OTTICA
Luce Propagazione Riflessione
classi seconde liceo scientifico e
scientifico opzione scienze applicate
Liceo Buonarroti - Pisa
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OTTICA
Il percorso è stato proposto come argomento
centrale del corso di Fisica a 2 classi prime liceo
scientifico, in particolare a una classe
dell’indirizzo Scienze applicate e una classe
dell’indirizzo Scientifico.
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OTTICA : obiettivi
• Studiare le proprietà della luce attraverso
l’osservazione guidata del comportamento dei raggi
luminosi e in particolare:
La propagazione rettilinea della luce
La luce e la materia
Riflessione
Specchi piani e sferici
Rifrazione
Le lenti sottili
• Collegare le osservazioni fatte alle proprietà
geometriche di angoli e triangoli
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OTTICA : approccio metodologico
• Introdurre l’argomento “luce e sua propagazione”
ponendo domande in modo da capire quali sono le loro
conoscenze
• Partire da un problema concreto (ad esempio : come si
propaga la luce nell’aria e in altre situazioni)
• Discussione e proposte degli studenti
• Realizzazione delle proposte
• Discussione dei problemi emersi
• Formulazione e verifica di ipotesi
• Analisi di situazioni più complesse
• Lavori di gruppo e relazioni scritte individuali
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OTTICA : materiali
•
•
•
•
•
•
Lampadine su supporto per studiare le ombre
Spilli,
Fogli formato A4
Goniometri
Banco ottico
Lavagna magnetica per esperienze di ottica
con laser, specchi, lenti e modello di occhio
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OTTICA : ambiente
• Laboratorio
• Aula
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OTTICA : tempo
• Per la messa a punto preliminare : 3 incontri
• Per la progettazione specifica : circa 15 ore
• Tempo – scuola : circa 24 ore di lezione per l’indirizzo Scientifico,
circa 36 ore per l’indirizzo Scienze applicate
• Per documentazione : circa 5 ore
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OTTICA
• Come spesso avviene sono stati preziosi gli
incontri informali tra i docenti coinvolti per
confrontare le modalità di attuazione, i
materiali prodotti, i risultati ottenuti via via
che le attività venivano costruite e proposte
alle classi.
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OTTICA : descrizione
• Attività di laboratorio 1
• Agli studenti, divisi in gruppi, sono stati forniti un pannello verticale sul
quale sono fissate 6 lampadine ad altezze diverse, due viti (gnomoni) di
altezza circa 8,0 cm,un foglio di carta, un pezzo di spago e un righello. Gli
studenti hanno posto la vite verticalmente sul foglio di carta fissato
davanti al pannello, disegnato il contorno della base della vite in modo da
poterla riposizionare se necessario e, scelta una lampadina (spenta),
individuato il punto corrispondente al secondo estremo dello spago
avente il primo estremo sulla lampadina e passante per l’estremità della
vite. Accesa la lampadina, gli studenti dovevano disegnare il contorno
dell’ombra della vite, che risultava avere il profilo passante per il punto
precedentemente individuato.
• Sono state ripetute misure per distanze diverse della vite dalla stessa
lampadina e da lampadine diverse.
• Per l’attività è stata usata la scheda ottica 1 riportata di seguito
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OTTICA 1
Esperienze con una lampadina puntiforme: osservazioni sulle ombre
Hai a disposizione un portalampade con sei lampadine numerate, due gnomoni uguali, un pezzo di spago, un foglio quadrettato, un metro.
1.
Propagazione rettilinea della luce
Utilizza uno gnomone, collocalo sul foglio quadrettato e segna la posizione della base (G).
Il portalampade è collocato al margine del foglio: non bisogna spostarlo, ma se accadesse, per ritrovare la sua posizione conviene segnare subito sul foglio
gli estremi della base.
A lampadine spente, congiungi con lo spago teso una lampadina (scegli quale) alla punta dello gnomone, arrivando fino al tavolo; segna sul foglio il punto
in cui il filo incontra il foglio, indicando il punto con il numero che identifica la lampadina (durante questa operazione, un componente del gruppo deve
tenere fermo il portalampade, un altro deve tenere fermo e dritto lo gnomone, un terzo deve manovrare lo spago e il quarto deve segnare le posizioni sul
foglio).
Dal momento che la vera sorgente di luce è il filamento all’interno della lampadina, ogni rilevazione di questo genere risulta necessariamente
approssimata: è dunque opportuno ripetere le rilevazioni facendo partire lo spago da quattro punti diversi della lampadina (sopra, sotto, a destra, a
sinistra), in modo da delimitare sul foglio una zona individuata con il massimo margine di errore.
Senza spostare nulla, ripeti le rilevazioni con un’altra lampadina.
Sempre senza spostare nulla, accendi le lampadine prese in considerazione, una per volta.
Che cosa osservi? Che cosa puoi concludere?
2.
Relazione tra la lunghezza di uno gnomone e la lunghezza della sua ombra
Posiziona due gnomoni sul tavolo in modo casuale.
Utilizza la lampadina 6: le misure delle ombre sono uguali?
Tieni fisso uno gnomone e sposta il secondo: quando accade che la prima ombra è più corta della seconda? Quando sono uguali?
Quando hai trovato due posizioni degli gnomoni per cui le ombre sono uguali, senza spostare gli gnomoni, accendi la lampadina 2, spegni la 6, e misura di
nuovo le due ombre. Che cosa noti?
E se accendi la lampadina 1?Come sono le direzioni delle ombre?
Prova ora ad allontanare il portalampade dal bordo del foglio di circa 50 cm. Che cosa noti?
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OTTICA : descrizione
• All’attività è seguita una discussione in classe su quanto osservato,
dalla quale è emerso che la luce si propaga in linea retta, e che
esiste una relazione di proporzionalità diretta tra la distanza dalla
sorgente di luce e la lunghezza dell’ombra.
• In classe è stato discusso anche cosa sarebbe accaduto se, a parità
di distanza dalla lampadina, avessimo preso oggetti di altezza
differente. Gli studenti hanno provato a fare dei disegni simulanti la
situazione e hanno tratto la conclusione che anche in questo caso
esiste una proporzionalità diretta tra lunghezza dell’ombra e altezza
dell’oggetto.
• Si è quindi passati a congetturare e sperimentare su altre
situazione , andando a studiare il comportamento della luce quando
incide su materiali diversi (ottica 2 , scheda 1, ottica 3)
• Per la stesura della relazione è stata usata la scheda 2.
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OTTICA 2
Esperienze con una lampadina puntiforme: osservazioni sulle ombre
Hai a disposizione un banco ottico costituito da:
- un portalampade con sei lampadine, numerate, che sono sorgenti puntiformi di luce
- uno schermo verticale, sul quale osserverai le ombre
- un sostegno, per interporre tra sorgente e schermo degli ostacoli
- un lucido, con un ostacolo opaco quadrato, da disporre verticalmente sul sostegno
- un foglio quadrettato sul tavolo
- un metro.
Prima parte
Il portalampade deve essere tenuto al bordo del foglio quadrettato e lo schermo deve essere posizionato a 1m di distanza
dalle lampadine, parallelamente al loro sostegno, e non deve essere spostato.
Tra lampadine e schermo deve essere posizionato il pannello di sostegno degli ostacoli, parallelo allo schermo.
-
Misura il lato dell‟ostacolo quadrato
Colloca l‟ostacolo ad una distanza d = 50 cm dalle lampadine,
accendi una lampadina e misura le dimensioni dell‟ombra sullo schermo,
dopo aver controllato se l‟ombra è anch‟essa quadrata.
n=…
Senza spostare nulla, ripeti le osservazioni utilizzando un‟altra lampadina n = …
-
Domande:
-
Lostacolo=
Lombra =
Lombra=
L‟ombra mantiene la forma quadrata dell‟ostacolo?
Che cosa cambia nell‟ombra se cambiamo lampadina?
Le tue osservazioni confermano o smentiscono l‟ipotesi di propagazione rettilinea della luce? Perché?
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Ottica 2
Seconda parte
Il portalampade deve essere tenuto al bordo del foglio quadrettato, il pannello con l‟ostacolo deve essere mantenuto
a 20 cm dalle lampadine mentre lo schermo deve essere progressivamente allontanato fino al bordo del tavolo. In
questa fase dovrai utilizzare sempre la stessa lampadina.
-
-
Posiziona lo schermo ad una distanza d „= 50 cm dalle lampadine e misura il lato dell‟ombra.
Successivamente sposta lo schermo indietro di 10 cm e riprendi la misura del lato dell‟ombra
Ripeti le misure spostando ogni volta lo schermo di 10 cm fino alla distanza di 1 m dalle lampadine
Con le misure, compila la seguente tabella
Domande:
Quali conclusioni puoi trarre
dalle tue misure?
Le tue osservazioni confermano o smentiscono
l‟ipotesi di propagazione rettilinea della luce?
Perché?
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Distanza
sorgente - schermo
50 cm
60
70
80
90
100
Lato ombra
14
rel 07 02 2012 fisica
Cognome e nome …………………………………………………………………………………………
Scheda 1
1.
2.
3.
Nell‟esperimento del …….. hai misurato come varia la lunghezza del lato dell‟ombra di un
oggetto quadrato al variare …………………………………………………………………………………………………………………
Disegna lo schema del dispositivo di misura che hai usato
Riporta i dati rilevati in due tabelle, relative ai due studi effettuati (prima variando la distanza dello schermo dall‟oggetto, lasciando invariata
la distanza tra la lampadina e l‟oggetto, e successivamente variando la distanza tra lo schermo e l‟oggetto, lasciando invariata la distanza
totale tra la lampadina e lo schermo)
dol= distanza oggetto – lampadina =…………
dol= distanza schermo – lampadina =…………
Lo= lato dell‟oggetto =……………
Lo= lato dell‟oggetto =……………
dos= distanza oggetto –
schermo
4.
5.
L = lato dell‟ombra
dos= distanza oggetto –
schermo
L = lato dell‟ombra
Su un foglio quadrettato disegna un piano cartesiano in modo da rappresentare graficamente i dati ottenuti e riportati nelle tabelle.
Riporta le tue osservazioni sul retro del foglio. Esiste una relazione tra le distanze considerate e la lunghezza del lato dell‟ombra ? E tra le
stesse distanze e l‟area della superficie dell‟ombra ?
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OTTICA 3
Esperienze con più lampadine puntiformi: osservazioni sulle ombre
L’alimentatore è stato regolato opportunamente e non deve essere manipolato per nessun motivo.
Hai a disposizione un banco ottico costituito da:
un portalampade con sei lampadine da bicicletta, numerate, che sono sorgenti puntiformi di luce
uno schermo verticale, sul quale osserverai le ombre
un sostegno, per interporre tra sorgente e schermo degli ostacoli
un lucido, con un ostacolo opaco quadrato, da disporre verticalmente sul sostegno
un foglio quadrettato sul tavolo
un metro.
SH = 20 cm
Lampada, ostacolo e schermo devono rimanere sempre alla stessa distanza e paralleli:
; SH‟= 50
cm
Misura il lato dell‟ostacolo quadrato
L =
a)
Accendi due lampadine: che cosa osservi a proposito dell‟ombra?
La risposta dipende da quali lampadine hai acceso?
b)
Accendi ora due lampadine (la 2 e la 6) e osserva l‟ombra dell‟ostacolo sullo schermo.
Puoi identificare la parte di ombra prodotta da ciascuna lampadina? Come?
Registra le seguenti misure, dopo aver fatto uno schizzo approssimativo della situazione:
c)
d)
distanza tra le lampadine
L2L6 = 12 cm
Distanza tra i bordi più esterni delle ombre
D=
Distanza tra i bordi più interni delle ombre
d=
Ripeti le osservazioni del punto b) utilizzando le lampadine 2 e 4: puoi aggiungere qualche osservazione sul “grado di ombra”,
cioè sui toni di grigio che vedi sullo schermo?
Registra le seguenti misure, dopo aver fatto uno schizzo approssimativo della situazione:
distanza tra le lampadine
L2L4 = 6 cm
Distanza tra i bordi più esterni delle ombre
D=
Distanza tra i bordi più interni delle ombre
d=
A questo punto allontana lo schermo lentamente, mantenendolo parallelo al pannello che sostiene
l‟ ostacolo: annota le tue osservazioni.
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Scheda 2
TITOLO: LA PROPAGAZIONE DELLA LUCE
FASE 1
SCOPO: dimostrare che la luce si propaga in linea retta
STRUMENTI: sostegno con una lampadina inserita e funzionante, gnomone
MATERIALE:due fogli di carta formato A3 attaccati insieme per mezzo di scotch o spillatrice, sei batterie da 1.5 volt messe in
serie, spago o comunque filo abbastanza spesso e non rigido
DESCRIZIONE STRUMENTI:il sostegno per la lampadina deve essere fatto in modo che le sei lampadine stiano parallele
rispetto al piano, dove possibile di materiale non conduttore come il legno in modo da evitare possibili cortocircuiti o dispersione
inutile di energia elettrica, le uniche parti che dovranno essere fatte di materiale conduttore sono gli alloggiamenti delle lampadine
e i fili elettrici che le collegano alla fonte di energia; lo gnomone è un‟asta di metallo bloccata alla base in modo che stia
perpendicolare al punto di appoggio.
PROCEDIMENTO: nel sostegno delle lampadine metterne una sola e posizionare il sostegno in modo che essa stia
sopraelevata rispetto allo gnomone, non accendere la lampadina ancora, ora prendere il filo e tenderlo da sopra la lampadina fino
al foglio facendo in modo che tocchi la punta dello gnomone senza però piegarne la traiettoria e segnare sul foglio, che
precedentemente avrete messo sotto lo gnomone, il unto dove va a cadere lo spago, ciò dovrebbe, in teoria simulare la
propagazione della luce, purtroppo, però la fonte di luce non è puntiforme e perciò la luce proviene da più punti pertanto
bisognerà prendere i punti tendendo lo spago da sopra, sotto, da destra e da sinistra della lampadina seguendo lo stesso
procedimento in modo di avere un‟area approssimativa dove dovrebbe cadere l‟ombra, a questo punto spegnere la luce
domestica e accendere la lampadina, se tutto è stato fatto a dovere con la dovuta precisione l‟ombra dovrebbe cadere circa
nell‟area segnata.
CONCLUSIONE 1:DA QUESTA ESPERIENZ A SI PUÒ FACILMENTE CONCLUDERE CHE LA LU CE SI
PROPAGA IN LINEA RET TA, SE COSÌ NON FOSS E STATO NON SOLO L‟O MBRA NON SAREBBE CAD UTA
NELL‟AREA PRECEDENTEMENTE SEGNATA MA AVR EBBE AVUTO, FORSE, F ORME ASSURDE, COME U N
SINUSOIDE.
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FASE 2
SCOPO:Trovare che rapporto esiste tra l‟oggetto che impedisce il passaggio della luce e la sua ombra.
STRUMENTI: Sostegno delle lampadine utilizzato nella precedente esperienza, due fogli formato A3 quadrettati con quadretti da 5 cm, schermo con carta millimetrata per osservare le
ombre, riga.
MATERIALE:Ostacolo opaco quadrato preferibilmente messo su di un sostegno che lasci passare la luce.
DESCRIZIONE STRUMENTI : lo schermo per l‟osservazione delle ombre è composto da una superficie nera tenuta verticale rispetto al punto di appoggio tramite pedicelli.
PROCEDIMENTO: Prima di tutto posizionare i fogli di carta quadrettati, precedentemente fissati insieme facendo attenzione al rispettare le misure dei quadrati (5cmX5cm),sul piano di
appoggio, successivamente posizionare il sostegno con le lampadine, all‟inizio solo una deve essere collegata, adiacente al foglio di carta, o, ancora meglio, in modo che la tangente alla
lampadina perpendicolare al piano tocchi il bordo del foglio, posizionare lo schermo trasparente in un punto del foglio e prenderne la distanza approssimativa servendosi dei quadretti
presenti su di esso, successivamente posizionare lo schermo con la carta millimetrata parallelo allo schermo trasparente e prendere la distanza da esso con il metodo precedentemente
illustrato, a questo punto fare buio nella stanza e accendere la lampadina, successivamente prendere la misura, con l‟aiuto della riga, dell‟ombra che viene proiettata sulla carta millimetrata.
A questo punto, se tutto è stato fatto correttamente l‟ombra dovrebbe venire di forma quadrata e più grande dell‟ostacolo.
ELABORAZIONE DATI:
lato ostacolo quadrato: 5 cm
Distanza ostacolo (cm)
Distanza schermo (cm)
Lato ombra(cm)
20 cm
50 cm
14,5 cm
20 cm
60 cm
16,5 cm
20 cm
70 cm
20 cm
50 cm
70 cm
7 cm
50 cm
80 cm
8,5 cm
50 cm
90 cm
9,4 cm
50 cm
100 cm
10,2 cm
50cm
110 cm
11 cm
Per capire se, effettivamente, c‟è un qualche rapporto tra l‟oggetto che impedisce il passaggio della luce e la sua ombra è necessario rappresentare il fenomeno con un disegno:
AI
A
HI
L
H
B
BI
I triangoli LAB e LAI BI sono simili, perciò il rapporto tra le loro dimensioni è uguale quindi LA:LH=LAI:LHI e quindi anche LH:AB=LHI:AIBI quindi, prendendo in considerazione i dati riportati
nella tabella si può fare l‟altezza dell‟ostacolo (5cm) moltiplicato per la distanza dello schermo dal punto luminoso (50 cm) moltiplicato per la distanza dell‟ostacolo alla luce (20 cm) quindi
l‟intera formula verrebbe (AB*LHI)/LH quindi (5*50)/20 il cui risultato è 12,5 cm non troppo lontano dalla grandezza misurata durante l‟esperienza che era 14,5 cm.
CONCLUSIONE 2: TRA LA GRANDEZZA DEL L‟O MBRA E LA SUA DIS TANZA DALL‟OSTACOLO ALLA LUCE ESISTE UNA PROPORZIONALITÀ POIC HÉ SE
SI AUMENTA LA DISTAN ZA TRA L‟OSTACOLO E IL PUNTO LUMI NOSO O LA DISTANZ TRA LO SC HERMO E L‟OSTACOLO A UMENTANO A NCHE LE
DIMENSIONI DELL‟ OMBR A.
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FASE 3
SCOPO: Classificare i materiali in base a come sono attraversati dalla luce.
STRUMENTI: Faretto elettrico con sportellino per isolare un fascio di luce.
MATERIALE: carta, Cartoncino nero, carta lucida, plexiglas, plastica lucida,specchio, vaschetta d‟acqua, colorante.
DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI:Il faretto elettrico è alimentato da cavi elettrici collegati alla rete elettrica locale davanti al punto
di emissione della luce è stato posizionato un panello con una fenditura grande abbastanza per far passare un fascio di luce senza
alterarne la direzione, di modo che si venga a creare un pennello di luce.
PROCEDIMENTO: fare buio nella stanza e accendere il faretto con il pannello sistemato davanti alla fonte di luce, si viene a creare
così un pennello di luce ossia un fascio stretto di chiarore che attraversa il piano di appoggio, a questo punto collocare uno per volta i
vari materiali davanti ad esso e verificare come la luce li attraversa.
Carta: La luce non la attraversa cioè non si vede il pennello di luce al di là del foglietto ma risulta illuminato da entrambi i lati perciò
questo materiale è detto traslucido.
Cartoncino nero: la luce non lo attraversa e non si vede il punto illuminato dall‟altro lato perciò questo materiale si dice opaco.
CARTA LUCIDA:La luce non la attraversa me si vede con più chiarezza rispetto alla carta il punto dove la luce va a cadere, questo
materiale è detto traslucido
PLASTICA LUCIDA: La luce non la attraversa, da dietro non si nota nemmeno che è illuminata, ma da davanti si può notare che
riflette la luce con lo stesso angolo con cui la luce la colpisce, questo oggetto si dice opaco e riflettente.
SPECCHIO: La luce non lo attraversa riflette con più decisione la radiazione luminosa che lo colpisce, questo oggetto si dice opaco
riflettente.
PLEXIGLAS: La luce lo attraversa, si forma dopo l‟oggetto il pennello di luce ma se si guarda bene si nota che riflette anche parte
della luce che gli arriva perciò questo oggetto si dice rifratto riflettente pichè la rifrazione è quando la luce attraversa un corpo:
VASCHETTA D‟ACQUA: la luce attraversandola viene deviata perché è costretta a passare in due materiali diversi, il plexiglas della
vaschetta e l‟acqua che vi contenuta, inoltre orientando la vaschetta in un certo modo essa fa da prisma scomponendo la luce nei
suoi colori.
VASCHETTA D‟ACQUA COLORATA DI ROSSO: La luce attraversandola oltre che venir deviata cambia anche di colore cioè da
bianca diventa rossa poiché il colore rosso del colorante assorbe tutti i colori e riflette il rosso ciò comporta anche che cercando di
scomporre la luce essa non si scompone poiché l‟unico colore di cui è costituita è il rosso.
CONCLUSIONE 3: LA LUCE SI CO MPORTA IN MANIERA DI VERSA A SECONDA DELLA SUPERFICE CHE
COLPISCE E DELLA NAT URA DELLE SOSTANZE C HE ATTRAVERSA.
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OTTICA : descrizione
Attività di laboratorio (matematico) 2 :
• Proporzionalità e similitudine:
A partire da quanto osservato è stato
introdotto il concetto di proporzionalità come
costanza del rapporto tra le misure delle
lunghezze dei segmenti.
Si è proseguito con lo studio del teorema di
Talete e del teorema della bisettrice e dei
criteri di similitudine.
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OTTICA : descrizione
Attività di laboratorio 3
• Studio della riflessione della luce da parte di uno specchio sferico concavo.
Dopo aver introdotto in classe, facendo riferimento alla quotidiana
esperienza degli studenti al riguardo, lo studio della riflessione, e ricavate
le leggi della riflessione da una superficie piana, si è fatto uso del banco
ottico (uno per gruppo) per studiare come variano le dimensioni e
l’orientamento dell’immagine di una figura riflessa da uno specchio
sferico concavo.
Gli studenti hanno quindi constatato che la somma dei reciproci delle
distanze sorgente – specchio e immagine – specchio è costante e pari al
reciproco della distanza limite alla quale l’immagine da capovolta diventa
diritta.
Da questa constatazione è stata verificata la legge dei punti coniugati.
Per la relazione è stata usata la scheda seguente oltre a una guida alla
relazione corredata da un test
Di seguito le schede usate
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21
SCHEDA ESPERIENZA
Oggetto dell’esperienza: Specchio concavo, punti coniugati.
Schema del dispositivo sperimentale.
Sc = schermo Sp = specchio L = lampada con diapositiva
Descrizione e funzionamento del dispositivo, procedimento seguito:
Montare su di un banco ottico, come in figura, lo specchio, la lampada e lo schermo. Predisporre davanti alla
lampada, costituita da un piccolo proiettore, una diapositiva con impressa una L. Orientare il proiettore in modo che
l‟immagine riflessa dallo specchio si veda sullo schermo. Spostare quindi il proiettore fino al punto in cui sullo schermo si
vede l‟immagine nitida della L.
Misurare le distanze p e q. Ripetere le misure 78 volte , spostando di nuovo il proiettore di 2cm per volta ed
aggiustando la posizione dello specchio per ottenere ogni volta l‟immagine nitida.
Annotare, ogni volta, la dimensione dell‟immagine della L sullo schermo. Spostare il proiettore e lo schermo fino a
raggiungere una posizione tale da ottenere, su di esso, la stessa dimensione della L montata sulla diapositiva, annotare
queste due distanze.
Con i dati raccolti verificare la legge dei punti coniugati
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22
segue scheda esperienza
1
p
1
q
1
F
Tabella di sperimentazione
q
1
p
q
cm
cm
p
1
F
cm
-1
1
F
H
L
cm
cm
cm
I HL
p= distanza lampada specchio
q = distanza schermo specchio
L= altezza sulla diapositiva
H= altezza immagine
F= distanza focale della lente I = rapporto d’ingrandimento
Scheda preparata da Sergio Palazzi (1999)
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23
Scheda
Sviluppa quanto richiesto su un foglio, usando i dati che hai raccolto in laboratorio.
1. Nell‟esperimento del 14 e 21 / 02 hai
…………………………………………………………………………………………
2. Disegna lo schema del dispositivo di misura che hai usato.
3. Descrivi brevemente quali sono le misure effettuate e le modalità di misura. In particolare descrivi cosa
hai fatto per determinare la distanza focale f.
4. Riporta i dati rilevati in una tabella. Ricorda di attribuire una incertezza ad ogni misura, valutata sulla
base della sensibilità dello strumento di misura usato e sulle modalità della misura.
Indica con p la distanza tra lo specchio e l‟oggetto, e con q la distanza tra lo specchio e lo schermo
dove veniva visualizzata l‟immagine riflessa. Calcola l‟ingrandimento I = himmagine/ hoggetto.
Puoi usare una tabella di questo tipo :
p
q
hoggetto
himmagine
I
f
5. Cosa osservi dalla tabella ? E‟ verificata la relazione che avevi scritta sulla scheda ?
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Segue scheda
1. Tenendo presente quanto mostrato in classe dall‟insegnante, e quanto riportato sul tuo libro di testo
(i raggi paralleli all‟asse ottico vengono riflessi nel fuoco, quelli che passano per il centro dello
specchio vengono riflessi su se stessi) prova a costruire l‟immagine riflessa nelle tre situazioni
proposte. (Puoi riprodurre sul tuo foglio i disegni mantenendo le posizioni relative tra specchio e
oggetto).
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25
TEST
1. L‟angolo di riflessione è quello che il raggio riflesso forma
con_____________________________________________________
2. Un raggio di luce incide su una superficie piana formando un angolo di 30° con la superficie.
L‟angolo di incidenza è di_________gradi, e l‟angolo di riflessione è di_________gradi.
3. Descrivi le caratteristiche dell‟immagine data da uno specchio piano:
a)_______________
b)_______________
c)_______________
4. Una sorgente luminosa è posta nel fuoco di uno specchio sferico concavo. I raggi riflessi
sono______________________________
5. Costruisci l‟immagine di un oggetto posto tra il centro e il fuoco di uno specchio concavo:
6 . Descrivi le caratteristiche dell‟immagine data da uno specchio convesso:
a)_______________
b)_______________
c)_______________
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OTTICA : descrizione
Lo studio della riflessione è stato approfondito
dagli studenti creando un file geogebra .
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OTTICA : descrizione
Attività di laboratorio 4
• Studio della rifrazione.
I gruppi di studenti avevano a disposizione due spilli, un foglio A4 sul quale era
stampato un goniometro di diametro 20,0 cm, una scatola di plexiglass sottile
di forma semicilindrica piena di acqua e un semicilindro di plexiglass; su
entrambi gli oggetti era segnata una linea verticale al centro della faccia
rettangolare, che andava posizionata in corrispondenza del centro del
goniometro su foglio.
Gli studenti dovevano fissare uno spillo sul goniometro, porsi con gli occhi in
modo da vederne l’immagine attraverso uno dei semicilindri, e posizionare il
secondo spillo in corrispondenza della posizione in cui esso risultava allineato
con il primo e con la linea verticale tracciata sul semicilindro.
Con questa attività si sono introdotte le funzioni goniometriche seno e coseno
come rapporti e in modo da evidenziarne la relazione con l’angolo.
All’attività di laboratorio è seguita una discussione in classe su quanto
osservato, e la stesura di una relazione guidata .
Di seguito le schede usate
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Esperienza 6- La rifrazione
Quando la luce passa dall'aria all'acqua, l'angolo di rifrazione è l'angolo formato dalla direzione del raggio
nell'acqua e dalla normale alla superficie dell'acqua. In questo esperimento cercheremo di trovare una relazione
fra quest'angolo e l'angolo d'incidenza.
Prendete una scatola di plastica trasparente, a sezione semicircolare e, usando la punta di uno spillo prima e di
una matita tenera poi, fate un segno verticale sulla parete piana, perpendicolarmente al diametro, nel suo punto
medio.
Riempite la scatola per metà d'acqua e disponetela come in figura 1, al centro di un foglio per grafici in coordinate
polari, posto a sua volta su un foglio di cartoncino, facendo attenzione che il piede del segno verticale coincida con
il centro del foglio.
Piantate uno spillo di fronte alla parete piana della scatola, sulla normale che passa per il centro della scatola,
come si vede nella figura. Accertatevi che lo spillo sia verticale.
Ora osservate lo spillo attraverso l'acqua, dalla parte della parete curva della scatola, e spostate la testa finché
non vedete allineati lo spillo e la linea verticale segnata sulla scatola.
Contrassegnate questa direzione piantando un altro spillo.
Che cosa concludete circa la deviazione della luce nel suo passaggio dall'aria all'acqua e dall'acqua all'aria,
quando l'angolo d'incidenza è 0°?
Cambiate la posizione del primo spillo in modo da ottenere un angolo d'incidenza di circa 20°. Con un secondo
spillo determinate il cammino della luce dal primo spillo al segno verticale della scatola e poi attraverso l'acqua.
Ripetete questa operazione per angoli di incidenza fino a 80° circa.
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30
Per ottenere una immagine nitida del primo spillo, a grandi angoli di incidenza, occorre che questo non sia mai posto oltre una distanza di
4,0 cm dal segno verticale sulla scatola. (I fori degli spilli forniscono una registrazione permanente degli angoli).
La differenza fra gli angoli di incidenza e di rifrazione è costante? E il loro rapporto è costante?
Rappresentate in un grafico i valori degli angoli di rifrazione in funzione dei corrispondenti vlori degli angoli di incidenza;
poi rappresentate in un grafico il seno dell‟ angolo di rifrazione in funzione del seno dell‟ angolo di incidenza.
Quale relazione matematica, semplice, pensate che possa meglio descrivere la rifrazione della luce? Il cammino della luce attraverso
l'acqua rimane invariato se si inverte il verso di percorrenza? Studiate questo fenomeno con il vostro dispositivo. Potete prevedere quale
sarà la deviazione subita da un raggio luminoso che attraversa obliquamente una lastra di vetro a facce piane parallele?
Ripetete l'esperimento usando un altro liquido (glicerina) nella scatola e, di nuovo, rappresentate in grafico il seno dell'angolo di rifrazione
in funzione del seno dell'angolo di incidenza. Questo liquido rifrange la luce in modo differente dall'acqua?
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Laboratorio di Fisica A.S 2011/12
CLASSE SECONDA- ESPERIENZA N.5
TEST
1. In relazione all‟indice di rifrazione assoluto n 12, quale delle seguenti affermazioni è errata?
a) n12 è uguale al rapporto n2/n1
b) Se n12 >1, il raggio rifratto si avvicina alla normale;
c) Se n2<n1, l‟angolo di rifrazione è minore dell‟angolo di incidenza
d) Se n1<n2, il secondo mezzo è più rifrangente del primo
2. Utilizzando la figura proposta, determina l‟indice di rifrazione n 12
3. Un raggio di luce attraversa la superficie di separazione tra un vetro che ha indice di rifrazione assoluto pari a
1,657 e il quarzo. Che ha indice di rifrazione assoluto 1,458. L‟indice di rifrazione relativo tra le due sostanze è:
___________. Dal valore trovato cosa si può dire sul percorso del raggio
luminoso?_______________________________________________________________
4.Un raggio luminoso incide su una superficie di vetro (n=1,6) e poi giunge in acqua (n=1,3). Quando vale l‟indice di
rifrazione relativo nel passaggio aria vetro?________E vetro–acqua? __________
Completa a livello qualitativo il percorso del raggio luminoso.
5. Se in un passaggio della luce dall‟aria a vetro (nvetro=1,6),
l‟angolo di rifrazione risulta di 35°, quanto vale l‟angolo di
incidenza?
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Scheda 4
Per ogni misura dell‟angolo di incidenza i e di rifrazione r che hai effettuato in laboratorio procedi come nell‟esempio seguente :
disegna una circonferenza, aiutandoti con il goniometro se non hai il compasso, come in figura :
Per ogni angolo di incidenza misura con il righello il
rapporto
e per ogni angolo di rifrazione il
rapporto
.
NB: HF e GI sono perpendicolari alla verticale, che
rappresenta la normale alla superficie di separazione
aria – acqua o aria – plexiglass.
Compila una tabella come la seguente :
i°± 1°
r°± 1°
sin i
sin r
sin i/sin r
20°
30°
……
……
……
……
……
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Segue scheda 4
Cosa puoi notare ? Il rapporto nell‟ultima colonna assume lo stesso valore per tutti i valori dell‟angolo di incidenza
i, entro l‟incertezza ?
Se ripeti lo stesso procedimento per il secondo materiale che hai usato, cosa cambia ?
Nota
matematica
Disegna un angolo qualunque, quindi da un punto di uno dei suoi lati
traccia il segmento perpendicolare all‟altro lato dell‟angolo.
Ripeti lo stesso procedimento per un altro punto, come nella figura .
Come puoi verificare con il righello, il rapporto
è uguale al rapporto
.
Tale rapporto dipende unicamente dall‟ampiezza dell‟angolo, più
precisamente è una funzione dell‟angolo, e viene indicato con
sin oppure con sen (si legge “seno di alfa” o “sen alfa” )
Analogamente il rapporto
è uguale al rapporto
, e viene indicato con
cos (si legge “coseno di alfa” o “cosen alfa” )
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OTTICA : descrizione
Attività di laboratorio 5
• Modello di lenti, dell’occhio, e di strumenti ottici.
Usando il modello presente in laboratorio, consistente in un
supporto magnetico sul quale sono montati una sorgente di luce
monocromatica e dei pezzi di plexiglass sagomati come lenti
convergenti e divergenti, è stato mostrato cosa accade a raggi di
luce paralleli quando attraversano tali dispositivi. E’ stata così
evidenziata l’esistenza del fuoco sia nel caso di lenti divergenti che
convergenti, e, attraverso l’apposito modello, è stato osservato il
funzionamento dell’occhio umano e dei principali difetti della vista.
Questa attività è stata seguita da una analisi in classe delle
situazioni considerate, dallo studio della costruzione delle immagini
e dall’applicazione della legge dei punti coniugati, constata la sua
validità da considerazioni geometriche.
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OTTICA : verifica
Sono state utilizzate per le verifiche sia le
relazioni e i tests, sia delle prove
comprendenti esercizi .
Di seguito un esempio di queste ultime.
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OTTICA GEOMETRICA
Fila 1
1. La lampadina di un lampione alto2,95m può essere intesa come una sorgente puntiforme. Se un bastone di altezza
b=1,05m è mantenuto in posizione ortogonale rispetto al suolo ad una distanza d=1,85 m dalla base del lampione,
quanto sarà lunga l‟ombra del bastone? Fai un disegno che rappresenti la situazione..
2. Uno specchio convesso ha raggio di curvatura 30cm. Se un oggetto alto 2 cm è posto a 10cm dallo specchio
appoggiato sull‟asse focale, determina la posizione e le dimensioni dell‟immagine. Ai la costruzione geometrica
tracciando i raggi principali. Descrivi le proprietà dell‟immagine.
3. a)Un oggetto è posto sul fondo di una vasca a pareti opache in modo che queste lo nascondano alla vista. Se si
versa un liquido nella vasca, ad un certo momento l‟oggetto diventa visibile. Si spieghi il perché.
b) Un raggio luminoso colpisce il bordo di una vasca piena di un liquido, formando un angolo di 60° con
l‟orizzontale, sapendo che la vasca è profonda 166cm e che il raggio luminoso raggiunge il fondo della vasca a 60
cm dal bordo, determina l‟indice di rifrazione del mezzo.
4. Un oggetto si trova a sinistra di una lente avente una distanza focale |f|= 30cm. L‟immagine risulta diritta e ridotta
di ¼. Determina il tipo di lente e determina la posizione dell‟oggetto e dell‟immagine. Costruisci con il metodo
grafico l‟immagine tracciando i raggi principali.
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OTTICA : risultati
Risultati positivi
• Gli studenti hanno acquisito consapevolezza
dei fenomeni che sono alla base della
formazione delle immagini, riuscendo nella
maggior parte dei casi ad applicare i
procedimenti e i ragionamenti a situazioni non
precedentemente considerati in classe.
• La possibilità di evidenziare i nessi tra
Matematica e Fisica.
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OTTICA : risultati
In particolare:
gli alunni conoscono
• le proprietà della propagazione della luce;
• le leggi della riflessione e della rifrazione;
sono in grado di
• costruire le immagini prodotte da specchi piani e sferici
e da lenti sottili;
• relazionare le esperienze di laboratorio in modo
corretto.
• interpretare fenomeni reali che riguardano l’ottica
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OTTICA : risultati
Difficoltà
• Il tempo necessario alle attività e alla
successiva riflessione su quanto osservato
• Gli alunni trovano maggiore difficoltà nel
risolvere problemi di fisica che non richiedono
la semplice ed immediata applicazione di
formule.
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OTTICA : risultati
Metodologie di superamento
• Le difficoltà incontrate sono interconnesse, e dedicare più tempo
alle attività e alla successiva riflessione – discussione può indurre un
diverso atteggiamento e portare ad una maggiore efficienza
nell’acquisizione delle conoscenze e delle abilità necessarie alla
costruzione delle competenze.
• Gli esercizi che vengono assegnati sono graduati in difficoltà. Si
discutono in classe strategie risolutive, si commentano i risultati per
valutare la loro attendibilità, si determina per ogni grandezza fisica
la sua dimensione a partire da quelle fondamentali, per verificare
l’esattezza di una formula.
• Gli esercizi assegnati non sono ripetitivi, per evitare che l’allievo
impari meccanicamente il metodo risolutivo evitando il
ragionamento
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