dalla propagazione della luce alle fibre ottiche

Università Cattolica del Sacro Cuore
Sede di Brescia
Scuola di Specializzazione per l’Insegnamento Secondario
Indirizzo Fisico – Matematico – Informatico
Anno Accademico 2007-2008
Classe di abilitazione: A049
Verifica e Valutazione in Matematica e Fisica: Problemi, Metodi e Strumenti
Prof. Antonio Marro
Unità di Apprendimento:
dalla propagazione della luce alle fibre ottiche
Laura De Carlo
Mat. 3611126
Unità di apprendimento
DALLA PROPAGAZIONE DELLA LUCE ALLE FIBRE OTTICHE
DATI IDENTIFICATIVI
DESTINATARI: alunni di una classe quarta di un Liceo Scientifico di Ordinamento
DOCENTI COINVOLTI: fisica
ARTICOLAZIONE DELL’APPRENDIMENTO UNITARIO
Riferimento ai documenti
PeCuP (2° ciclo)
- Ragionare sul perché e sul come di problemi pratici e astratti; isolare cause ed effetti…Confrontarsi con gli aspetti operativi dei concetti e delle teorie. - Comprendere la realtà
naturale attraverso l’applicazione di metodi adeguati di osservazione, di indagine e di
procedure sperimentali propri delle scienze. - Comprendere il ruolo che il linguaggio
matematico ricopre in quanto strumento essenziale per descrivere, comunicare,
formalizzare, dominare i campi del sapere scientifico e tecnologico. - Mettere in relazione la
tecnologia con i contesti socio-ambientali e con i processi storico-culturali che hanno
contribuito a determinarla. - Utilizzare strumenti di consultazione e strumenti informatici
per ricavare documentazioni, elaborare grafici e tabelle comparative…
PeCuP (licei)
- Avere gli strumenti culturali e metodologici per porsi con atteggiamento razionale e critico
di fronte alla realtà, ai suoi fenomeni ed ai problemi; - Possedere gli strumenti matematici…
necessari per la comprensione delle discipline scientifiche e per poter operare nel campo
delle scienze applicate; - Comprendere il tipo di indagine propria delle discipline
scientifiche, la modellizzazione dei fenomeni, la convalida sperimentale del modello,
l’interpretazione dei dati sperimentali; - Collocare il pensiero scientifico nella storia delle
scoperte scientifiche e delle invenzioni tecnologiche; - Acquisire le conoscenze tecniche e
tecnologiche indispensabili nella vita quotidiana e sperimentare l’uso di semplici strumenti
tecnologici; conoscere le caratteristiche dei sistemi tecnici semplici e i tipi di funzioni da
essi svolte; individuare le connessioni tra scienza e tecnica; - Seguire lo sviluppo scientifico
e tecnologico, consapevoli delle potenzialità e dei limiti degli strumenti impiegati per
trasformare l’esperienza in sapere scientifico; - Individuare i caratteri specifici e le
dimensioni tecnico-applicative dei metodi di indagine utilizzati dalle scienze sperimentali.
Obiettivi Generali del processo formativo
Ricerca dell’unità della cultura. Il rapporto libero, aperto, costruttivo e critico con le diverse
prospettive di ricerca… consente ai giovani di costruirsi una personale visione del mondo e
di integrare in modo armonico le diverse componenti della propria personalità.
Avvaloramento della storicità. I contenuti e i metodi di ogni disciplina si arricchiscono… di
senso e di motivazione quando sono posti all’interno di uno sfondo storico e sociale che ne
giustifichi e contestualizzi la nascita, lo scopo e lo sviluppo.
Consapevolezza dell’analogicità del concetto di scienza. Scientificità… è “rendere ragione” in
modo pubblico e rigoroso della realtà che si studia e problematizzare, sul piano logico e
sociale, posizioni ed ipotesi rispetto alla stessa, con serietà metodologica e atteggiamento
critico.
Riconoscimento del valore della problematicità. La dimensione problematica rimanda
all’originaria complessità del reale, agli interrogativi esistenziali che tale complessità ha
suscitato e suscita negli uomini, al rigore argomentativo che deve accompagnare le risposte
a tali interrogativi, alla collocazione psicologica, storica e sociale delle visioni del mondo di
ciascuno. Competenza è orientarsi in questo dimensione, assumendola come ordinario
atteggiamento professionale e di vita.
Obiettivi specifici di apprendimento
Conoscenze
Abilità
Strumenti, Modelli e Procedure
-Metodologie: formulare ipotesi, sperimentare,
interpretare,formulare leggi, elaborare
modelli.
-Sistema internazionale di misura.
-Evoluzione storica delle idee e delle
interpretazioni dei fenomeni fisici.
- Individuare le variabili rilevanti in un
fenomeno
fisico e ricavare relazioni sperimentali tra le
grandezze fisiche.
- Effettuare misure…e valutare l’accettabilità
del risultato.
-Risolvere semplici problemi utilizzando un
linguaggio algebrico e grafico appropriato.
Fenomeni luminosi
- Ottica geometrica.
- Strumenti ottici.
- Analizzare e descrivere applicazioni dei
fenomeni di propagazione della luce.
Apprendimento unitario da promuovere
Lo studente scopre come le teorie sulla luce e sulla propagazione della stessa,
formulate già a partire dal III secolo a.C., abbiano portato in epoca più recente alla
progettazione e alla realizzazione di strumenti tecnologici, quali le fibre ottiche, che
trovano applicazione in svariati campi della scienza e della tecnologia moderne.
Lo studente inoltre riconosce che il funzionamento della fibra ottica può essere
descritto qualitativamente con l’utilizzo dell’ottica geometrica.
Compito di apprendimento unitario in situazione
Agli studenti viene proposto il compito della risoluzione di una gamma di esercizi di
diversa tipologia (problemi, quesiti a risposta chiusa…) che richieda loro di mettere in
campo le conoscenze e le abilità acquisite nell’unità di apprendimento, unitamente ad
abilità già in loro possesso, quali la risoluzione di semplici problemi di trigonometria.
Ad esempio: noti gli indici di rifrazione dei due materiali che compongono una fibra
ottica, determinare l’angolo massimo con cui un fascio di luce monocromatica può
entrare in fibra perché la luce possa essere guidata.
Determinazione dei singoli obiettivi formativi standard di apprendimento
Gli studenti:
• sviluppano la capacità di utilizzare correttamente termini e definizioni relativi
all’ottica geometrica;
• sviluppano la capacità di descrivere la luce e la propagazione della stessa
mediante l’utilizzo delle grandezze proprie dell’ottica;
• conoscono e comprendono le leggi che regolano la riflessione e la rifrazione
della luce;
• potenziano la capacità di individuare situazioni reali che possono essere
descritte e spiegate attraverso l’ottica geometrica;
• potenziano la capacità di passare dall’osservazione di un fenomeno ad una
legge fisica;
• conoscono e comprendono il funzionamento di una fibra ottica;
• riconoscono la fibra ottica come strumento dalle molteplici applicazioni pratiche.
Mappa concettuale
Propagazione
della luce
Rifrazione
Riflessione
Angolo
critico
Riflessione
Totale Interna
Fibra ottica
MEDIAZIONE DIDATTICA E ATTIVITÀ LABORATORIALI
Prerequisiti
- nozione di angolo
- definizione di seno e coseno di un angolo
- nozione di retta, piano, retta perpendicolare ad un piano
- concetto di onda
- grandezze caratteristiche delle onde
Tempi
Secondo gli OSA del 2005 l’ottica geometrica andrebbe affrontata nel primo biennio
del secondo ciclo. A mio parere è consigliabile collocare questa unità di
apprendimento durante il II quadrimestre del quarto anno (L.S. di Ordinamento),
in quanto a questo punto del percorso formativo gli studenti hanno già affrontato la
goniometria con l’insegnante di Matematica, e hanno quindi familiarità con le
funzioni goniometriche. Inoltre ritengo che al quarto anno gli studenti possano
apprezzare maggiormente l’aspetto applicativo e tecnologico dell’unità.
L’unità di apprendimento si sviluppa in 6 ore, a cui va aggiunta 1 ora per la
somministrazione del questionario di verifica.
Metodi
Lezioni in aula, lezioni nel laboratorio di fisica con l’utilizzo di strumenti ottici e di
software di supporto per il calcolo.
Dove è possibile, si effettua prima l’esperienza in laboratorio e poi il fenomeno
osservato viene esposto in classe dall’insegnante. Non ritengo consigliabile iniziare
l’UA con una lezione in laboratorio in quanto l’ottica geometrica è un argomento del
tutto nuovo per gli alunni, i quali messi di fronte ad un’esperienza di laboratorio
potrebbero essere un po’ disorientati.
Strumenti
- libro di testo
- lavagna
- schede preparate dall’insegnante
- strumenti ottici
- foglio di calcolo
Soluzioni organizzative – Organizzazione del percorso didattico
Argomento
Tempi
Introduzione
all’ottica
½ ora
Argomento
Tempi
Propagazione e
riflessione
della luce
½ ora
Argomento
Strumenti
Modalità nella Trattazione
Lezione frontale:
- fronti d’onda e raggi
- propagazione rettilinea della luce
- velocità della luce
- riflessione della luce (leggi sperimentali
della riflessione)
Strumenti
- Lavagna
- Libro di testo
Tempi
Modalità nella Trattazione
Strumenti
- Schede preparate
dall’insegnante
- Sorgente
monocromatica
- Specchio piano
- Prismi con diversi
indici di rifrazione
- Goniometro
- Foglio di calcolo
2 ore
Lezione in laboratorio:
L’insegnante
guida
gli
alunni
alla
realizzazione
di
alcune
esperienze
di
laboratorio:
-misura dell’angolo di riflessione
-osservazione
del
fenomeno
della
rifrazione, sia nel caso di luce proveniente
da un mezzo otticamente meno denso che
viceversa
-osservazione dell’esistenza di un angolo
limite
-misura
dell’angolo
di
rifrazione
e
dell’angolo critico per un particolare mezzo
I dati raccolti possono essere analizzati
mediante l’ausilio del software Excel (o altro
foglio di calcolo)
Modalità nella Trattazione
Strumenti
Riflessione e
rifrazione della
luce
Argomento
Modalità nella Trattazione
Lezione dialogata:
- Lavagna
- L’insegnante guida gli studenti al - Strumenti ottici
riconoscimento dell’importanza dello studio (sorgente
della luce, attraverso l’individuazione di monocromatica,
situazioni
inconsuete
(miraggio,
fata specchio piano)
morgana…) che possono essere spiegate
mediante l’ottica geometrica.
- L’insegnante mostra agli studenti,
mediante l’utilizzo di alcuni semplici
strumenti ottici, le caratteristiche peculiari
della propagazione della luce e della
riflessione della luce da una superficie.
Tempi
Rifrazione della
luce
2 ore
Lezione frontale:
- Lavagna
- principio di Huygens
- Libro di testo
- leggi di Snell
- Eventuali schede
- indice di rifrazione
di approfondimento
- risoluzione di semplici quesiti che aiutino
ad acquisire il concetto di indice di rifrazione
- concetto di densità ottica
- propagazione da un mezzo otticamente
meno denso ad uno otticamente più denso e
viceversa
- angolo limite e riflessione totale
- calcolo dell’angolo limite per alcune coppie
di materiali
Argomento
Tempi
Modalità nella Trattazione
Strumenti
- Lavagna
- Libro di testo
- Schede preparate
dall’insegnante
- Fibre ottiche (di
materiale vetroso o
polimerico)
- Sorgenti di luce
1 ora
Lezione frontale:
- cos’è una fibra ottica: struttura
- alcuni cenni storici
- costruzione
- principio di funzionamento
- applicazioni ed utilizzi delle fibre ottiche:
telecomunicazioni, sensori, endoscopio,
fibroscopio, lampade decorative…
A conclusione della lezione l’insegnante
utilizza alcune sorgenti di luce e delle fibre
ottiche in vetro e in materiale plastico per
mostrare agli studenti come queste guidano
la luce.
Le fibre
ottiche:
funzionamento
e applicazioni
CONTROLLO DEGLI APPRENDIMENTI
Conoscenze e abilità apprese
Per la verifica delle conoscenze e delle abilità si propone, al termine dell’unità di
apprendimento, una verifica sommativi costituita da quesiti strutturati e oggettivi
(v. questionario riportato sotto).
Per avere dei riscontri intermedi sul livello delle conoscenze acquisite può essere
utile effettuare interrogazioni molto brevi sui contenuti già analizzati, oppure
chiedere agli studenti di risolvere autonomamente brevi problemi e consegnare la
risoluzione all’insegnante.
Inoltre ritengo opportuno richiedere agli studenti una breve relazione sull’attività
svolta in laboratorio, al fine di stimolare la partecipazione attiva di ogni elemento
del gruppo classe.
Competenze
Per verificare che, a seguito dell’unità di apprendimento, gli studenti abbiano
acquisito delle competenze personali, proporrei la risoluzione, autonoma o a piccoli
gruppi, di un problema che richieda l’impiego dei contenuti affrontati nell’unità di
apprendimento, ma anche di conoscenze e competenze già in possesso degli
studenti (si veda l’esercizio proposto come compito di apprendimento in
situazione).
I diversi metodi eventualmente utilizzati per la risoluzione dell’esercizio vengono
discussi e confrontati insieme, al fine di individuare punti di forza e debolezze di
ciascuno dei metodi scelti.
Questionario di Verifica
Scegli l’alternativa corretta tra quelle proposte.
N.B. Ogni quesito ha una sola risposta corretta.
1. Quale dei seguenti fenomeni NON si può spiegare con l’ottica geometrica?
□
□
□
□
fata morgana
miraggio
diffrazione
matita spezzata nell’acqua
2. Un fronte d’onda:
□
□
□
□
è
è
è
è
sempre circolare
sempre piano
parallelo a un raggio
descritto da una superficie di punti in fase tra loro
3. Un fascio di luce monocromatica incide su uno specchio piano con un angolo di
incidenza di 30°. Qual è l’angolo compreso tra il raggio incidente e quello riflesso?
□
□
□
□
60°
30°
15°
dipende dal materiale con cui è fatto lo specchio
4. Quando un fascio di luce monocromatica viene riflesso da una superficie:
□
□
□
□
l’angolo formato dai raggi incidente e riflesso è sempre di 90°
il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente
giacciono tutti nello stesso piano
il raggio riflesso ha la stessa direzione del raggio incidente, ma verso opposto
la velocità del fascio di luce cambia
5. La legge di Snell afferma che (θi=angolo d’incidenza; θr=angolo di rifrazione):
□
□
□
□
n2
sin θ r
n1
sin θ r n2
=
sin θi n1
1
sin θi = sin θ r
n2
1
sin θi =
n2
sin θi =
6. L’indice di rifrazione:
□
□
□
□
è sempre uguale o maggiore di 1
è inversamente proporzionale alla velocità della luce in quel mezzo
è inversamente proporzionale alla frequenza della luce in quel mezzo
tutte le risposte precedenti sono valide
7. Sapendo che la velocità della luce nel plexiglas è di 2.03x108 m/s, qual è il valore
dell’indice di rifrazione di questo materiale? (Si assuma che nell’aria la luce viaggi
ad una velocità di 3x108 m/s).
□
□
□
□
0.49
0.72
1.03
1.48
8. Si misura l’angolo limite per un certo tipo di vetro e si trova che è 39°. Qual è
l’indice di rifrazione di tale vetro?
□
□
□
□
0.025
1.59
0.63
1.33
9. Si ha il fenomeno della riflessione totale quando:
□
□
□
□
Il raggio incidente e il corrispondente raggio rifratto formano un angolo di 90°
L’angolo d’incidenza è tale da originare un angolo di rifrazione minore
dell’angolo limite
Il raggio incidente situato nel mezzo più rifrangente forma con la normale nel
punto d’incidenza un angolo maggiore dell’angolo limite
La luce nel passare da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente
forma un angolo d’incidenza di 90°
10. L’effettivo cammino di un raggio di luce vicino all’interfaccia tra aria e vetro è
rappresentato da:
11. In una fibra ottica l’indice di rifrazione del nucleo:
□
□
□
□
deve essere minore di quello del mantello
deve essere maggiore di quello del mantello
è sufficiente che sia diverso da quello del mantello
è sufficiente che sia maggiore di quello dell’aria, indipendentemente da quello
del mantello
12. Una fibra ottica è costruita impiegando due materiali con indice di rifrazione 1.48
e 1.579. Qual è il valore dell’angolo critico per questa fibra?
□
□
□
□
20.4°
39.5°
42.5°
69.6°