PREREQUISITI
Scuola Primaria
Differenza fra naturale e
artificiale
Scuola Secondaria di 1° grado
Concetto di angolo
Concetto di parallelismo e
Significato di corpo opaco
trasparente – translucido
di perpendicolarità
Proprietà dei corpi solidi,
Concetto di linea retta
liquidi e aeriformi
Concetto di angolo
Concetto di densità
Concetto di riflessione
Concetto di velocità
Colori dell’arcobaleno
TEMI DELLE ATTIVITA’
1. Sorgenti di luce e corpi illuminati
2. Corpi opachi, lucidi e trasparenti
3. Propagazione della luce in linea retta
4. Ombre e penombre
5. Riflessione
6. Rifrazione
7. Dispersione
8. L’occhio
9. Le lenti
Scuola Secondaria di 2° grado
Tema n° 1: SORGENTI DI LUCE E CORPI ILLUMINATI
Obiettivi
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
Saper riconoscere la differenza Saper distinguere tra corpi Saper
descrivere
la
natura
tra fonti di luce naturali e luminosi e corpi illuminati
dell’energia emessa dalle fonti
artificiali
luminose
Attività sperimentali
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
1) Sorgenti di luce
1) Sorgenti di luce
1) Misure di intensità luminosa
2) La Luce è calore
2) Corpi luminosi e corpi
illuminati
3) Sorgenti primarie e
secondarie
di sorgenti di natura diversa
2) Dipendenza dell’intensità
luminosa dalla distanza
della sorgente
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 1 - SORGENTI DI LUCE E CORPI
ILLUMINATI
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 - Sorgenti di luce
Osservazione del sole in diversi momenti della giornata scolastica e confronto con la luce prodotta
da torce, neon, lampadine, proiettore, per giungere alla definizione di luce naturale, come esistente
indipendentemente dalla volontà dell’uomo, cioè non prodotta.
Classificazione delle sorgenti analizzate: naturali/artificiali, intense/meno intense, calde/fredde,
piacevoli/fastidiose, utili/economiche o utili/costose.
Esperienza n° 2 - La luce è calore
Materiali
Carta d’alluminio
1 pennarello indelebile nero
1 barattolo di vetro trasparente
1 pezzo di cartoncino quadrato di poco più grande dell’imboccatura del vasetto
Filo
Forbici
Nastro adesivo
Righello e matita
Procedimento
Taglia due pezzetti di alluminio di 10 cm di lunghezza e 7,5 cm di altezza. Ripiegali su se stessi in
modo da ottenere due strisce da cm 10 x 2,5.
Con il pennarello, colora di nero un lato di ogni striscia.
Ora ripiegale a metà in modo che il lato nero resti all’interno. Fai due taglietti, in una sopra e
nell’altra sotto ed incastrale tra loro.
Fai un’asola sul filo e appendi le strisce di alluminio. Fissa l’altro capo del filo al pezzo di
cartoncino,quindi, facendo cadere le strisce all’interno del vasetto, appoggialo come se fosse un
tappo. Metti il barattolo al sole ed osserva.
Osservazione
Quando il sole avrà riscaldato il barattolo le striscioline cominceranno a girare lentamente.
Conclusione
Il nero è un colore che assorbe la luce e, di conseguenza, anche il calore che essa porta con sé,
mentre l’alluminio riflette la luce. Il calore assorbito dal nero viene trasmesso all’aria vicina che
incomincia a muoversi spingendo le eliche e facendole girare.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n° 1 - Sorgenti di luce
Materiale:
candela , torcia a incandescenza grande e piccola, laser, neon
Procedimento:
Si oscura l’aula e si fanno osservare le diverse sorgenti luminose, in particolare i coni di luce che si
formano.
Osservazioni e conclusioni:
classificazione delle sorgenti di luce in base ai seguenti criteri: naturale/artificiale, primarie e
secondarie, intense /meno intense, calde/fredde.
Esperienza n° 2 - Corpi luminosi e corpi illuminati
Materiale:
foglio bianco, foglio nero, torcia elettrica, libro
Procedimento:
Si oscura l’aula e si fa sedere un ragazzo con un libro aperto; dietro di esso si mette un altro ragazzo
con un foglio bianco sopra la testa del primo; un terzo ragazzo con una torcia elettrica illumina il
foglio bianco. Si ripete l’esperimento con un foglio nero.
Osservazione:
nel primo caso il ragazzo seduto riesce a leggere, nel secondo ha difficoltà.
Conclusioni:
la luce che arrivava agli occhi del ragazzo seduto è la luce proveniente dal foglio come ad esempio
la Luna illumina di notte con la luce proveniente dal Sole, da cui il concetto di fonti primarie e
secondarie.
Esperienza n°3 - Sorgenti primarie e secondarie
Materiale:
due scatole da scarpe internamente rivestite, una con cartoncino bianco e una con cartoncino nero,
con un piccolo foro praticato su una delle facce più piccole, una gomma per cancellare, una torcia
Procedimento:
Si inserisce la gomma e la torcia accesa dentro la scatola bianca in modo che il fascio non colpisca
la gomma. Si ripete il procedimento con la scatola nera.
Osservazione:
nella scatola bianca l’oggetto si vede anche se non è nel cono di luce della torcia; la stessa cosa non
succede nella scatola nera
Conclusioni:
la luce rimbalza sulle pareti bianche e non sulle nere e spontanea scaturisce la definizione di
sorgente secondaria.
SCUOLA SECONDARIA DI II GRADO
Esperienza n°1 - Misure di intensità luminosa di sorgenti di natura diversa
Materiale
candela, luce a incandescenza, laser, fotometro
Procedimento
Si oscura l’aula e si fanno osservare le diverse sorgenti luminose, misurandone l’intensità con il
fotometro. Si ripete poi l’esperimento variando la distanza delle diverse sorgenti
Osservazioni e conclusioni
Si rilevano le diverse intensità a seconda della sorgente di luce utilizzata, e si misura il rapporto tra
distanza della sorgente e intensità luminosa
Tema n° 2: CORPI OPACHI, TRASLUCIDI E TRASPARENTI
Obiettivi
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Saper riconoscere corpi
Saper riconoscere corpi opachi,
opachi, lucidi, trasparenti.
lucidi, trasparenti.
Scuola Secondaria di 2° grado
Attività sperimentali
Scuola Primaria
1) Osservazione di oggetti
diversi sottoposti ad
illuminazione.
2) Comportamento di un
raggio luminoso quando
incontra altri corpi
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
1) Relazione tra spessore di un 1) Esperienza
corpo e trasparenza
del
Secchi (virtuale)
disco
di
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 2 - CORPI OPACHI, TRASLUCIDI E
TRASPARENTI
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 Comportamento di un raggio luminoso quando incontra altri corpi
Materiali
Bicchiere d’acqua
Un oggetto opaco: colorato, bianco, nero, plastiche colorate
Superficie lucida ( specchio, carta stagnola)
Procedimento, osservazione e conclusioni
Verranno utilizzati per osservare come si comporta la luce quando li colpisce: se ne vengono
attraversati completamente (se l’ostacolo è trasparente come il vetro o l’acqua poco profonda si
lascerà attraversare agevolmente, la luce continuerà la sua strada indisturbata , anche se rispetto alla
traiettoria precedente avrà leggermente rallentato e cambiato un pochino direzione), se vengono
bloccati (se l’ostacolo è opaco non lascia passare oltre la luce, sarà come respinta e riflessa altrove,
ma non tutta come è arrivata, solo per alcuni dei suoi colori – un oggetto rosso assorbirà tutti i
colori tranne il rosso - un oggetto bianco li rifletterà tutti – uno nero assorbirà completamente il
raggio di luce) o riflessi (il raggio di luce rimbalza e torna indietro esattamente identico a come è
arrivato ed è per questo che dentro ad uno specchio si creano immagini uguali a quelle reali).
Esperienza n° 2 Costruzione di un caleidoscopio rotante
Materiale
3 strisce rettangolari di cartoncino a specchio ( cm 5 x 12)
1 pezzo di cartone quadrato ( cm 12 x 12)
1 pezzo di cartoncino ( cm 25 x 40)
1 fermacampioni
2 graffette grandi
Carta colorata o perline
Procedimento
Prendi un pezzo da cm 15 x 12 di materiale speculare. Attaccalo sul cartoncino e poi taglialo in tre
strisce uguali (cm5 x 12). Avvicinale una all’altra, in modo che la parte speculare sia rivolta verso
di te; attaccale tra loro con lo scotch, per il lato lungo. Ora chiudile in modo da formare un prisma
triangolare con la parte riflettente rivolta verso l’interno.
Ritaglia un disco di cm 10 di diametro di cartoncino più leggero. Prendi la rivista o la carta colorata
(o gli altri oggetti) preparane tanti pezzettini poi incollali sul disco di cartoncino, ricoprendone
l’intera superficie.
Fai un buchino al centro del cartone quadrato e al centro del disco e uniscili tra loro con il
fermacampioni. Prendi le graffette, aprile e attaccale con il nastro adesivo sotto il cartone.
Sempre con il nastro adesivo, fissa bene il prisma ai due pezzi di graffetta che sporgono, tenendolo
a circa 1 cm dal disco di cartone. Mettiti vicino alla luce e fai girare il disco.
Osservazione
Si formano delle bellissime figure geometriche perfettamente simmetriche.
Conclusioni
Una superficie levigata come quella di uno specchio, riflette la luce (e quindi gli oggetti che noi
vediamo) in maniera ordinata. Nel momento in cui la luce, riflessa dai pezzetti colorati, resta
intrappolata all’interno del nostro caleidoscopio, è costretta a “rimbalzare” da un lato all’altro,
creando all’infinito le piccole immagini dei pezzetti di carta.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n°1 Corpi opachi, traslucidi, trasparenti
Materiale
Carta forno, cartoncino, vetro, alluminio, copertine trasparenti, torcia elettrica.
Procedimento
Dopo aver oscurato la stanza si illumina una parete a cui è appesa una immagine. Si frappongono
schermi di materiale diverso e si osserva l’immagine sulla parete.
Si prova anche a sovrapporre diversi strati di materiale trasparente.
Osservazione
A seconda del materiale dello schermo l’immagine appare più o meno nitida, oppure non è visibile.
Sovrapponendo strati diversi di materiale trasparente l’immagine appare sempre meno nitida.
Conclusioni
Si classificano i corpi in opachi, traslucidi e trasparenti.
Scuola secondaria di II grado
Non prevista
Tema n° 3: PROPAGAZIONE RETTILINEA DELLA LUCE
Obiettivi
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
Osservare come si propaga la Riconoscere che la luce si Spiegare perché la luce si
luce
propaga in linea retta
propaga in linea retta
Attività sperimentali
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
1) Colapasta
1) Schermi forati
1) Rovesciamento
2) Raggio laser e incenso
2) Acchiapparaggi
3) Camera oscura
dell’immagine sulla retina
2) Macchina fotografica
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 3 - PROPAGAZIONE RETTILINEA
DELLA LUCE
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 Colapasta
Materiale:
un colapasta, una torcia, cartoncino bianco, polvere di gesso
Procedimento:
In una stanza buia si accende una torcia e si copre con il colapasta. Si disperde nell’aria della
polvere di gesso.
Si raccolgono le immagini su uno schermo bianco variandone la distanza
Osservazione:
Si osservano i percorsi della luce e la forma delle immagini luminose
Conclusioni:
I raggi luminosi sono rettilinei
Esperienza n° 2 Raggio laser e incenso
Materiale:
un puntatore laser
una bacchetta di incenso
Procedimento:
In una stanza buia si accende un bastoncino di incenso attendendo che ne fuoriesca il fumo.
Si punta con il laser in direzione del fumo.
Osservazione:
Si osserva il percorso della luce e la forma dell’ immagine luminosa
Conclusioni:
Il raggio luminoso del laser si espande in modo rettilineo.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n°1 Costruzione di un acchiapparaggi
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un cartoncino
un pezzo di tulle
Procedimento:
Ogni alunno realizza l’acchiapparaggi seguendo le istruzioni di seguito:
Si ritaglia un quadrato di tulle di circa 3 cm di diametro.
Si prepara con il cartoncino una forma rettangolare di dimensioni 8 x 4, in cui si pratica un
foro quadrato di 2 cm di lato.
Si incolla il quadrato di tulle in corrispondenza del foro nel cartoncino.
Gli acchiapparaggi vengono allineati e si invia il raggio laser al centro del primo della fila.
Osservazione:
Il raggio laser attraversa il tulle di tutti gli acchiapparaggi lasciando una traccia luminosa su
ciascuno di essi.
Conclusioni:
Poiché gli acchiapparaggi sono allineati e tutti mostrano la traccia luminosa in corrispondenza del
centro del tulle, si deve concludere che la luce, propagandosi, segue un percorso rettilineo.
Esperienza n°2 Camera oscura
Materiale
Scatola da scarpe
Cartoncino nero
Carta traslucida
Torcia elettrica
Nastro adesivo e forbici
Procedimento
Si fodera internamente la scatola con cartoncino nero. Dopo aver ritagliato un’apertura
sufficientemente larga su una delle facce meno estese della scatola, si pratica un piccolo foro ben
centrato ( diametro 0,5 cm) sulla parete opposta. Utilizzando il nastro adesivo , si applica un foglio
di carta traslucida sulla larga apertura precedentemente praticata. Dopo aver creato il buio nell’aula.
Si punta il foro della camera oscura verso un qualunque oggetto ben illuminato dalla torcia.
Osservazione
Sulla faccia della camera oscura rivestita dalla carta traslucida si trova l’immagine capovolta
dell’oggetto illuminato
Conclusione
Anche aiutandosi con un disegno spiegare che l’immagine capovolta si può ottenere solo se la luce
si propaga in linea retta
SCUOLA SECONDARIA DI II GRADO
Esperienza n°1 Capovolgimento immagine sulla retina
Materiale
Una sorgente luminosa
Una lente convergente
Uno schermo
Procedimento
Si posiziona su una rotaia una sorgente luminosa, una lente convergente e uno schermo bianco.
Dopo avere acceso la sorgente luminosa, spostando lo schermo si trova la posizione in cui si forma
una immagine nitida e rovesciata.
Conclusione
Usando un disegno si può verificare che l’immagine si forma grazie alla propagazione della luce in
linea retta.
Variazione
Aggiungendo davanti alla prima lente una seconda lente divergente, si possono analizzare le varie
situazioni relative ai difetti della vista.
Se invece aggiungiamo un diaframma e diversi tipi di lenti si possono osservare le diverse
situazioni di formazione dell’immagine e le diverse situazioni di messa a fuoco in relazione alla
distanza.
Esperienza n°2 Macchina fotografica
Da scrivere
Tema n° 4: OMBRE E PENOMBRE
Obiettivi
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
Osservare le ombre anche in
Saper cogliere la relazione tra
Conoscere la relazione tra
relazione alla posizione e
ombra o penombra e le
ombra o penombra e le
intensità della sorgente
dimensioni della sorgente
dimensioni della sorgente.
Applicare la relazione al caso
delle eclissi.
Attività sperimentali
Scuola Primaria
1) L’ombra
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
1) Formazione dell’ombra di
1) Modello di eclissi con il
2) La forma delle ombre
una sagoma illuminata con
3) Ombra e luce
sorgente puntiforme ed
estesa
tellurio.
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 4 - OMBRE E PENOMBRE
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 Meccanismo di formazione di un’ombra
Materiale
una torcia e un diaframma per creare una sorgente puntiforme
uno schermo
una palla
Procedimento
Sistemare una piccola sorgente luminosa in un posto fisso in modo che illumini completamente la
palla e tale da formare una netta zona circolare di ombra.
Osservazione
Si osserverà, con la stanza oscurata, che il raggio che parte dalla sorgente si allunga secondo
direzioni rettilinee e forma un’ombra più grande della palla.
Conclusioni
La luce che colpisce l’oggetto opaco viene ostacolata e forma la zona d’ombra.
Esperienza n° 2 Osservazione dell’ombra di oggetti differenti
Materiale
una torcia e un diaframma per creare una sorgente puntiforme
uno schermo
oggetti di forma diversa
Procedimento
Si illuminano oggetti di forma diversa variando la distanza tra l’oggetto e la torcia
Osservazione
Più la sagoma è vicina alla sorgente luminosa e più l’ombra risulta grande.
Conclusioni
La dimensione dell’ombra di un corpo opaco esposto ad una sorgente luminosa dipende dalla
distanza fra la sorgente ed il corpo.
Esperienza n° 3 Ombra creata da una sorgente puntiforme e da una sorgente estesa
Materiale
una torcia e un diaframma per creare una sorgente puntiforme
uno schermo
una palla
Procedimento
Si illumina la palla utilizzando la torcia prima con il diaframma e poi senza. Si osservano le ombre
prodotte.
Osservazione
La sorgente puntiforme produce un’ombra dai bordi netti e molto ben marcati.
Invece se la sorgente è estesa si possono distinguere tre zone diverse:
1. la zona completamente illuminata dove arrivano i raggi da tutti i punti della sorgente;
2. la zona in ombra dove non arriva alcun raggio luminoso;
3. la zona in penombra dove arrivano i raggi luminosi provenienti dalle zone periferiche della
sorgente.
Conclusioni
Quando la sorgente non è puntiforme, intorno all’ombra, viene creata una zona di parziale
oscuramento detta zona di penombra.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n°1 - Ombra e penombra
Materiale
Cartoncino nero
Schermo bianco (muro)
Torcia elettrica
Nastro adesivo, forbici, filo
Procedimento
Sul cartoncino nero si costruisce una maschera da posizionare davanti alla torcia elettrica, forata al
centro per ridurre il fascio di luce e si ritaglia una figura geometrica. Dopo aver appeso la figura
geometrica al filo la si posiziona fra la sorgente luminosa e lo schermo in modo tale che la figura e
lo schermo siano posti su piani paralleli. Si fissa la maschera sulla torcia con il nastro adesivo e,
dopo aver creato il buio nell’aula, si illumina la figura.
Osservazione
Sullo schermo si forma una zona buia nettamente separata da quella illuminata (zona d’ombra)
Procedimento
Si ripete l’esperienza togliendo la maschera dalla torcia elettrica
Osservazione
Sullo schermo si forma una zona buia che sfuma verso la zona illuminata (zona di penombra)
Conclusione
La formazione di ombra e/o penombra dipende dall’estensione della sorgente luminosa.
Esperienza n°2 L’ombra e la matematica
Materiale
Un asticella di lunghezza nota.
Un supporto per posizionare l’asticella in verticale (es.: plastilina).
Una torcia.
Uno spago.
Una cordella metrica.
Procedimento
Mettere in penombra l’aula, posizionare l’asticella perpendicolarmente al pavimento e fissarla con
la plastilina.
Uno studente, puntando la torcia sul suo estremo superiore, illumina l’asticella; un altro con lo
spago congiunge la torcia con la fine dell’ombra toccando la parte superiore dell’asticella.
Alla classe si chiede di individuare le eventuali figure geometriche che si vengono a determinare fra
l’alunno con la torcia e la fine dell’ombra (si veda la figura riportata di seguito).
Aiutandoli a visualizzare i due triangoli rettangoli formati il primo, dall’alunno (cateto b’ minore)
dalla distanza tra l’alunno e la fine dell’ombra (cateto a’ maggiore) e infine dallo spago che
congiunge la torcia con l’estremo dell’ombra (ipotenusa c’), e il secondo dall’asticella (cateto b),
dall’ombra (cateto a) e dal tratto di spago che congiunge l’estremo libero dell’asticella alla fine
dell’ombra (ipotenusa c), si fanno misurare tutti i lati dei due triangoli.
Tutti gli alunni disegnano in scala sul quaderno i due triangoli.
In seguito si fanno calcolare i rapporti fra i lati corrispondenti e si fa concludere ai ragazzi che i due
triangoli sono simili.
Dopo si può portare la classe all’esterno dell’istituto scolastico e domandando agli studenti come
misurare l’altezza di un oggetto (altezza di un edificio, di un albero ecc..) aiutandosi con le
conoscenze acquisite con l’eperienza svolta in aula.
Tema n° 5: LA RIFLESSIONE
Scuola Primaria
Obiettivi
Scuola Secondaria di 1° grado
Osservare i raggi di luce che
Conoscere il fenomeno della
tornano indietro quando
riflessione e le leggi che lo
colpiscono una superficie.
regolano
Scuola Secondaria di 2° grado
Sapere come funzionano gli
specchi
Individuare i vari tipi di
immagini
Scuola Primaria
1) Osservazione di un
catarifrangente
2) Riflessi sull’acqua
3) Giochi con gli specchi
Attività sperimentali
Scuola Secondaria di 1° grado
1) Legge della riflessione
2) Immagine nello specchio
piano
3) Immagini speculari
4) Specchi ad angolo
5) Il Periscopio
6) Specchi concavi e convessi
7) Il porcellino c’è o non c’è?
Scuola Secondaria di 2° grado
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 5 – LA RIFLESSIONE
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 Catarifrangente
Materiale
1 catarifrangente rosso o arancione, una torcia
Procedimento
In una stanza buia si indirizza la luce di una torcia sul catarifrangente.
Osservazione
La luce si diffonde, si colora e rende l’oggetto molto più visibile per la sua conformazione: un
catarifrangente è un insieme di superfici riflettenti.
Esperienza n° 2 Riflessi sull’acqua
Materiale
1 ciotola con interno decorato, acqua dentro la ciotola, una sorgente di luce.
Procedimento
Mettere la ciotola vicino ad una lampada o a una finestra illuminata.
Osservazione
Osservando la ciotola dall’alto si distinguono chiaramente le decorazioni del fondo, osservando la
ciotola di lato la decorazione diventa molto meno visibile: i riflessi che compaiono su un materiale
trasparente (acqua)dipendono dall’angolazione con cui li guardi.
Esperienza n° 3 Giochi con gli specchi
Materiale
1 cartoncino bianco e 1 nero, un pettine, uno specchio, una torcia.
Procedimento
Praticare un foro nel cartoncino bianco (circa 5 cm di diametro), mettere il pettine davanti al foro in
modo perpendicolare al piano con il cartoncino nero. In una stanza buia, illuminare il cartoncino in
modo tale che dai denti del pettine si vedano passare sottili fasci di luce. Mettere uno specchio sul
percorso dei raggi in modo da riflettere la luce.
Osservazione
Spostando lo specchio rispetto al percorso della luce, cambia l’angolo che formano i raggi riflessi:la
luce viene riflessa dallo specchio con lo stesso angolo con cui è arrivata.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n° 1 - Riflessione da parte di uno specchio piano
Materiale
Generatore di raggio laser
Specchio piano
Goniometro
Procedimento
Appoggiamo lo specchio perpendicolarmente al piano del goniometro.
Facciamo giungere sullo specchio un raggio (i).
Tracciamo una perpendicolare n (normale) rispetto alla superficie piana riflettente, nel punto in cui
il raggio laser lo incontra (punto di incidenza o).
In quel punto il raggio viene riflesso (i).
Conclusioni
Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale appartengono allo stesso piano (I legge della
riflessione).
Se misuriamo sul goniometro gli angoli che la normale forma con il raggio incidente e il raggio
riflesso, essi risultano uguali ( II legge della riflessione).
Esperienza n° 2 Rifrazione sulla superficie di separazione tra due mezzi
Materiale
Generatore di raggio laser
Sbarretta a sezione rettangolare in plexiglas
Goniometro
Foglio di carta
Procedimento
Appoggiamo la sbarretta sulla metà del goniometro.
Mandiamo un raggio dal generatore.
Il raggio incidente, proveniente dall’aria, incontra la superficie di separazione aria-plexiglas così
che una parte del raggio incidente viene riflesso e una parte passa nel materiale avente indice di
rifrazione maggiore rispetto a quello dell’aria per cui il raggio rifratto cambia direzione e si
avvicina alla normale (n) che noi abbiamo tracciato nel foglio. .
Il raggio rifratto (ora raggio incidente) incontra la superficie di separazione plexiglas-aria così in
parte viene riflesso e in parte “esce” dalla sbarretta e quindi, passando da un mezzo con indice di
rifrazione maggiore ad uno con indice di rifrazione minore, il raggio rifratto uscente si allontanerà
dalla normale alla superficie di separazione.
Il raggio incidente iniziale e il raggio rifratto finale sono paralleli. Tale fatto può essere dimostrato
matematicamente facendo riferimento agli angoli alterni interni congruenti formati dai raggi riflessi
e rifratti con le perpendicolari alle superfici di separazione.
Conclusione
Si possono osservare essenzialmente due cose:
Gli angoli di riflessione e gli angoli di incidenza coincidono entro gli errori sperimentali sia
nel passaggio aria-plexiglas che nel passaggio plexiglas-aria, per cui anche in questo caso la
legge della riflessione è rispettata.
L’angolo di rifrazione del raggio in uscita dalla barretta di plexiglas (ossia al passaggio dal
plexiglas all’aria) coincide, entro gli errori di misura, con l’angolo di incidenza del raggio
sulla superficie aria-plexiglas, ossia r = i. Ciò significa che il raggio rifratto in uscita dalla
barretta è parallelo al raggio incidente sulla barretta stessa.
Esperienza n° 3 Riflessione totale
Materiale
Generatore di raggio laser
Superficie in plexiglas a forma di semicerchio
Goniometro
Foglio di carta
Premessa
Determinare l’angolo limite in corrispondenza del quale si osserva il fenomeno della riflessione
totale.
Procedimento
Appoggiamo su un foglio di carta la superficie di plexiglas. Segniamo sulla carta millimetrata la
superficie di separazione dei due mezzi (ossia plexiglas e aria), il centro O, la normale passante per
O alla superficie stessa .
Facciamo in modo che il raggio incidente, prodotto dal laser, incida perpendicolarmente sulla prima
superficie curva di separazione e passi poi per il centro O.
In questa situazione il raggio incidente incontra la prima superficie di separazione aria-plexiglas
perpendicolare, così che una parte viene riflesso e torna indietro nella medesima direzione ma verso
opposto al raggio incidente e una parte passa indeviato. Il raggio rifratto, ora raggio incidente sulla
seconda superficie di separazione plexiglas-aria, arriva in O, ossia in corrispondenza della
superficie di separazione plexiglas-aria, dove viene in parte riflesso, in parte rifratto e, passando da
un mezzo a indice di riflessione maggiore (plexiglas) ad uno a indice di rifrazione inferiore (aria), si
allontana rispetto alla normale alla superficie di separazione.
Segniamo sulla carta tre raggi rispettivamente incidente, riflesso e rifratto.
Ripetiamo più volte l’esperimento, lasciando fisso l’oggetto in plexiglas ma spostando il raggio
prodotto dal laser in modo tale da variare l’angolo di incidenza i, facendo attenzione che il raggio
incida sempre in O.
Successivamente misuriamo gli angoli ottenuti di incidenza, di riflessione e di rifrazione utilizzando
un goniometro e considerando come errore sulle misure 1°, tenendo conto anche delle possibili
imprecisioni che si introducono tracciando i raggi con la matita o muovendo impercettibilmente la
lastra di plexiglas.
Iniziamo la serie di misure individuando il caso limite in cui il raggio laser incide
perpendicolarmente sia sulla prima che sulla seconda superficie di separazione così che il raggio
riflesso ha la stessa direzione e verso opposto rispetto al raggio incidente (i = i’) mentre il raggio
rifratto prosegue indeviato e alla superficie di separazione plexiglas-aria si ripete nuovamente lo
stesso fenomeno: il raggio riflesso ha la stessa direzione del raggio incidente ma verso opposto e il
raggio rifratto ha lo stesso verso e la stessa direzione del raggio incidente.
Proseguiamo poi l’esperimento variando l’angolo di incidenza, facendo sempre attenzione che il
raggio incida sempre in O, fino ad arrivare ad osservare il fenomeno della riflessione totale.
Conclusione
Si può osservare che i e i’ coincidono entro gli errori sperimentali e che l’angolo limite , definito
come l’angolo di incidenza per cui r = 90°, è pari a 43°± 1°.
Per angoli di incidenza superiori all’angolo limite il raggio rifratto scompare e si osserva solo il
raggio riflesso, che è più intenso.
Esperienza n° 1 Legge della riflessione
Materiale
Specchio piano, scatola da scarpe bianca,colla, carta millimetrata, pennarelli di diversi colori, pila
che produce raggio laser, goniometro.
Procedimento
Si realizza , sulla carta millimetrata, un goniometro cartaceo, tracciando la semiretta che individua
l’angolo di 90°.
Si incolla lo specchio ad una faccia della scatola, in modo che il bordo inferiore dello specchio
poggi sul piano di lavoro e il punto medio della sua base coincida con lo zero del goniometro
cartaceo.
Si dispone il goniometro cartaceo sul piano di lavoro, perpendicolare e aderente allo specchio.
Si fa penombra e si appoggia la pila laser sul bordo del foglio millimetrato.
Si dirige il pennello di luce, in modo radente, verso il punto medio della base dello specchio.
Si traccia con un determinato colore, sul goniometro cartaceo, la linea retta che coincide con il
raggio riflesso.
Spostando la pila sul piano di lavoro, si varia l’inclinazione del raggio incidente e si colorano con lo
stesso pennarello il raggio incidente e il suo corrispondente riflesso.
Si effettuano le misure delle coppie di angoli formati dal raggio incidente e perpendicolare allo
specchio nel suo punto medio e dal raggio riflesso e la stessa perpendicolare.
Si tabulano i dati:
misura angolo di incidenza(gradi) α
misura angolo di riflessione (gradi) β
Osservazione
Il raggio di luce è riflesso dallo specchio.
Il sottile fascio luminoso cambia direzione quando incontra lo specchio. Quando si invia il pennello
di luce secondo una direzione perpendicolare allo specchio, questo ritorna nella stessa direzione. Se
il fascio forma con la base dello specchio un angolo acuto, esce dallo specchio formando con la
base un angolo di uguale ampiezza.
Conclusioni
La luce si propaga per raggi rettilinei che, quando incontrano superfici riflettenti lisce e
levigate come quelle degli specchi, vengono deviati secondo direzioni precise.
Gli angoli d’incidenza e di riflessione hanno la stessa ampiezza, nei limiti degli errori
sperimentali.
Esperienza n° 2: Immagine nello specchio piano
Materiale
Uno specchio piano, un foglio di carta,tre bastoncini-oggetto uguali.
Procedimento
Posizionare sul foglio lo specchio in modo che
rimanga verticale.
Porre un bastoncino-oggetto (O) di fronte allo
specchio e segnare sul foglio la sua posizione.
Scegliere un punto di vista e allineare altri due
bastoncini in modo da vederli sovrapposti
all’immagine.
Segnare sul foglio le posizioni dei due bastoncini
(1 e 2).
Scegliere un altro punto di vista (dall’altra parte
rispetto al bastoncino a) e ripetere segnando le
posizioni 3 e 4.
Disegnare il segmento base dello specchio (retta
r) e togliere quest’ultimo.
Disegnare la retta che passa per i punti 1-2 e
quella che passa per 3-4 e il loro punto di
intersezione (I)
Osservazione
I punti O e I sono simmetrici rispetto alla retta r.
Conclusione
L’immagine,che vediamo dietro lo specchio è simmetrica rispetto allo specchio. Viene detta virtuale
perché non esiste realmente.
Esperienza n° 3 Immagini speculari
Materiale
Specchio piano , un foglio di carta, matita.
Procedimento
Sul foglio scrivere, una sotto l’altra, alcune parole in stampato come ”CASA, ROSSO, LIBRO”.
Appoggiare lo specchio a destra delle parole e perpendicolarmente al foglio. Scrivere sul foglio, a
destra dello specchio, le parole come si vedono nell’immagine riflessa nello specchio.
Togliere lo specchio.
Osservazione
Le tre parole non sembrano più le stesse, appaiono infatti “ASAC, OSSOR, OBRIL”.
Conclusioni
Le immagini sono simmetriche rispetto allo specchio ma ribaltate; si tratta di una congruenza
inversa.
Attività sperimentale n° 4 Specchi ad angolo
Materiale
Due specchi uguali, un goniometro cartaceo a 360°, un piccolo oggetto.
Procedimento
Si pongono i due specchi accostati tra loro e perpendicolarmente al goniometro.
Si dispone l’oggetto fra loro e si contano le immagini formate.
Si varia l’angolo fra gli specchi contando ogni volta le immagini e raccogliendo i dati nella tabella:
angolo fra gli specchi (α)
30
60
90
120
180
numero delle immagini più oggetto (n)
Osservazione
Cambiando l’angolo varia il numero delle immagini. Inoltre le immagini e l’oggetto giacciono su
una circonferenza il cui centro si trova sulla linea di intersezione dei due specchi e il piano di
appoggio.
Conclusioni
Si sono formate tante immagini in seguito a successive riflessioni da uno specchio all’altro. In
particolare un oggetto fra due specchi ad angolo forma tante immagini, compreso l’oggetto, quant’è
il quoziente tra 360 e l’ampiezza dell’angolo dei due specchi secondo la legge 360/ α = n.
Attività sperimentale n° 5 Il Periscopio
Un periscopio è uno strumento ottico, che permette la visione da una posizione nascosta
Materiale
Una scatola di cartone dalla forma stretta ed allungata, due specchietti piani ed uguali.
Procedimento
Nella scatola, si praticano due aperture quadrate (ampie quanto gli specchi) sulle facce più allungate
del parallelepipedo: un’apertura sulla parte superiore di una faccia, l’altra sulla parte inferiore della
faccia opposta.
Si collocano successivamente i due specchi dietro le aperture, orientati a 45°, in modo che siano
paralleli fra loro.
Osservazioni
Posizionando il nostro occhio presso l’apertura inferiore del parallelepipedo e puntando
successivamente il periscopio verso un oggetto, si vede quest’ultimo nello specchio superiore come
se fosse all’altezza del nostro occhio.
Conclusioni
Il periscopio funziona come illustrato nello schema
a lato; il fascio di luce subisce una doppia
riflessione dovuta ai due specchietti montati a 45
gradi in grado di deviare i fasci luminosi secondo la
direzione mostrata dal percorso indicato dalla
freccia rossa. (In realtà, usando il periscopio come
indicato accanto, il fascio luminoso che colpisce
l'occhio ha direzione opposta rispetto a quella
segnata).
Esperienza n° 6 Specchi concavi e convessi
Parte a
Materiale
Un cucchiaio.
Procedimento
Osservare le immagini specchiandosi nella parte concava e nella parte convessa del cucchiaio,
allontanandolo e avvicinandolo.
Osservazione
Nella parte concava si vede che l’immagine è deformata e rovesciata, mentre nella parte convessa
l’immagine è deformata e diritta
Parte b
Materiale
Una bottiglia di plastica, carta adesiva riflettente, due puntatori laser.
Procedimento
Si taglia longitudinalmente la parte inferiore della bottiglia in modo da ottenere due semicilindri.
Con la carta riflettente si riveste l’interno di uno e l’esterno dell’altro.
Si puntano entrambi i laser verso sulle due superfici curve riflettenti, ponendoli fra loro paralleli sul
piano di lavoro.
Osservazione
I raggi riflessi dalla superficie concava si concentrano in un unico punto (fuoco); i raggi riflessi
dalla superficie convessa divergono.
Conclusioni
Gli specchi concavi servono a concentrare i raggi in un unico punto ,oppure allo scopo opposto cioè
a mandare i raggi che escono da un punto in una certa direzione, anziché lasciarli disperdere in tutte
le direzioni ( fari di automobili, torce, proiettori)
Gli specchi convessi divergono i raggi come negli specchi retrovisori dove l’immagine è
rimpicciolita e apparentemente più lontana.
Esperienza n° 7 Riflessione da uno specchio parabolico
Materiale
“Mirage”- generatore di illusioni ottiche (un
contenitore con all’interno specchi parabolici
concavi messi uno di fronte all’altro,
acquistabile nei negozi didattico-scientifici), un
oggetto di piccola dimensione che possa essere
inserito nel suo interno (porcellino)
Procedimento
Inserire il porcellino all’interno del “mirage “ e provare a prendere il porcellino che compare.
Osservazione
Cercando di afferrare il porcellino le dita non trovano nulla di solido.
Conclusioni
L’immagine si forma grazie alla doppia riflessione tra due specchi di forma parabolica . L'oggetto e'
posto in A, fuoco dello specchio superiore. I raggi luminosi uscenti da esso si riflettono sullo
specchio superiore e vengono inviati verso il basso parallelamente all'asse ottico, (perché A è il
fuoco dello specchio superiore) Successivamente gli stessi raggi vengono fatti convergere nel fuoco
A' dello specchio inferiore, come indicato nello schema. L'immagine in A' e' diritta per quanto
riguarda l'alto e il basso ma e' ribaltata per quanto riguarda la destra e la sinistra.
Tema n° 6: LA RIFRAZIONE
Scuola Primaria
Osservare come la luce,
attraversando due sostanze di
densità diversa,cambia
leggermente direzione.
Scuola Primaria
Obiettivi
Scuola Secondaria di 1° grado
Conoscere il fenomeno della
rifrazione e le leggi che lo
regolano
Studiare alcuni fenomeni legati
alla rifrazione
Attività sperimentali
Scuola Secondaria di 1° grado
1) Cannuccia nel bicchiere
1) Leggi della rifrazione
2) La moneta magica
2) Conseguenze della
3) Allineamento
Scuola Secondaria di 2° grado
rifrazione: una moneta o
due?
3) Come “versare” la luce
4) Il cigno che nuota
Scuola Secondaria di 2° grado
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 6 – LA RIFRAZIONE
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 Cannuccia nel bicchiere
Materiale
un bicchiere con dell’acqua, 1 cannuccia.
Procedimento
Riempire di acqua un bicchiere e mettere dentro una cannuccia.
Osservazione
Guardando la cannuccia nell’acqua sembrerà piegata; togliendola dall’acqua la si può vedere
perfettamente diritta: nel passare dall’aria all’acqua, i raggi di luce cambiano direzione e si ha
un’immagine distorta.
Esperienza n° 2 La moneta magica
Materiale
1 bacinella, una moneta, dell’acqua.
Procedimento
Mettere la bacinella su un tavolo e sistemare sul fondo una moneta. Fissare la moneta e spostarsi
lentamente all’indietro fino a non vedere più la moneta. Far riempire la bacinella d’ acqua fintanto
che la moneta torni ad essere visibile senza cambiare posizione.
Osservazione
La luce rinviata dalla moneta viene rifratta,cioè piegata nel passaggio dall’acqua all’aria.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n° 1 Leggi della rifrazione
Materiale
Vaschetta di vetro contenente acqua, piastrella bianca, goniometro a 360°, pennarello indelebile,
puntatore laser, latte.
Parte a
Procedimento
Col pennarello disegnare il goniometro al centro
della piastrella e il segmento che congiunge
perpendicolarmente i due lati opposti della
piastrella e passante per il centro del goniometro
(retta n).
Porre la piastrella nella vaschetta tenendola
perpendicolare alla base del recipiente.
Versare acqua nella vaschetta fino al centro del
goniometro e aggiungere qualche goccia di latte.
Dirigere il raggio luminoso, radente alla
piastrella, verso l’acqua, nel centro del
goniometro.
Osservazione
Una piccola parte di questo raggio incidente (i) viene riflessa dalla superficie dell’acqua e compare
sulla piastrella, un’altra parte del raggio incidente prosegue nell’acqua ma deviando la sua direzione
verso la retta n.
Parte b
Procedimento
Utilizzando il goniometro misurare l’angolo (α) formato dal raggio incidente e dalla normale e
l’angolo (β) formato dal raggio rifratto e dalla normale.
Cambiare l’inclinazione del raggio incidente e ripetere le misure.
Riportare i dati nella tabella.
misura angolo di incidenza(gradi) α
misura angolo di rifrazione (gradi) β
Osservazione
Cambiando l’inclinazione del raggio incidente cambiano sia α sia β, ma β rimane minore di α.
Conclusione
Il raggio incidente, il raggio riflesso e quello rifratto giacciono sullo stesso piano (piano della
piastrella).
Quando la luce passa da un mezzo meno denso (aria) ad uno più denso (acqua) l’angolo d’incidenza
(α) è sempre maggiore di quello di rifrazione (β) La deviazione più o meno grande dei raggi
luminosi che passano dall’aria in varie sostanze dipende dal tipo di sostanza.
Esperienza n° 2 Conseguenze della rifrazione: una moneta o due?
Materiale
Bacinella , acqua, moneta.
Procedimento
Mettere la moneta nella bacinella senz’acqua e piegarsi fino a quando non si vede più. Restando
fermi in questa posizione far riempire lentamente d’acqua il recipiente.
Osservazione
Pur rimanendo nella stessa posizione, non appena il recipiente si riempie la moneta riappare come
se fosse venuta a galla.
Conclusione
In assenza d’acqua i raggi
provenienti dalla moneta
vengono fermati dal bordo del
recipiente e non raggiungono
l’occhio. Con l’acqua i raggi
uscenti dalla moneta subiscono
una rifrazione e l’occhio vede
l’immagine della moneta.
Per questo stesso fenomeno il fondo di una piscina ci sembra meno profondo di quanto in realtà sia.
Per lo stesso motivo vediamo il sole anche se è
già tramontato infatti l’atmosfera che circonda
la Terra rappresenta un mezzo più denso rispetto
allo spazio.
Esperienza n° 3 Come versare la luce
Materiale
Bottiglia di plastica provvista di tappo, acqua, torcia elettrica, asciugamano scuro, tubicino
trasparente e flessibile, bacinella.
Procedimento
Praticare un foro sul tappo e inserire il tubicino in modo che non possa fuoriuscire acqua. Riempire
la bottiglia d’acqua e chiuderla col tappo.
Accendere la torcia elettrica e porla alla base della bottiglia.
Avvolgere il tutto con l’asciugamano.
Oscurare l’ambiente.
Sulla bacinella comprimere la bottiglia in modo da far uscire dal tubo un getto d’acqua.
Osservazione
Il getto d’acqua che esce è luminoso: si vede nella bacinella uno “spruzzo di luce”.
Conclusioni
Alcuni raggi luminosi vengono riflessi avanti e indietro “dentro” il getto d’acqua, mentre altri
vengono rifratti verso i nostri occhi.
Eventuale Attività sperimentale riguardante le LENTI : Il cigno che nuota
Materiale
La sagoma di un cigno disegnata di profilo,
bicchiere, acqua
Procedimento
Appoggiare la sagoma, con la testa rivolta a destra, ad un sostegno e porvi davanti il bicchiere vuoto
a circa 10 cm di distanza.
Guardare il cigno attraverso il bicchiere.
Versare acqua nel bicchiere e guardare nuovamente.
Osservazione
Quando non c’è l’acqua il cigno nuota verso destra, con l’acqua nuota verso sinistra.
Conclusioni
Il bicchiere con l’acqua si comporta come una lente biconvessa. Il funzionamento della lente è
basato sul fenomeno della rifrazione : quando un raggio di luce passa attraverso i diversi materiali
(aria, vetro, acqua) subisce varie deviazioni prima di giungere al nostro occhio.
Tema n° 7: LA DISPERSIONE DELLA LUCE
Scuola Primaria
Osservare come la luce bianca,
Obiettivi
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
Attività sperimentali
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
attraversando un mezzo
trasparente, si separa e si
proietta in direzioni diverse .
Scuola Primaria
1) L’arcobaleno fatto in casa
2) Trottola di colori
3) Effetto superficie
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 7 - LA DISPERSIONE DELLA LUCE
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 L’arcobaleno fatto in casa
Materiale
un tavolino
un bicchiere con le pareti lisce
acqua
un grande foglio bianco.
Procedimento
Collocare un tavolino vicino ad una porta finestra, in una giornata di sole, mettere il bicchiere pieno
d’acqua nel lato del tavolino in cui riceva tutta la luce del sole e per terra stendere il foglio bianco.
Osservazione
Sul foglio si vedrà proiettato un arcobaleno cioè lo spettro dei colori. Infatti, la luce del sole, che
appare bianca, è un insieme di colori diversi che attraversando un mezzo trasparente si separano e si
manifestano in rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto.
Esperienza n°2 Trottola di colori
Materiale
cartoncino bianco
compasso
goniometro
forbici
colori
una matita ben appuntita.
Procedimento
Disegnare un cerchio con il compasso con l’apertura di 5 cm. Con il goniometro dividerlo in sette
settori di 51° circa. Colorare ogni settore con i colori dell’arcobaleno, Ritagliare il disco così
ottenuto, forarlo al centro e infilarci la matita.
Osservazione
Facendo ruotare il disco rapidamente, gli occhi non riescono a vedere i colori separatamente ma una
mescolanza bianca: la luce del sole è costituita dai colori dello spettro.
Esperienza n°3 Effetto superficie
Materiale
un compact disc
una sorgente di luce.
Procedimento
Mettere un CD sotto una sorgente luminosa, inclinarlo e spostarlo.
Osservazione
Si vedranno formarsi tanti arcobaleni diversi: la superficie del CD è lavorata in modo da riflettere la
luce scomponendola nel suo spettro.
SCUOLA SECONDARIA DI II GRADO
Esperienza n°3 - Spettri di emissione
Materiale
Sorgenti puntiformi di luce monocromatica
Sorgente puntiforme di luce bianca
Prisma disperdente
Schermo bianco
Procedimento
Si fa passare un fascio di luce monocromatica attraverso un prisma e si osserva la posizione del
raggio sullo schermo, misurando l’angolo di rifrazione.
Si ripete l’esperimento con un fascio di luce bianca, e si osserva sullo schermo la formazione di uno
spettro formato da tutti i colori dell’arcobaleno.
Conclusioni
Si può notare che l’angolo di rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda della luce, per cui la luce
bianca viene scomposta in tutti i colori
Tema n° 8: L’OCCHIO
Scuola Primaria
Obiettivi
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
Scuola Primaria
Attività sperimentali
Scuola Secondaria di 1° grado
Scuola Secondaria di 2° grado
ATTIVITA’ SPERIMENTALE TEMA 8 - L’OCCHIO
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n° 1 Giochiamo per capire come funzionano i nostri occhi
Materiale
Due matite
I propri occhi
Procedimento
Tenere in ognuna delle due mani una matita tenendo le braccia tese in avanti. Chiudere un occhio e
provare a toccare le loro punte. Chiudere l’altro e rifare la prova. Riprovare tenendo aperti entrambi
gli occhi.
Osservazione
Si giungerà ad osservare che non è facile far toccare le due punte delle matite, perché un solo
occhio non permette di valutare bene le distanze.
Ciascun occhio recepisce gli stimoli luminosi distintamente dall’altro e da una diversa posizione;
solo usando entrambi gli occhi permettiamo di percepire le immagini provenienti da ogni singolo
occhio che poi vengono fuse in una dal cervello.
Conclusioni
Avere due occhi è essenziale per una vista efficiente, in particolare per valutare le distanze.
Esperienza n° 1.1 Giochiamo per capire come funzionano i nostri occhi
Materiale
Due mani
I propri occhi
Procedimento
Alzare le due mani ai lati della testa, in modo da intravederle.
Poi chiudere gli occhi alternativamente.
Osservazione
Si giungerà ad osservare che non si vedono entrambe le mani con un occhio solo.
Conclusioni
Avere la possibilità di guardare con i nostri due occhi permette di poter guardare una maggiore
distanza da destra a sinistra e viceversa tenendo ferma la testa.
(possibili ampliamenti dell’argomento relativi alla posizione egli occhi degli animali e ai difetti
della vista)
Esperienza n°2 Manipolazione di un plastico con parti smontabili dell’occhio
Materiale
Gli occhi di un compagno
Poster o immagini dell’occhio
Modello smontabile dell’occhio
Procedimento
Dopo aver compreso che l’occhio è costituito da diverse parti e che ognuna svolge un determinato
compito, procedere allo smontaggio del plastico e al successivo rimontaggio.
Osservazione
Si giungerà ad osservare la complessa costituzione dell’occhio umano sia all’esterno che all’interno.
Conclusioni
Avere la possibilità di guardare realizzate in una riproduzione le caratteristiche dei nostri occhi e
comprendere la potenzialità di questo strumento del corpo umano.
Esperienza n° 3 – Osservare l’immagine scientifica dell’occhio e riprodurne il funzionamento
Materiale
Poster o immagine allegata dell’occhio per la spiegazione e la comprensione
Una candela e una scatola con un foro
Procedimento
Dopo aver compreso come funziona un occhio passare ad una simulazione attraverso un piccolo
esperimento da eseguire con cautela se si utilizza una candela.
Realizzare una camera oscura e dimostrare come nella scatola l’immagine della candela risulta
capovolta.
Osservazione
Si giungerà ad osservare che l’occhio percepisce l’immagine capovolta.
Conclusioni
Il fatto che noi vediamo le immagini diritte come sono nella realtà dipende dal funzionamento del
cervello che provvede a raddrizzare le immagini percepite dagli occhi.
Esperienza n° 3.1 – Ricostruisco il funzionamento dell’occhio
Materiale
Una lampada da tavola senza schermo
Un vaso a boccia contenente acqua
Un cartoncino nero e uno bianco.
Procedimento
Fare un piccolo foro al centro del cartoncino nero (sarà la pupilla dell’occhio).
Appoggiare il cartoncino nero su un fianco del vaso e il cartoncino bianco (sarò la retina
dell’occhio) dalla parte opposta.
Mettere la lampada in linea con i due cartoncini e accenderla.
Spegnere tutte le altre luci della stanza in modo che sia buia.
Spostare il cartoncino bianco fino a che apparirà l’immagine della lampada
Osservazione
Si giungerà ad osservare l’immagine della lampada più piccola e capovolta.
Conclusioni
Anche la retina riceve le immagini più piccole e capovolte degli oggetti reali, poi il cervello le
interpreta in modo corretto.
SCUOLA SECONDARIA DI II GRADO
Esperienza n°1 - Dissezione dell’occhio di cavallo
Materiale
Occhio di cavallo
Guanti monouso
Recipiente trasparente
Bisturi
Forbici
Procedimento
Si osserva l’occhio dall’esterno, poi si pratica una incisione al limite tra la sclera e la cornea;
l’operazione può risultare complessa poiché la tonaca fibrosa, essendo formata da un connettivo
fibroso denso, può opporre resistenza alla lama. Ad operazione compiuta si vedrà fuoriuscire un
liquido denso, l’umore acqueo.
Diventa quindi visibile l’iride e, inferiormente, il cristallino. Viene fatto uscire anche quest’ultimo,
e con esso l’umor vitreo, che generalmente gli rimane attaccato.
Fatto defluire l’umor vitreo, praticando una incisione sullaq superficie laterale del bulbo oculare, si
evidenziano il tapetum lucidum (presente negli animali, ma non nell’uomo, responsabile della vista
notturna) e la retina
Tema n° 9: LE LENTI
Obiettivi
Scuola Primaria
Scuola Secondaria di 1° grado
Osservare che i materiali Capire il funzionamento delle
Scuola Secondaria di 2° grado
trasparenti che presentano un lenti in base alle leggi della
superficie
curva,
possono rifrazione.
diventare lenti se piegano i
raggi di luce.
Scuola Primaria
Attività sperimentali
Scuola Secondaria di 1° grado
1) La lente d’acqua
1) Lenti concave e convesse
2) Lenti convesse
2) Formazione immagine
3) Lenti concave
3) Fuoco di una lente
4) Strumenti ottici
5) Aberrazioni ottiche
6) L’occhio umano
Scuola Secondaria di 2° grado
ATTIVITA’ SPERIMENTALI TEMA 9 - LE LENTI
SCUOLA PRIMARIA
Esperienza n°1 La lente d’acqua
Materiale
cartoncino,forbici, nastro adesivo trasparente, un contagocce, una goccia d’acqua.
Procedimento
In un robusto cartoncino praticare un foro di 2,5 cm di diametro, ricoprirlo con il nastro adesivo.
Depositare delicatamente, con il contagocce, una goccia d’acqua sul nastro adesivo che chiude il
foro.
Osservazione
Guardare una foglia o una pagina di giornale attraverso la goccia d’acqua: gli oggetti appaiono
ingranditi.
Esperienza n°2 Lenti convesse
Materiale
cartoncino, forbici, pettine, carta bianca, una torcia, una lente convessa( bicchiere liscio con dentro
acqua).
Procedimento
Praticare un foro nel cartoncino bianco (circa 5 cm di diametro), mettere il pettine davanti al foro in
modo perpendicolare al piano con la carta bianca. In una stanza buia, illuminare il cartoncino con la
torcia in modo tale che dai denti del pettine si vedano passare i fasci di luce. Mettere la carta bianca
sul piano, collocare la lente convessa(bicchiere) davanti ai raggi di luce.
Osservazione
I raggi di luce convergono in un punto: la luce si focalizza in un punto e ingrandisce le immagini.
Esperienza n°3 Lenti concave
Materiale
cartoncino, forbici, pettine, carta bianca, una torcia, una lente concava (fondo di bicchiere liscio ).
Procedimento
Praticare un foro nel cartoncino bianco (circa 5 cm di diametro), mettere il pettine davanti al foro in
modo perpendicolare al piano con la carta bianca. In una stanza buia, illuminare il cartoncino con la
torcia in modo tale che dai denti del pettine si vedano passare i fasci di luce. Mettere la carta bianca
sul piano, collocare la lente concava (fondo del bicchiere) davanti ai raggi di luce.
Osservazione
I raggi di luce non convergono in un punto ma si allargano: le immagini rimpiccioliscono.
SCUOLA SECONDARIA DI I GRADO
Esperienza n° 1 Rifrazione attraverso una lastra a piani paralleli
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
lastre trasparenti di diverso spessore, tutte con facce piane parallele
Procedimento:
Si invia sulla lastra un fascio di raggi paralleli.
Si ripete l’esperimento con tutte le lastre a disposizione.
Osservazione:
I raggi attraversano la lastra e vengono rifratti sulle sue superfici piane e parallele. I raggi emergono
dalla seconda superficie con la stessa direzione dei raggi in entrata.
A parità di angolo di incidenza iniziale, la distanza tra i raggi in entrata e in uscita dipende dallo
spessore della lastra.
Conclusioni: Le due rifrazioni che avvengono sulle superfici di separazione aria-vetro e vetro-aria
producono variazioni uguali ed opposte sulla direzione di propagazione dei raggi luminosi
permettendo alla luce di attraversare la lastra senza cambiare direzione.
Esperienza n° 2 Determinazione del fuoco di una lente convergente
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente biconvessa
un sostegno piano su cui visualizzare i raggi luminosi
Procedimento:
Si fa notare che la lente utilizzata è più spessa al centro perché è delimitata da due superfici
convesse.
Si definisce l’asse ottico della lente come la retta passante per i centri di curvatura delle due calotte
sferiche che delimitano la lente.
Si sistemano la sorgente di raggi paralleli e il modello di lente sul sostegno piano.
Si invia sul modello di lente un fascio di raggi paralleli tra loro e all’asse ottico della lente.
Osservazione:
I raggi inviati parallelamente all’asse ottico attraversano la lente e convergono in un unico punto.
Si può misurare la distanza tra il centro della lente e il punto in cui convergono i raggi (distanza
focale della lente).
Conclusioni:
Quando i raggi paralleli incontrano un materiale trasparente delimitato da due superfici convesse,
avviene il fenomeno della rifrazione che fa convergere tutti i raggi in un unico punto detto fuoco
della lente. La rifrazione avviene due volte: la prima, quando il raggio passa dall’aria al vetro
(avvicinandosi alla normale alla superficie di separazione aria-vetro), la seconda volta, quando il
raggio passa dal vetro all’aria (allontanandosi dalla normale alla superficie vetro-aria).
Nel fuoco della lente convergente viene effettivamente convogliata l’energia luminosa trasportata
dai raggi; per questo motivo l’immagine dei raggi paralleli emessi dalla sorgente che si forma nel
fuoco è detta immagine reale.
F
distanza focale
Esperienza n° 3 Dimostrazione dell’esistenza di due fuochi edella reversibilità del cammino
ottico di un raggio di luce.
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente convergente
un sostegno piano su cui visualizzare i raggi luminosi
Procedimento:
Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli dalla parte opposta di quella dell’Esperimento 2.
Successivamente si invia sulla lente un raggio che passa per il fuoco della lente prima di essere
rifratto dalla lente.
Osservazione:
I raggi paralleli tra loro convergono anche questa volta in un unico punto, che è l’altro fuoco della
lente. Si verifica che la distanza del secondo fuoco dal centro ottico della lente è ancora uguale alla
distanza focale.
Nella seconda parte dell’esperimento si vede che il raggio che passa per il fuoco viene rifratto dalla
lente parallelamente al suo asse ottico.
Conclusioni:
Si riconosce che una lente convergente è dotata di due fuochi, disposti simmetricamente rispetto
all’asse della lente, ad una distanza dal centro della lente pari alla distanza focale.
La seconda parte dell’esperimento dimostra che il cammino ottico di un raggio di luce è reversibile,
cioè che i raggi paralleli all’asse ottico, dopo la rifrazione, convergono nel fuoco; mentre i raggi che
emergono dal fuoco, dopo la rifrazione, proseguono parallelamente all’asse ottico.
Esperienza n° 4 Piano focale di una lente convergente
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente convergente
un sostegno piano su cui visualizzare i raggi luminosi
Procedimento:
Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli tra loro ma non paralleli all’asse ottico della lente.
L’angolo di inclinazione non deve però essere molto grande.
Osservazione:
I raggi paralleli tra loro ma non all’asse ottico della lente convergono ancora in un unico punto;
questo però non si trova più sull’asse otico della lente.
Ripetendo l’esperimento con diverse inclinazioni dei raggi rispetto all’asse ottico della lente si
riconosce che i punti in cui i raggi convergono si trovano tutti su una retta perpendicolare all’asse
ottico della lente.
Se l’angolo di inclinazione aumenta oltre un certo limita i raggi vengono focalizzati non più su un
piano ma su una superficie a forma di calotta sferica, a causa di un difetto delle lenti, chiamato
curvatura di campo (astigmatismo).
Conclusioni:
Si riconosce che la retta su cui cadono i punti di convergenza dei raggi è la sezione di un piano
perpendicolare all’asse ottico, che è chiamato piano focale della lente.
piano focale
piano focale
F
distanza focale
distanza focale
Esperienza n° 5 Determinazione del fuoco di una lente divergente
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente biconcava
un sostegno piano su cui visualizzare i raggi luminosi
Procedimento:
Si fa notare che la lente utilizzata è più sottile al centro perché è delimitata da due superfici
concave.
Si definisce l’asse ottico della lente come la retta passante per i centri di curvatura delle due calotte
sferiche che delimitano la lente.
Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli tra loro e all’asse ottico della lente.
Osservazione:
I raggi inviati parallelamente all’asse ottico attraversano la lente e divergono allontanandosi l’uno
dall’altro senza creare una immagine.
Si fanno ricalcare i percorsi rettilinei divergenti su un foglio di carta posto sul supporto su cui sono
appoggiate la lente e la sorgente di raggi.
Si prolungano i raggi dal lato della lente e si verifica che i prolungamenti si incontrano in un punto,
che è chiamato fuoco della lente.
Misurando la distanza tra il centro della lente e il fuoco si ottiene la distanza focale della lente.
Conclusioni:
Quando i raggi paralleli incontrano un materiale trasparente delimitato da due superfici concave,
avviene il fenomeno della rifrazione. A causa della forma della lente, più sottile al centro, i raggi
che escono dalla lente si allontanano, ma sembrano provenire tutti da uno stesso punto, che è il
fuoco. Nel fuoco della lente divergente non vi è effettiva concentrazione dell’energia trasportata dai
raggi; per questo motivo l’immagine dei raggi paralleli emessi dalla sorgente è detta immagine
virtuale.
F
distanza focale
Esperienza n° 6 Piano focale di una lente divergente
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente divergente
un sostegno piano su cui visualizzare i raggi luminosi
Procedimento:
Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli tra loro ma non paralleli all’asse ottico della lente.
Osservazione:
I raggi paralleli tra loro ma non all’asse ottico della lente divergono ma sembrano provenire ancora
da uno stesso punto; questo però non si trova più sull’asse otico della lente.
Ripetendo l’esperimento con diverse inclinazioni dei raggi rispetto all’asse ottico della lente si
riconosce che i punti da cui i raggi sembrano si trovano tutti su una retta perpendicolare all’asse
ottico della lente.
Anche in questo caso, come per la lente convergente, se l’inclinazione dei raggi supera un certo
limite, compare la curvatura di campo dovuta all’astigmantismo.
Conclusioni:
Si riconosce che la retta su cui cadono i punti di convergenza dei raggi è la sezione di un piano
perpendicolare all’asse ottico, che è chiamato piano focale della lente.
piano focale
F
distanza focale
Esperienza n° 7 - Immagine di un oggetto esteso attraverso una lente convergente
Materiale:
una candela
una lente convergente
una cornice rettangolare di cartone
un foglio di carta lucida satinata
Procedimento:
Costruire lo schermo su cui si formeranno le immagini incollando il foglio di carta lucida satinata
sulla cornice di cartone. Fissare la cornice su un sostegno in modo che stia dritta.
Fissare la lente su un sostegno mobile posto tra la candela e lo schermo, facendo in modo che i tre
elementi siano allineati.
Accendere la candela, sistemare la lente a una certa distanza dalla candela e spostare lo schermo
fino a quando l’immagine che si forma su di esso non appare nitida. Ripetere l’esperimento per
diverse distanze candela-lente.
Osservazione:
L’immagine della candela che si forma sullo schermo è capovolta.
Se la distanza tra la lente e la candela è inferiore ad un certo valore, sullo schermo appare solo una
macchia diffusa di luce e non si riesce a formare un’immagine nitida.
Le dimensioni dell’immagine possono essere maggiori, minori o uguali alle dimensioni della
sorgente, a seconda delle distanze candela-lente e lente-schermo.
Conclusioni:
La lente focalizza i raggi luminosi provenienti dalla sorgente a una distanza lente-schermo che
dipende dalla distanza tra la sorgente e la lente. Non tutti i valori della distanza sorgente-lente sono
permessi, in particolare se la lente è troppo vicina alla sorgente l’immagine sullo schermo non si
forma.
Una stima approssimativa della distanza focale della lente si può avere ponendo la candela a grande
distanza della lente. In questa situazione i raggi luminosi provenienti dalla sorgente possono
considerarsi approssimativamente paralleli all’asse ottico e convergono nel fuoco della lente, come
nel caso dell’Esperimento 1.
Esperienza n° 8 Determinazione del fuoco di una lente convergente. Formula delle lenti sottili.
Materiale:
una candela
una lente convergente
uno schermo
un metro
Procedimento:
Una stima approssimativa della distanza focale della lente si può avere ponendo la candela a grande
distanza della lente. In questa situazione i raggi luminosi provenienti dalla sorgente possono
considerarsi approssimativamente paralleli all’asse ottico. I raggi paralleli convergono allora nel
fuoco della lente, come nel caso dell’Esperimento 1.
Per una stima più precisa della distanza focale, si può sfruttare l’equazione delle lenti sottili.
Confrontando il valore di f approssimato con quello calcolato con la formula delle lenti sottili, si
verifica che i due valori sono simili.
Per il calcolo di f con la formula delle lenti sottili, posizionare inizialmente la lente molto vicina
allo schermo e avvicinarla alla sorgente fino ad ottenere una immagine nitida. Misurare le distanze
sorgente-lente (indicata con p) e lente-schermo (indicata con q).
Ripetendo varie volte le misurazioni, si ottiene una tabella di p e q tramite la quale, utilizzando la
relazione
(oppure
), si ottengono altrettanti valori di f .
Calcolare il valore medio della distanza focale f e la relativa incertezza.
Conclusioni:
E’ possibile introdurre la formula delle lenti sottili senza dimostrarla e verificare la sua validità
attraverso il confronto tra la distanza focale ottenuta con l’approssimazione descritta e quella
calcolata con la formula delle lenti sottili.
Esperienza n° 9 Dimostrazione del fatto che i raggi luminosi passanti per il centro di una lente
convergente passano indisturbati senza cambiare direzione
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente convergente
un sostegno piano per visualizzare i raggi luminosi
Procedimento:
Si disegna un modello di lente e la direzione di un raggio luminoso che, per effetto della rifrazione,
passa per il centro della lente.
Osservazione:
I raggi attraversano la lastra e vengono rifratti due volte, in corrispondenza delle superfici aria-vetro
e vetro-aria.
All’interno della lente, tutti i raggi che passano per il centro ottico di questa, corrispondono a raggi
incidenti sulla lente ed emergenti dalla lente, paralleli (vedi Esperimento 1). Per questi raggi, la
lente può allora essere considerata come una lastra di vetro.
Sempre dall’Esperimento 1 sappiamo che la separazione tra raggio incidente e raggio emergente
dalla lente aumenta all’aumentare dello spessore della lastra.
Se allora la lente è di piccolo spessore, i raggi incidente ed emergente che corrispondono al raggio
che passa per il centro sono poco distanti e quindi possono essere approssimativamente essere
considerati coincidenti e passanti indisturbati per il centro della lente.
La dimostrazione geometrica può essere verificata sperimentalmente facendo incidere un raggio di
luce sulla lente in modo che esso passi per il centro ottico di questa.
Esperienza n° 10 Costruzione geometrica dell’immagine prodotta da una lente convergente
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
Procedimento:
L’immagine di un oggetto esteso può essere costruita con considerazioni geometriche che si basano
su alcune assunzioni verificabili sperimentalmente.
1) i raggi che passano per il centro ottico della lente proseguono senza cambiare direzione
(esperimento 1 )
2) i raggi che arrivano dall’infinito parallelamente all’asse ottico della lente vengono
focalizzati nel fuoco della lente (esperimento 2).
Disegnare prima il percorso di un raggio che incide sulla lente e viene curvato in base alle leggi
della rifrazione.
Mostrare che i raggi che all’interno della lente passano per il centro ottico, emergono
parallelamente alla direzione di entrata. La lente sottile si comporta cioè, rispetto a questi raggi,
come una lastra trasparente (esperimento x). Se lo spessore della lente è piccolo, allora la
separazione tra i raggi paralleli, entrante ed emergente, si può trascurare e supporre che i raggi
passanti per il centro ottico attraversino la lente indisturbati.
Caso 1) p > 2f
Immagine reale, capovolta, rimpicciolita rispetto all’oggetto.
F
2f
Caso 2) p = 2f
Immagine reale, capovolta, di dimensioni uguali a quelle dell’oggetto
F
2f
Caso 3) f < p < 2f
Immagine reale, capovolta, ingrandita rispetto all’oggetto
F
f
2f
p
q
Caso 4) p < f
Immagine dalla stessa parte dell’oggetto, virtuale, dritta e ingrandita
F
f
p
q
ESPERIENZA n° 11 - Ingrandimento lineare di una lente convergente
B
A’
’
O
A
B’
p
q
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
Procedimento:
L’immagine di un oggetto esteso può essere costruita con considerazioni geometriche che si basano
su alcune assunzioni verificabili sperimentalmente.
Dopo aver costruito geometricamente l’immagine A’B’ dell’oggetto AB si verifica che i triangoli
ABO e A’B’O sono simili per il terzo criterio di congruenza. Infatti:
1)
2)
3)
perché angoli opposti al vertice
perché angoli retti
perché sono il complemento a 180° di angoli congruenti nei due triangoli
ABO e A’B’O
Sulla base della similitudine verificata possiamo scrivere la proporzione:
e quindi, essendo l’ingrandimento lineare
per definizione si ha:
Conclusioni:
E’ possibile ricavare l’ingrandimento lineare dalle misure delle distanze oggetto-lente e lenteimmagine.
Esperienza n° 12 – Strumenti ottici: la lente di ingrandimento
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
una lente di ingrandimento
un giornale
Procedimento:
Va ricordato che nel meccanismo della visione un oggetto più vicino produce un’immagine più
grande sulla retina dell’occhio mentre un oggetto più lontano ne produce una di dimensioni minori.
Se l’oggetto è posto ad una distanza minore di circa 25 cm dall’occhio, la cornea e il cristallino non
riescono a formare un’immagine nitida sulla retina. Questa distanza minima alla quale un oggetto
deve essere posto perché se ne abbia una visione chiara è detta “distanza della visione distinta”.
Si possono far leggere dei ritagli di giornale per verificare che la distanza della visione distinta è
circa 25 cm.
Quando si esamina un oggetto molto piccolo, si cerca di avvicinarlo il più possibile agli occhi
affinché l’immagine formata sulla retina sia la più grande possibile. Tuttavia la massima distanza
dagli occhi alla quale l’oggetto può essere avvicinato è la distanza della visione distinta. Quindi le
migliori condizioni di osservazione a occhio nudo si ottengono quando l’oggetto da osservare è a 25
cm dall’occhio.
Grazie alla lente di ingrandimento si riesce a formare una immagine dell’oggetto da osservare che
ha 2 vantaggi:
1) l’immagine è ingrandita rispetto alla visione ad occhio nudo
2) l’immagine viene fatta formare alla distanza della visione distinta (cioè la migliore distanza
di osservazione)
Quando si utilizza la lente di ingrandimento, l’oggetto viene posto tra la lente ed il suo fuoco, in
modo da ottenere una immagine virtuale, dritta e ingrandita. In altre parole, la distanza dell’oggetto
dalla lente deve essere minore della distanza focale di quest’ultima, così che l’immagine risulti
dritta, virtuale e ingrandita.
Variando la distanza della lente dall’occhio, si fa in modo che l’immagine virtuale ingrandita si
formi ad una distanza dall’occhio di circa 25 cm.
Osservazione: Facendo disegnare come si forma l’immagine nel caso della visione ad occhio nudo
e utilizzando una lente di ingrandimento, si chiarisce il funzionamento della lente di ingrandimento:
L’immagine dell’oggetto senza lente di ingrandimento, alla distanza della visione distinta, si vede
sotto un angolo .
Con la lente di ingrandimento e facendo in modo che l’immagine virtuale dell’oggetto si trovi alla
distanza della visione distinta, l’immagine è vista
sotto un angolo ’ >
e quindi risulta ingrandita
Si può mostrare, inoltre, che allontanando l’oggetto dalla lente oltre la distanza focale di
quest’ultima(quindi venendo a mancare la condizione per cui l’immagine è virtuale, dritta e
ingrandita), l’immagine risulta capovolta e, per distanze p>2f, addirittura rimpicciolita rispetto
all’oggetto (vedi Esperienza n. 10)
25 cm
F
f
p
q
’
Esperienza n° 13 – Calcolo dell’ingrandimento lineare della lente di ingrandimento
Procedimento:
Se un oggetto, osservato ad occhio nudo, produce un’immagine vista sotto un angolo
ingrandimento fornisce una immagine ingrandita, che appare sotto un angolo
Il rapporto Gang=
, la lente di
prende il nome di ingrandimento angolare prodotto dalla lente di
ingrandimento.
Si può dimostrare che l’ingrandimento angolare è uguale all’ingrandimento lineare G =
.
Quando si utilizza una lente di ingrandimento, l’oggetto viene posto molto vicino al fuoco della
lente, e si fa in modo che l’immagine si formi ad una distanza dall’occhio all’incirca uguale alla
distanza della visione distinta. Quindi possiamo considerare:
- la distanza dell’oggetto
- la distanza a cui si forma l’immagine
cm
e quindi l’ingrandimento lineare G =
Conclusione: Conoscendo la distanza focale della lente di ingrandimento, possiamo calcolare
l’ingrandimento lineare prodotto da questa.
Si nota, inoltre, che la distanza focale della lente di ingrandimento e l’ingrandimento prodotto sono
due grandezze inversamente proporzionali.
E’ possibile verificare che due lenti di lunghezza focale diversa producono ingrandimenti diversi e
precisamente che la lente con lunghezza focale minore ingrandisce di più.
Infine, considerando più lenti di ingrandimento di diversa distanza focale e riportando in un
diagramma cartesiano le coppie (G ; f ) si ottengono punti appartenenti ad un ramo di iperbole
equilatera, come ci si aspetta nel caso della proporzionalità inversa.
Esperienza n° 14 – Strumenti ottici: il microscopio
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
un microscopio
Procedimento:
Il microscopio è formato da una combinazione di due lenti convergenti:
l’obiettivo – ha una distanza focale piccolissima e fornisce una prima immagine reale
l’oculare – funziona come una lente di ingrandimento e fornisce una seconda immagine
virtuale e ingrandita
L’oggetto da osservare è posto davanti all’obiettivo, ad una distanza di poco maggiore alla sua
distanza focale. L’obiettivo produce una prima immagine reale, capovolta e ingrandita, posta tra il
primo fuoco dell’oculare e l’oculare stesso.
L’immagine reale generata dall’obiettivo ha la funzione di oggetto per l’oculare. Poiché questo
oggetto si trova prima del fuoco dell’oculare, l’immagine prodotta sarà virtuale e ingrandita.
L’immagine finale si forma circa alla distanza della visione distinta (25 cm) dall’occhio
dell’osservatore.
Si può far disegnare lo schema ottico del microscopio e l’immagine finale prodotta.
Obiettivo
Immagine
reale formata
dall’obiettivo
Oggetto
Foc
Fob
Oculare
Immagine virtuale
formata dall’oculare
Esperienza n° 15 – Strumenti ottici: il telescopio kepleriano
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
2 lenti convergenti di diversa lunghezza focale
cartoncino nero
Premessa:
Il telescopio kepleriano è formato da due lenti entrambe convergenti, una che funge da obiettivo e
l’altra da oculare.
l’obiettivo – ha una distanza focale molto maggiore di quella dell’oculare e fornisce una
prima immagine reale, capovolta e rimpicciolita rispetto all’oggetto.
l’oculare – funziona come una lente di ingrandimento e fornisce una seconda immagine
virtuale, capovolta e ingrandita rispetto all’oggetto.
Le due lenti sono alloggiate in due tubi che scorrono l’uno nell’altro. Muovendo i tubi si fa in modo
che l’immagine formata dall’obiettivo si formi tra l’oculare e il suo fuoco in modo da ottenere una
nuova immagine virtuale, capovolta e ingrandita.
L’ingrandimento prodotto dal telescopio kepleriano è solo angolare, non lineare, cioè questo
telescopio non ingrandisce le dimensioni degli oggetti osservati, ma permette di osservarli sotto un
angolo visuale più ampio in modo da distinguere maggiori particolari.
L’ingrandimento angolare è uguale al rapporto tra la lunghezza focale dell’obiettivo e quella
dell’oculare.
Procedimento:
Si fa disegnare lo schema del telescopio kepleriano in modo da capirne il funzionamento.
Poi si costruisce il telescopio con le lenti ed il cartone.
Le due lenti vengono fissate alle estremità di due tubi in grado di scorrere l’uno nell’altro, realizzati
con il cartoncino. E’ preferibile che il cartone sia nero per evitare riflessioni interne che possono
rendere l’immagine meno nitida.
Si muovono i tubi fino a quando l’immagine risulta a fuoco.
Obiettivo
Oculare
fobiettivo
foculare
Esperienza n° 16 – Strumenti ottici: il telescopio galileiano
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
1 lente convergente ed una divergente, di diversa lunghezza focale
cartoncino nero
Premessa:
Il telescopio galileiano si differenzia da quello kepleriano per la presenza di un oculare divergente
in accoppiamento con un obiettivo convergente.
l’obiettivo – ha una distanza focale molto maggiore di quella dell’oculare e fornisce una
prima immagine reale, capovolta e rimpicciolita rispetto all’oggetto.
l’oculare – viene posto prima del fuoco dell’obiettivo ed ha il compito di intercettare i raggi
luminosi provenienti dall’obiettivo (che formerebbero una immagine reale, capovolta e
rimpicciolita), facendoli divergere per formare una immagine virtuale, dritta ed ingrandita.
Procedimento:
Si fa disegnare lo schema del telescopio galileiano in modo da capirne il funzionamento.
Poi si costruisce il telescopio con le lenti ed il cartone.
Le due lenti vengono fissate alle estremità di due tubi in grado di scorrere l’uno nell’altro, realizzati
con il cartoncino. E’ preferibile che il cartone sia nero per evitare riflessioni interne che possono
rendere l’immagine meno nitida.
Si muovono i tubi fino a quando l’immagine risulta a fuoco.
Obiettivo
Oculare
fobiettivo
Osservazioni - Il principale vantaggio di questo telescopio è che, trovandosi l'oculare prima del
fuoco, lo strumento risulta più compatto. Altro vantaggio è che l'immagine è dritta e per non
occorrono elementi raddrizzatori dell’immagine.
Lo svantaggio è che gli ingrandimenti ottenibili sono limitati (i migliori cannocchiali costruiti da
Galileo arrivavano al massimo a 30 ingrandimenti).
Tuttavia questa configurazione non è scomparsa al giorno d'oggi, perché è ancora sfruttata nei
piccoli binocoli da teatro, che danno al massimo 3 o 4 ingrandimenti.
Esperienza n° 17 – Strumenti ottici: la macchina fotografica
Materiale:
materiale da disegno (fogli, riga, squadre)
1 scatola da scarpe
1 lente convergente con f compresa tra 12 e 20 cm
i foglio di carta traslucida
cartoncino nero
Premessa:
Si può cominciare costruendo una macchina fotografica a foro sottile senza l’ausilio di una lente.
Per realizzarla, è sufficiente fare un foro sottile su un lato della scatola ed un'apertura rettangolare
sul lato opposto. La luce entrerà attraverso il foro sottile formando l’immagine sullo schermo
traslucido.
In queste condizioni l'immagine prodotta dalla luce che passa dal forellino è molto debole e la luce
dell'ambiente che colpisce lo schermo è sufficiente per renderla invisibile. Per risolvere questo
inconveniente è utile applicare un tessuto nero sulla parte della scatola dove si trova lo schermo ed
osservare l’immagine infilando la testa sotto il tessuto. Inoltre, l’oggetto dovrà essere bene
illuminato.
Dopo aver costruito una macchina fotografica rudimentale come questa si può passare alla
costruzione della macchina con lente.
Procedimento:
La scatola va tagliata asportandone un pezzo. L’altezza dei bordi di una delle due sezioni va ridotta
in modo che le parti possano scorrere una nell’altra. Nella sezione di coda va praticata una apertura
rettangolare e applicato il foglio di carta traslucida che funge da schermo.
Sulla parte frontale dell’altro pezzo di scatola va ritagliato un foro per alloggiare la lente.
Quest’ultima va fissata tra due pezzi di cartone, in modo da formare un telaio che poi va incollato in
corrispondenza del foro per la lente.
Il coperchio della scatola serve come alloggiamento all’interno del quale sono sistemati i due pezzi
che formano la macchina fotografica.
Muovendo i due pezzi della macchina uno nell’altro (all’interno del coperchio), l’immagine sullo
schermo viene messa a fuoco.
Visione frontale
Schema del dispositivo
Osservazioni – Si osserva che affinché si abbia una immagine nitida l’oggetto deve essere bene
illuminato. La distanza alla quale l’immagine si forma è fissa ed uguale alla distanza focale della
lente; inoltre è rovesciata rispetto all’oggetto.
Esperienza n° 18 – Aberrazioni delle lenti: Aberrazione di sfericità
Materiale:
una sorgente puntiforme
una lente convergente
uno schermo traslucido
una sorgente di raggi paralleli (laser)
un modello di lente convergente
un sostegno piano su cui visualizzare i raggi luminosi
Premessa:
L'aberrazione sferica di una lente è il fenomeno per cui l'immagine di una sorgente puntiforme,
invece di essere un punto, è un disco avente centro nel punto in cui si dovrebbe formare l'immagine.
Essa è dovuta al fatto che i raggi provenienti dalle regioni periferiche della lente vengono fatti
convergere anticipatamente rispetto ai raggi vicini all’asse ottico.
L’aberrazione sferica si può correggere con un diaframma che fa passare solo i raggi vicini all’asse
ottico della lente, oppure con un sistema lenti costituito da una lente convergente e da una
divergente.
Procedimento:
Si cerca di focalizzare su uno schermo l’immagine di una sorgente puntiforme formata da una lente
convergente, facendo notare che l’immagine è circondata da un anello luminoso.
Con un modello di lente e di fascio luminoso si può spiegare l’effetto osservato. Inviando un fascio
di raggi paralleli all’asse ottico della lente su un modello di lente convergente si mostra che i raggi
lontani dall’asse ottico convergono anticipatamente rispetto ai raggi parassiali giustificando l’effetto
alone osservato con la lente reale.
Riducendo la sezione del fascio si elimina l’effetto alone.
Un secondo modo di eliminare l’aberrazione sferica sfrutta la combinazione della lente convergente
con una divergente di opportuna focale. La lente divergente si comporta in modo diametralmente
opposto a quella convergente facendo divergere i raggi lontano dall’asse in misura maggiore dei
raggi vicini all’asse, facendo in modo che tutti i raggi convergano nello stesso punto.
Esperienza n° 19 – Aberrazioni delle lenti: Aberrazione cromatica
Materiale:
una sorgente puntiforme
una lente convergente
uno schermo traslucido
Premessa:
L'aberrazione cromatica di una lente è il fenomeno per cui i raggi blu di un fascio di luce bianca
vengono rifratti dalla lente in misura maggiore che i raggi rossi.
Procedimento:
Si disegna un punto nero dai contorni definiti, in modo da fare contrasto sul foglio bianco. Si mette
la lente di ingrandimento sul punto e la si allontana lentamente da esso.
Quando la lente raggiunge una distanza dagli occhi pari alla distanza alla quale la lente focalizza i
raggi blu, attorno al punto comparirà un alone rosso; avvicinando ulteriormente la lente all’occhio,
ad un certo punto il punto sarà circondato da un alone blu. Questa condizione corrisponde alla
distanza lente-occhio pari alla distanza focale della lente per i raggi rossi.
Un altro modo di verificare la presenza di aberrazione cromatica è questo: si focalizza con una lente
una sorgente puntiforme su uno schermo bianco.
Spostando lo schermo lentamente verso la lente si nota che il puntino luminoso diventa rosso.
Questo corrisponde alla distanza schermo-lente alla quale focalizzano i raggi blu.
Successivamente si allontana la lente oltre il punto in cui i raggi erano stati focalizzati e si osserva
che il colore del punto tende al blu. Questa distanza è quella alla quale focalizzano i raggi rossi.
Schermo nel fuoco
dei raggi blu
Schermo nel fuoco
dei raggi rossi
Esperienza n° 20 – Aberrazioni delle lenti: Distorsione
Materiale:
alcune lenti convergenti
uno foglio di carta a quadretti
Premessa:
La distorsione è un'aberrazione ottica per cui l'ingrandimento lineare di una lente varia con la
distanza dall'asse ottico. Questo provoca una distorsione nell'immagine finale che può essere ben
visualizzata analizzando l'immagine di un reticolo di punti riprodotto dalla lente: se l'ingrandimento
diminuisce con la distanza dall’asse ottico si ha distorsione a barilotto, mentre se aumenta con la
distanza si ha la distorsione a cuscinetto.
Procedimento:
Si osserva un foglio di carta a quadretti attraverso una lente convergente notando la curvatura delle
righe provocata dall’aberrazione di distorsione.
Esperienza n° 21 – Aberrazioni delle lenti: Coma
Materiale:
una sorgente puntiforme
una lente convergente
uno schermo traslucido
Premessa:
La coma è una aberrazione dovuta al fatto che i raggi luminosi provenienti dall’oggetto incidono
sulla lente con un certo angolo, anziché propagarsi parallelamente all’asse ottico della lente.
I raggi più vicini all’asse ottico della lente focalizzano prima di quelli più distanti. Man mano che
ci si allontana dall’asse i raggi focalizzano più lontano e più distante dal punto dove vengono
focalizzati i dove sono stati focalizzati i raggi parassiali.
Il risultato è un’immagine che, anziché essere puntiforme, ha l’aspetto di una cometa.
Procedimento:
La coma si visualizza facilmente sullo schermo focalizzando con una lente l’immagine di una
sorgente puntiforme sullo schermo traslucido e poi inclinando il fascio di raggi luminosi che
incidono sulla lente.
Esperienza n° 22 Modello di un occhio normale
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
una lente convergente di distanza focale nota
un modello di occhio del diametro pari alla distanza focale della lente usata
Procedimento:
Si dispone la lente convergente sul modello di occhio, nella posizione che nella realtà è occupata
dal cristallino. Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli tra loro.
Osservazione:
I raggi che arrivano dalla sorgente vengono convogliati esattamente sul fondo del modello di occhio
(dove nella realtà si trova la retina). Questo permette di richiamare le conoscenze sulla fisiologia
dell’occhio e sul ruolo svolto dalle sue diverse parti.
Conclusioni:
I recettori della luce sono distribuiti
sulla retina, un sottile strato di
cellule che riveste il fondo
dell’occhio. Affinché si abbia la
percezione
della
visione
è
necessario che le immagini si
formino esattamente su questo
strato. Se il diametro dell’occhio
non è esattamente uguale alla
distanza
focale
della
lente
rappresentata
dal
cristallino,
l’occhio non è in grado di vedere
correttamente l’immagine della
sorgente di luce.
Esperienza n° 23 Modello di un occhio miope
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
una lente convergente di distanza focale nota da usare come modello di cristallino
un modello di occhio con diametro superiore alla distanza focale della lente usata come cristallino
una lente divergente di distanza focale nota, per correggere il difetto visivo realizzato con il modello
di cristallino.
Procedimento:
Si dispone la lente convergente sul modello di occhio, nella posizione che nella realtà è occupata
dal cristallino. Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli tra loro. IA causa dell’eccessivo potere
convergente della lente che funge da cristallino, i raggi emessi dalla sorgente convergono prima
della retina.
Osservazione:
Disponendo una lente divergente prima della lente
che simula il cristallino, i raggi di luce
convergono sulla retina.
Conclusioni:
I raggi che arrivano dalla sorgente convergono
prima della retina perché il potere convergente di
un occhio miope è troppo alto rispetto alla forma
e alle dimensioni dell’occhio. Disponendo prima
del cristallino una lente divergente, i raggi
paralleli vengono fatti divergere; quindi sul
cristallino arriva un fascio di raggi luminosi più
aperto.
La distanza alla quale il cristallino focalizza i
raggi si allontana quindi dal centro del cristallino,
concentrandosi sulla retina e permettendo una
corretta visione.
Esperienza n° 24 Modello di un occhio ipermetrope
Materiale:
una sorgente di raggi paralleli (laser)
una lente convergente di distanza focale nota da usare come modello di cristallino
un modello di occhio con diametro minore della distanza focale della lente usata come cristallino
una lente convergente di distanza focale nota, per correggere il difetto visivo realizzato con il
modello di cristallino.
Procedimento:
Si dispone la lente convergente sul modello di occhio, nella posizione che nella realtà è occupata
dal cristallino. Si invia sulla lente un fascio di raggi paralleli tra loro. A causa dello scarso potere
convergente della lente che funge da cristallino, i raggi emessi dalla sorgente convergono oltre la
retina.
Osservazione:
Disponendo una lente convergente prima
della lente che simula il cristallino, i raggi di
luce convergono sulla retina.
Conclusioni:
I raggi che arrivano dalla sorgente
convergono prima dopo la retina perché il
potere convergente di un occhio ipermetrope
è troppo basso rispetto alla forma e alle
dimensioni dell’occhio. Disponendo prima
del cristallino una lente convergente, i raggi
paralleli vengono concentrati; quindi sul
cristallino arriva un fascio di raggi luminosi
più stretto.
La distanza alla quale il cristallino focalizza i
raggi si avvicina quindi al centro del
cristallino, concentrandosi sulla retina e
permettendo una corretta visione.
SCUOLA SECONDARIA DI II GRADO
