ti-6Al-4V): ~4,43 g/cm³

Spiegare eventuali discrepanze e possibili fonti di errore (precisione della misura, bolle d'aria, ecc.).

2. Dimostrazione della resistenza meccanica

Per esplorare la resistenza meccanica e l'elasticità, utilizzate un semplice sistema di leve o molle, delle masse e un righello o un comparatore per misurare le deformazioni. Questo esperimento dimostra come i materiali rispondono all'aggiunta di una sollecitazione.

Fase 1: preparazione dell'attrezzatura

Costruite un semplice sistema di leve o utilizzate una trave sostenuta da entrambe le estremità.

Posizionare il campione di metallo nella zona in cui deve essere applicata la forza e fissarlo saldamente.

Fase 2: aumento graduale della forza

Aggiungere gradualmente un peso o esercitare una pressione sul punto centrale della trave.

Osservare e registrare ogni volta che si verifica un'apparente flessione o deformazione.

Fase 3: registrazione dei dati

Misurare la forza (F) e la deformazione corrispondente (ΔL) a ogni passo.

Ripetere la prova su ciascuno dei campioni di metallo.

Fase 4: osservare i risultati

Commentare la relazione sforzo-deformazione e confrontare la rigidità attraverso il modulo di Young (E):

-Rame: ~110-130 GPa

-Alluminio: ~69 GPa

-Ti-6Al-4V: ~110 GPa

Spiegare perché alcuni materiali si piegano più facilmente e altri resistono alla deformazione.

Ulteriori letture: I 10 materiali più resistenti conosciuti dall'uomo

3. Test di conducibilità elettrica

Per eseguire un test di conducibilità elettrica e confrontare i campioni, è necessario disporre di un alimentatore CC, di un multimetro, di fili a coccodrillo e dei campioni di metallo. La conduttività si ricava dalla tensione, dalla corrente e dalla geometria del campione.

Fase 1: collegare il circuito

-Creare un circuito in serie: mettere l'alimentatore, il campione di metallo e il multimetro in un anello.

-Per misurare la corrente (I), il multimetro deve essere in serie.

-Per misurare la tensione (V), posizionare le sonde in parallelo tra loro attraverso il campione.

Se è disponibile un solo multimetro, misurare la tensione e la corrente in misure separate.

Fase 2: Misurare la corrente e la tensione

-Posizionare il multimetro sulla modalità corretta (tensione o corrente CC).

-Misurare la corrente attraverso il circuito e la caduta di tensione sul campione.

Fase 3: Calcolo della conduttività

1. Utilizzare la legge di Ohm per calcolare la resistenza:

R = V/I

2. Utilizzare la formula della conduttività:

σ = L/(R*A)

dove (L) = lunghezza del campione, (A) = area della sezione trasversale, (R) = resistenza.

Fase 4: Confronto dei risultati

Conducibilità previste:

-Rame: ~5,96 × 10⁷ S/m (molto alta)

-Alluminio: ~3,5 × 10⁷ S/m

-Ti-6Al-4V: ~1,8 × 10⁶ S/m (molto più bassa)

Discutere perché la conduttività varia, utilizzando la struttura atomica e la mobilità degli elettroni.

4. Osservazione della conduttività termica

Questo esperimento dimostra la velocità di trasmissione del calore nei diversi metalli. Sono necessari una fonte di calore (ad esempio, una piastra), un termometro o una sonda termica e aste metalliche della stessa dimensione.

Fase 1: Preparare i campioni

Posizionare campioni di rame, alluminio e Ti-6Al-4V delle stesse dimensioni su una superficie resistente al calore.

Inserire i sensori di temperatura lungo la loro lunghezza.

Fase 2: Introduzione del calore

Riscaldare lentamente un'estremità di ciascun campione mantenendo gli altri a temperatura ambiente.

Fornire tempi e intensità di riscaldamento uguali.

Fase 3: Misurare la distribuzione della temperatura

Misurare le temperature lungo le aste a intervalli di tempo uguali (ad esempio, 10 secondi).

Notate quanto rapidamente si riscalda l'estremità di ciascun campione.

Fase 4: Confronto e analisi

Spiegate la conducibilità termica e l'efficienza del trasferimento di energia:

-Rame: ~401 W/m-K

-Alluminio: ~237 W/m-K

-Ti-6Al-4V: ~6,7 W/m-K

Spiegare perché il rame si riscalda più rapidamente e la lega di titanio più lentamente in termini di vibrazioni reticolari e di legame.

Domande frequenti

D: Cosa rende i metalli preziosi per le applicazioni di laboratorio e industriali?

R: La loro resistenza, conduttività e densità li rendono adatti a cablaggi, dispositivi chirurgici e reattori chimici.

D: Che relazione hanno le conducibilità elettriche e termiche con la struttura atomica?

R: I metalli a elettroni liberi (come il rame e l'alluminio) sono conduttori di calore e di elettricità e mostrano i principi della fisica quantistica e dello stato solido.

D: Queste proprietà possono influire sulla progettazione di farmaci o apparecchiature chimiche?

R: Sì, l'acciaio inossidabile o il titanio sono abitualmente utilizzati nei reattori e nelle tubature per la loro stabilità termica, la loro robustezza e la loro resistenza alla corrosione.

Conclusione

L'utilizzo di campioni di metallo nei corsi STEM basati sulla fisica offre un'esperienza di apprendimento basata sui dati. Gli studenti possono misurare, confrontare e testare proprietà significative dei materiali che influenzano l'ingegneria e le applicazioni industriali. In questi esperimenti, concetti come densità, resistenza e conduttività non sono più astratti: diventano tangibili, misurabili e concreti. L'apprendimento pratico rende l'apprendimento più solido e pronto per l'applicazione nella risoluzione di problemi di ingegneria, chimica e fisica applicata.

Risorse aggiuntive

-Stanford Advanced Materials (SAM) - Database delle proprietà dei metalli

-Callister, W.D., Scienza e ingegneria dei materiali: An Introduction, 10a edizione

- Manualidi laboratorio per i programmi STEM di fisica per le scuole superiori e per i corsi di laurea.

- Tutorialonline: Esperimenti su densità, conduttività e conduttività termica