Progetto Lauree Scientifiche
Laboratorio di
Ottica, Spettroscopia, Astrofisica
Antonio Maggio
INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo
con la collaborazione di Salvo Massaro
Perché un laboratorio di ottica
È un argomento di grande interesse perchè
la luce è uno dei principali strumenti di
indagine fisica
comprende fenomeni per i quali sono stati
sviluppati modelli fisici a vari livelli di
complessità: raggi di luce, onde, fotoni
ne facciamo esperienza continuamente
è fondamentale per comprendere
tecniche di fotografia e cinema, è
basilare per l’astronomia, è di interesse
anche per studi di biologia
Percorso didattico classico
Onde
(seguendo il Walker, Fisica, vol II)
– Definizione e descrizione matematica, modi di propagazione,
riflessione, interferenza, onde sonore, effetto Doppler
Ottica geometrica
– Riflessione, rifrazione, lenti, dispersione
Strumenti ottici
– Occhio, macchina fotografica, lenti di ingrandimento,
microscopio, telescopio, fenomeni di aberrazione
Ottica fisica
– Sovrapposizione e interferenza, esperimento con la doppia
fenditura (natura ondulatoria della luce, principio di Huygens)
– Interferenza di onde riflesse (cambiamenti di fase)
– Diffrazione (da singola fenditura), risoluzione angolare (criterio
di Rayleigh, limite di diffrazione), reticoli di diffrazione
Problemi di insegnamento
L’ottica è solitamente prevista come ultima parte dei
corsi di Fisica
– può mancare il tempo per insegnarla bene
Si presuppone la conoscenza delle “onde” e dei
fenomeni connessi
– la descrizione formale non è intuitiva
– La doppia natura ondulatoria e corpuscolare della luce limita
l’analogia con il suono
L’apprendimento dei principi dell’ottica è ostacolato
da preconcetti legati all’esperienza della visione
– L’approccio sequenziale ai concetti di ottica può rendere la
materia troppo astratta
Le esperienze “classiche” di laboratorio possono
essere di difficile realizzazione
Preconcetti
L’insegnamento dell’ottica deve “vedersela” con
preconcetti molto diffusi e spesso fisicamente del
tutto errati
– Quello della visione a raggi X di Superman e’ un esempio
– Alcuni preconcetti possono essere ricondotti al modello della
visione proposto dalla scuola pitagorica
Soluzioni alternative
Risorse disponibili in rete
– Vi è molto materiale disponibile in rete, per lo più
orientato all’insegnamento dell’ottica tramite simulazioni
Java (mezzo suggerito per superare i “preconcetti”)
– Alcune proposte didattiche sono valide come ausilio
all’insegnamento dell’ottica, ma non possono sostituire
un’attività sperimentale
– Nell’ambito del laboratorio PLS sono state utilizzate
come suggerimenti di semplici esperienze e/o come test
di ingresso/verifica
Laboratorio PLS
(nostra proposta didattica)
Un percorso didattico dai principi base
dell’ottica geometrica all’osservazione di
sorgenti astronomiche, basato su attività di
laboratorio
I concetti vengono introdotti man mano che si
rendono necessari per la comprensione di
fenomeni fisici sperimentati (utilizzando
materiale povero e non)
Utilizzo di uno schema di apprendimento basato
su previsione, sperimentazione, interpretazione
Risorse didattiche
Materiale povero per esperienze in classe
– Sorgenti di luce: il Sole, lampadine elettriche,
lampadine tascabili, puntatori laser
– Strumenti ottici: foro stenopeico (pinhole),
lente di ingrandimento, lenti correttive,
l’occhio, binocoli, macchine fotografiche digitali
– Strumenti per esperienze di ottica fisica:
due dita o due matite (effetti di diffrazione),
bolle di sapone (interferenza), CD-ROM
(interferenza, diffrazione)
Risorse didattiche
Materiale da laboratorio
– Banco ottico con corredo di lenti, fenditure,
reticoli, lampade spettroscopiche
– Sunspotter (un piccolo sistema ottico per
l’osservazione del Sole)
– Coronado (uno spettroscopio per l’osservazione
della cromosfera solare)
Laboratorio PLS
(percorso già realizzato nel 2006-2007)
1. Formazione di una immagine da una apertura di
grandi dimensioni (ad es. di forma triangolare)
– Ottica geometrica, con qualche complicazione
2. Costruzione di un pinhole-scope (telescopio a
foro stenopeico)
– Effetti geometrici (orientazione e grandezza
dell’immagine), effetti fisici (luminosità dell’immagine,
nitidezza), test di ipotesi ed esperimenti (due buchi?)
3. Esperienze con una lente
– Lente d’ingrandimento, lente correttiva (costruzione
delle immagini con penna laser), effetti fisici
(focalizzazione, aberrazioni), esperienze (mezza lente
coperta, ecc.)
Laboratorio PLS
(percorso già realizzato nel 2006-2007)
4. Esperienze al banco ottico
– Una lente, due lenti (immagini reali e virtuali,
equazione delle lenti sottili ricavata
sperimentalmente), concetto di telescopio (quali sono
i parametri importanti? Area di raccolta della luce,
lunghezze focali, ingrandimento, risoluzione spaziale)
5. Un telescopio sui generis per esercizio
– Il Sunspotter, uno strumento per l’osservazione del
Sole (come funziona lo dovrete scoprire voi)
6. Esperienze di spettroscopia da laboratorio
– Dispersione da un prisma, esperienze con fenditure
al banco ottico (caratteristiche ondulatorie della
luce, indentificazione di righe di emissione da
lampade spettroscopiche)
Laboratorio PLS
(nuova proposta didattica per il 2009)
7. Strumenti astronomici
– Configurazioni ottiche di diversi telescopi,
caratteristiche, utilizzo
8. Realizzazione
– Costruzione di uno specchio parabolico per un
riflettore Newtoniano e misura delle sue
caratteristiche
9. Osservazioni astronomiche
– Osservazioni dirette e tramite rivelatore CCD
(seeing, limite di diffrazione, fotometria a banda
larga)
IYA2009: Laboratori di Astronomia nelle scuole
Progetto Lauree Scientifiche: Laboratorio
di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica
Progetto Didattica e Divulgazione della Fisica:
La Scuola Adotta un Esperimento
Progetto PalermoScienza (Insegnamento delle
Scienze Sperimentali), coordinato dal Liceo
Scientifico S. Cannizzaro di Palermo
A spasso per l’Universo : Laboratorio di
astronomia per le scuole elementari
