Sole: luci ed ombre

Comune di Bologna
Assessorato Scuola, Formazione e Politiche delle differenze
Settore Istruzione
Sole: luci ed ombre
21 giugno 2005
Angela Turricchia- Enrichetta Monari
Questa pubblicazione propone una giornata rivolta allo studio del Sole, delle luci
e delle ombre.
E’ l’invito ad un momento di diffusione della cultura scientifica a livello cittadino,
approfittando della particolarissima opportunità offerta dalla nostra meridiana in
S. Petronio, oggi ben al trecentocinquantesimo anniversario dall’inaugurazione.
Verranno utilizzati anche due strumenti per la osservazione delle ombre,
realizzati dagli Istituti Aggregati Aldini Valeriani e Sirani che ne hanno curato la
costruzione.
Il percorso didattico qui proposto è stato progettato da una delle agenzie
educative realizzate dal Comune di Bologna, il Laboratorio per la didattica
“Planetario”.
E dunque questa iniziativa risulta particolarmente significativa ed importante
come punto di partenza per lo sviluppo della rete di collaborazioni che da anni
intende caratterizzare la realtà politica e culturale bolognese. Oltre alle strutture
del Comune stesso – in sinergia tra “Planetario, Settore Istruzione e Istituti
aggregati Aldini Valeriani e Sirani -sono state coinvolte l’Università degli Studi di
Bologna e INAF – Istituto Nazionale di Astrofisica.
L’obiettivo è quello di avvicinare, non solo ragazze e ragazzi, ma anche tutta la
cittadinanza alla cultura scientifica, e, contemporaneamente, ad una riscoperta
della città, della sua storia e dei suoi monumenti.
Maria Virgilio
Assessora Scuola, Formazione e Politiche delle Differenze
Presentazione
Questo fascicolo, appositamente preparato per la distribuzione in occasione del
21 giugno 2005 e del trecentocinquantesimo anniversario dell’inaugurazione
della meridiana costruita da Giandomenico Cassini, affronta proprio le
tematiche che il
Planetario del Settore Istruzione del Comune di Bologna
propone all’interno della giornata in Piazza Maggiore.
Il tema della giornata
progettato
per il Planetario è “Sole: luci e ombre”. Il percorso
si snoda attraverso secoli di osservazioni solari considerando due
modi di osservazione:
•
il primo attraverso orologi solari: uno a foro gnomonico, che riproduce
in piccolo la situazione della meridiana della Chiesa di San Petronio, e
uno a stelo.
Osserveremo quindi come varia la macchia del Sole e come varia
l’ombra dello gnomone alla ricerca di una regolarità.
Di lato abbiamo un terzo orologio che è quello di palazzo Comunale che
scandisce le ore regolarmente, o almeno con quella regolarità che è
tipica di un orologio meccanico, e che ci permetterà di confrontare le
nostre osservazioni con quelle dei nostri strumenti posizionati sul
“crescentone” e dove segneremo ogni quarto d’ora, dell’orologio della
torre del Municipio, la posizione dell’ombra.
•
Il secondo, relativamente recente, che comunque ha una portata
storica notevole perché segna la nascita dell’Astrofisica moderna,
che permette
e
lo studio della composizione della luce solare, e non
soltanto di quella, e il confronto con elementi conosciuti. Parleremo
cioè di spettroscopia.
I due strumenti per l’osservazione delle ombre sono stati realizzati dagli Istituti
Aggregati Aldini-Valeriani e Sirani (Settore Istruzione del Comune di Bologna)
che ne hanno curato la costruzione permettendo così una sinergia tra le risorse
del Comune di Bologna, in particolare del Settore Istruzione.
Le esperienze presentate nel fascicolo sono, in parte, rielaborazioni di materiali
provenienti da esperienze di collaborazione con il Dipartimento di Fisica di
Ferrara – Gruppo di ricerca in didattica della Fisica e con INAF- Osservatorio
Astronomico di Padova con cui il Planetario collabora da ormai dieci anni; in
parte invece sono risultati di esperienze eseguite in collaborazione con gli
insegnanti delle classi che visitano il Planetario e che hanno fatto del Planetario
stesso un punto di coordinamento e di consulenza di esperienze scientifiche sia
a livello nazionale che internazionale.
Il fascicolo è in particolare rivolto ai ragazzi e quindi anche il linguaggio
utilizzato, gli esempi e le domande, i pochi disegni e le immagini sono quelle di
esperienze di attività svolte con le classi che frequentano il Planetario. Si
presenta quindi quasi come un quaderno operativo in cui è sono previsti spazi
per appunti e osservazioni.
Desidereremmo però che non resti
dell’esperienza in
piazza,
soltanto un momento di ricordo
pertanto tutto
il
fascicolo è
incentrato
sulla
“osservazione del cielo” in particolare dei corpi celesti che possiamo vedere
tranquillamente a occhio nudo magari costruendone alcuni a basso costo e di
semplice realizzazione. Tratteremo perciò del Sole, della Luna, di Giove e, per
buona parte, del Sistema Solare, nel suo complesso nella convinzione che la
comprensione
delle
distanze
esistenti,
delle
dimensioni,
dei
corpi
che
interagiscono sia un elemento importante e culturalmente significativo di
conoscenza.
In particolare la raccolta di materiali non vuole essere soltanto una guida
all’attività che si farà in piazza Maggiore, ma si propone anche come
suggerimento per approfondire poi, individualmente, gli argomenti svolti.
Pertanto sono presenti:
Schede per la
Domande su cui
costruzione di
riflettere con
strumenti.
calma.
Suggerimenti di
Risposte e
esperienze da
soluzioni
eseguire.
Parliamo qui del cielo e della sua osservazione1. Due sono i corpi celesti che
vediamo più frequentemente nel cielo e con cui possiamo cominciare a fare un
esercizio di osservazione: Luna e Sole.
Ecco un primo esercizio: guarda spesso il cielo durante la giornata. Basta poco,
alza la testa ogni tanto, sia al dì che quando fa scuro, per osservare il cielo.
Basta il cortile della scuola durante l’intervallo tra le lezioni, il balcone di casa
appena il Sole tramonta: comincia a “guardare”. Inizia con brevi momenti di
osservazione, ma ogni giorno: segui ad esempio la Luna, scopri se c’è o non c’è
ed a che ora la vedi. Guarda giorno dopo giorno come varia la parte che vedi
luminosa ed in quale zona di cielo la vedi. Ma come facciamo poi a raccogliere
le osservazioni? Perchè è importante sì osservare, ma anche poter confrontare
le osservazioni raccolte; quindi come ricordarsi di ciò che si è visto?
1 . La Luna in tasca
Abbiamo proposto di osservare la Luna. Un ulteriore suggerimento ...
prima di cominciare.
Preparare una lunga striscia di carta alta 8 cm e disegnare tanti quadrati.
Piegare la striscia così ottenuta a fisarmonica, in questo modo la striscia
può essere portata in tasca e ci si può disegnare la Luna così come la si
osserva, giorno dopo giorno.
Al termine delle osservazioni (si consigliano almeno 30 giorni) si possono
tagliare le caselle, sistemarle una sopra l’altra in modo che tutti i bordi
sinistri coincidano, fissarle a sinistra con due punti metallici e sfogliarle
rapidamente: si vedrà la Luna cambiare di aspetto.
1
Alcuni dei materiali presenti in questo fascicoletto fanno parte dei materiali inviati ai ragazzi durante l’iniziativa“Alla
scoperta del cielo!” e di cui Angela Turricchia (docente del Planetario) è coautrice assieme a Leopoldo Benacchio
(INAF-Osservatorio Astronomico di Padova).
Le caselle in moto veloce ci appaiono una successiva all’altra: avrete così
costruito il cartone animato della Luna.
Ma questa osservazione è sufficiente? Anche se avete
raccolto
le
osservazioni,
queste
possono
essere
confrontate?
Avremmo bisogno di:
•
osservare sempre dallo stesso punto,
•
determinare prima un punto di riferimento esterno rispetto al quale
fissare la posizione della Luna stessa.
1. Vi siete mai accorti se la Luna la si vede durante il
dì?
Esistono alcune osservazioni lunghe da fare, che richiedono pazienza ed
attenzione e soprattutto una costanza nell’osservazione e nel collezionare i dati
raccolti. Se vi sentite in grado di fare ciò provate ad osservare come vedete la
Luna durante il trascorrere dei mesi.
Come fare?
Esperienza 1
Osservazione della Luna durante i mesi.
Per ottenere osservazioni che siano confrontabili le une con le altre
devono essere eseguite avendo ben determinato le condizioni di
osservazione: posizione da cui osservare che deve rimanere inalterata,
punto di osservazione
ed inoltre definire un riferimento esterno fisso
sulla Terra che ci permetta di riposizionarci sempre nelle stesse
condizioni. Una condizione non da poco e di cui non dobbiamo
dimenticarci: controllare che dalla posizione in cui ci proponiamo di
osservare la Luna sia visibile!
Una volta che si sono definite queste condizioni, ad esempio definendo le
finestre di casa da cui osservare, possiamo iniziare l’osservazione che
deve essere registrata: ad esempio possiamo mettere degli adesivi sul
vetro nella posizione in cui vediamo la Luna e quindi potremo poi
misurare la distanza dell’adesivo dalla base e dallo spigolo laterale della
finestra.
Un suggerimento: tabula i dati e conservali su un quaderno, la raccolta
finale dei dati non funziona, molto spesso qualcuno pulisce i vetri e mesi
di osservazione vengono “sprecati”.
Ripetiamo questa osservazione distanza di alcuni giorni una dall’altra ed
ancora a distanza di alcuni mesi.
Come è cambiata la posizione della Luna?
In realtà la posizione della Luna rispetto alla base della finestra cambia
notevolmente al variare delle stagioni sembra un po’ fare l’inverso di
quello che fa il Sole: in estate la Luna è bassa sul nostro orizzonte,
d’inverno invece è alta.
2. Sarà questa presenza strana della Luna a permettere
il cambio di stagione?
Ed ora occupiamoci del Sole cioè la nostra stella, ma…
Importante:
non fissare mai il
Sole direttamente,
può danneggiarti gli
occhi!
Come facciamo ad osservare il Sole?
Per osservare il Sole
occorre guardarlo
sempre assolutamente protetti da
maschere da saldatore, filtri, occhialini da eclisse o, anche dalla nebbia in
questo caso estremamente utile che ci permette di guardarlo direttamente e
forse anche al mattino quando sorge o la sera al tramonto quando è visibile
come una bella sfera rossa e senza raggi!
Fig. 1- Immagini di osservazione in una scuola materna dell’I.C. di Monterenzio
dove si è svolto un progetto laboratoriale di scienze dalla scuola dell’infanzia
alla scuola secondaria di primo grado.
Il Sole è la stella più vicina alla Terra e quindi è più facilmente osservabile
rispetto alle altre stelle. Lo vediamo con maggiore dettaglio ed accuratezza di
quanto non facciamo con le altre stelle.
La fotosfera solare (cioè la superficie visibile del Sole) emette luce... Possiamo
pensare che la luce osservata, o meglio la radiazione, che noi osserviamo è
quella che esce dalla parte più esterna della fotosfera anche se viene prodotta
nella parte più interna del Sole, cioè nel suo nucleo.
Fig.2 – rappresentazione del Sole. Sono visibili nel disegno le diverse parti in
cui gli astronomi suddividono il Sole a seconda dei diversi fenomeni che vi
avvengono.
I tanti disegni del Sole come quello visibile nella pagina precedente non sono
necessariamente la realtà, ma rappresentano la struttura che gli astronomi
pensano abbia il
Sole, cioè sono modelli costruiti tenendo conto di tutte le
informazioni a nostra disposizione.
Ma come ottenere informazioni relative al Sole?
Osservandolo… sembra la risposta più ovvia, ma possiamo osservarlo, sempre
tenendo conto del fatto che non lo dobbiamo osservare direttamente, in diversi
modi e quindi esaminarne diversi aspetti:
1. è possibile osservarne l’aspetto esterno.
2. è possibile osservarne invece lo spostamento che, nell’arco di una
giornata, compie rispetto a un riferimento sulla Terra.
3. è possibile analizzare la sua luce utilizzando strumenti tipici degli
astronomi, cioè gli spettroscopi.
4. è possibile osservare le stelle o i corpi celesti che vediamo nel cielo un
attimo prima o subito dopo il tramonto… questo ci dirà molto poco del
Sole in sé, ma ci dirà invece molto sulla sua posizione rispetto ad altri
corpi celesti.
5. è possibile occuparsi del Sole come del corpo più grande di quello che si
chiama Sistema Solare proprio nel tentativo di definirne le dimensioni, le
grandezze…
1. Osserviamo l’aspetto esterno del Sole.
Poiché non lo possiamo osservare direttamente possiamo eseguire quella che si
chiama una “osservazione indiretta”, ad esempio possiamo far passare la sua
luce attraverso un binocolo o un piccolo telescopio e raccogliere “quello che
passa” su un cartoncino. Otterremo sul cartoncino una macchia luminosa.
Questa macchia luminosa è il disco solare.
Un esempio di questo è visibile nella chiesa di San Petronio di Bologna dove il
disco solare che si proietta sul pavimento della chiesa è decisamente grande,
oppure in altre meridiane a foro gnomonico.
2 . Il Sole in un foglio
riale:
1.
•
un binocolo con un oculare chiuso,
•
un cavalletto su cui poter fissare il binocolo,
•
un treppiede,
•
un cartoncino bianco.
Preparare un binocolo chiudendo uno degli oculari, o un piccolo
telescopio dopo averlo ben sistemato su un cavalletto.
2.
Preparare un foglio di cartoncino rigido su cui fissare un foglio di carta
bianca da porre dietro l’oculare del binocolo.
3.
Orientare il binocolo in modo che l’immagine del Sole venga proiettata
sul cartoncino bianco.
Osservazione: Disegnare il contorno della macchia luminosa che appare sul
cartoncino.
Vedere se ci sono macchie scure e disegnarle.
Quali elementi consideriamo in questa osservazione?
Possiamo disegnare la macchia luminosa che rappresenta il Sole e le macchie
scure che sono le macchie solari. Possiamo comunque vedere:
•
come velocemente si muove il Sole: dovremo infatti rincorrere la
macchia luminosa del Sole per poterla osservare sulla carta;
•
evidenziare
che le macchie solari si muovono sulla superficie del Sole
stesso nell’arco della giornata;
•
evidenziare che si muovono anche nell’arco di una settimana spostandosi
sempre più a destra nel disco solare e quindi a sinistra nell’immagine
riflessa sul cartoncino;
•
mettere quindi in evidenza il rovesciamento dell’immagine che si sta
osservando.
Possiamo misurare le dimensioni delle macchie confrontandole poi con quelle
del Sole stesso (ricordiamo che il diametro della macchia luminosa rappresenta,
nella proiezione, il diametro del Sole). Possiamo misurare, con un righello, il
diametro della macchia luminosa e il diametro della macchia solare. Possiamo
quindi, ricordando che il diametro del Sole è 109 volte circa quello della Terra,
confrontare le dimensioni della macchia con quelle della nostra Terra.
2. Osserviamo lo spostamento che, nell’arco di una giornata, il Sole
compie rispetto a un riferimento sulla Terra.
Possiamo fare questa osservazione in molti modi, ma uno dei più efficaci è
quello di passare attraverso la mediazione delle ombre.
3. Le ombre della matita
Materiale:
•
una matita,
•
una puntina da ingegnere,
•
un foglio di cartoncino bianco.
Scegliere una matita ben piatta da una parte in modo da poterla fissare bene
al cartoncino mediante una puntina da ingegnere.
Far in modo che la matita resti ben diritta (deve cioè essere perpendicolare al
piano su cui appoggiamo il foglio). Porre il foglio in modo che sia ben
illuminato dal Sole. Osservare e disegnare l’ombra della matita dopo aver
definito l’intervallo in cui ripetere l’osservazione e le esperienze.
Prestare attenzione a:
•
come è la posizione dell’ombra rispetto alla matita;
•
come varia questa ombra al passare delle ore;
•
osservare anche la lunghezza delle ombre.
Lasciare tutta la strumentazione ferma ed osservare:
•
come varia la posizione dell’ombra in giornate diverse;
•
controllare la lunghezza delle ombre alla stessa ora (letta sull’orologio)
in giornate diverse.
Ma possiamo invece fare noi le matite… e studiare come si modifica la nostra
ombra al passare delle ore.
Fig. 3 – un momento di studio delle ombre presso la scuola elementare L.
Tempesta di Bologna dove è stato svolto un progetto di didattica della Scienza
in verticale dalla prima alla quinta elementare.
3. Cosa succede alla nostra ombra?
Possiamo fare una analogia con la matita?
Esperienza 3
Osservazione del Sole durante i mesi.
Possiamo rifare l’esperienza dell’ombra in periodi diversi dell’anno.
Sicuramente i segni che abbiamo lasciato col gesso non si saranno
conservati, quindi questo metodo di raccolta non funziona più… sicuramente
dovremo trovare il modo di fissare bene anche la posizione in cui poniamo la
matita o ancora in cui disegniamo il contorno dei nostri piedi, oppure
possiamo andare ad osservare una meridiana e vedere come variano le
ombre.
4. Sarà questa presenza diversa del Sole a dare origine
alle variazioni stagionali?
3. Possiamo analizzare la luce del Sole.
Lo spettroscopio2 è uno strumento utilizzato dagli astronomi per scomporre la
luce (radiazione luminosa visibile). Un fascio luminoso viene fatto passare
attraverso una fenditura e colpisce un prisma o un reticolo di diffrazione; la
luce si scompone originando così lo “spettro”.
Esaminando lo spettro così
ottenuto si riescono ad identificare gli elementi che lo hanno prodotto.
4. Lo spettroscopio: costruzione.
riale:
•
il cartone interno cilindrico di un rotolo di carta igienica;
•
due quadrati di cartone nero leggermente più grandi del diametro del
cilindro sopra detto (quindi circa 7 cm di lato);
•
colla, un cutter;
•
forbici, nastro adesivo nero, un pezzetto di CD (che possa essere
tagliato).
In un quadrato di cartone nero tagliare esattamente al centro una fenditura
larga 0.3 cm e lunga 1.5 cm. La fenditura deve essere molto nitida e può
essere migliorata incollando due pezzi di nastro adesivo nero ai lati lunghi
della fenditura in modo da restringerla ulteriormente; oppure, come nella
foto sotto, si possono usare due mezze lamette. Il cartoncino, così
preparato, può essere incollato al rotolo cilindrico in cartone.
2
L’idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica(www.polare.it
modulo 7) e dalle schede di costruzione di uno spettroscopio visibile sul sito http://asdwww.larc.nasa.gov/edu_act/simple_spec.html e successivamente rielaborata per problemi di costi complessivi dello
strumento stesso.
La scelta di utilizzare il cartone di forma quadrata è stata dettata da un
problema di tempi di asciugatura della colla. I ragazzi taglieranno soltanto
successivamente i cartoncini della stessa forma del tubo eventualmente
coprendo il bordo con nastro adesivo nero per
impedire l’entrata di luce che disturba l’osservazione.
Nel secondo quadrato esattamente al centro tagliare una finestrella quadrata
di 1 cm di lato come si vede nella figura sotto.
Su questa finestrella quadrata deve essere appoggiato il reticolo di
diffrazione che può essere facilmente trovato nei CD ormai inutilizzati. In
particolare il reticolo è inserito nel
supporto in plastica dei CD. Basta
tagliare un CD (deve essere un CD a bassissimo costo in quanto la parte
alluminata potrà essere levata rapidamente, evitare accuratamente i CD
riscrivibili e quelli a doppia protezione) e prenderne un pezzetto quadrato di
lato 2 cm; per questa operazione di taglio si possono tranquillamente
utilizzare normalissime forbici.
Il reticolo non deve essere danneggiato, occorre pertanto levare la pellicola
argentata
senza “grattare” la parte plastica. Per fare ciò basta appoggiare
sulla parte di alluminio un pezzetto di nastro adesivo e sollevarlo poi
rapidamente; sul nastro adesivo rimane l’argentatura che va gettata, a noi
serve la parte plastica trasparente.
Fig. 4- Un momento di quella che i ragazzi definiscono “la depilazione” del CD e l’incollatura finale.
Questo pezzetto di plastica va appoggiato sulla finestrella e fissato con
adesivo nero.
Adesso il secondo cerchio di cartone è pronto e deve essere incollato sul
rotolo cilindrico che
risulta essere oscurato alle due parti: noi porremo
l’occhio per guardare dalla parte del reticolo mentre la fenditura deve essere
rivolta verso la luce.
Ed ora come usare lo strumento appena costruito?
Si osservino, attraverso lo strumento, gli spettri della luce prodotta da lampade
diverse. I ragazzi possono disegnare ciò che vedono:
•
lo spettro di una lampada a filamento (lampada ad incandescenza);
•
lo spettro di quella che possiamo considerare una “normalissima lampada
“ di un’aula, quella che chiamiamo comunemente una lampada al neon;
•
lo spettro di una lampada a filamento, ma con copertura colorata.
Ma possiamo anche osservare gli spettri di tutte le lampade che troviamo in
giro per la città.
Come fanno gli astronomi a sapere di quali elementi è composta una
stella?
Si può pensare che quello che abbiamo fatto con una lampada possiamo farlo
anche con il Sole: raccogliamo la sua luce, la scomponiamo con uno
spettroscopio. Poiché ogni elemento chimico ha il suo spettro di emissione (e
quindi anche un suo spettro di assorbimento) se
studiamo tutte le righe
presenti nella luce che abbiamo raccolto e che abbiamo scomposto, possiamo
dedurre quali elementi sono contenuti nella stella.
4. Osserviamo le stelle o i corpi celesti che vediamo nel cielo un attimo
prima o subito dopo il tramonto…
Poiché il Sole è tramontato possiamo osservare anche con un cannocchiale3 e
quindi costruiamone uno.
Il cannocchiale è il tipico strumento da “astronomi” che permette di raccogliere
la luce (radiazione visibile). La luce proveniente da un corpo celeste entra nella
lente, attraversa il tubo del cannocchiale, esce dalla lente sulla parte opposta
dove viene raccolta dall’occhio dell’osservatore.
3
L’idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica (www.polare.it
modulo 3) quando lavorando con i bambini si rese necessaria la semplice costruzione di un cannocchiale che servisse
per
una
prima
osservazione.
L’idea
della
lente
da
macchina
fotografica
è
stata
presa
da
http://www.funsci.com/fun3_it/cann/cann.htm#1 ed utilizzata per l’esecuzione dei Laboratori didatidici ideati per la
Mostra di Stra’.
La tabella degli elementi con spettri in emissione e in assorbimento è visibile in http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html
5 . Un cannocchiale: costruzione.
riali:
•
due tubi di cartone lunghi circa 70 cm e di diametro di circa 62 mm
(può essere utilizzato il cartone che serve per tenere raccolte tele o tessuti);
•
una lente da occhiali da 1.5 diottrie e diametro 6 cm (questa ha una
distanza focale 1/1,5 cioè circa 66 cm) che costituirà l’obiettivo;
•
una lente di circa 2 cm di distanza focale (può essere l’obiettivo di una
macchina fotografica usa e getta dopo essere stata utilizzata). Questa lente
costituirà la lente dell’oculare;
•
un pezzo di canalina da elettricista cilindrica (o un tubo di cartone) di
circa 20 cm di lunghezza e diametro 2 cm;
•
un taglierino; una riga, una matita, un po’ di colla e di nastro adesivo
nero.
Costruzione del corpo del cannocchiale:
Uno dei due tubi da 70 cm costituirà il corpo del cannocchiale, l’altro invece
servirà per costruire delle ghiere da inserire all’interno per tenere ferma la
lente.
Per fare
questo basta tagliarne due pezzi di 3-4 cm di altezza.
Andranno successivamente tagliati in verticale e ne andrà tagliato, sempre in
verticale, una piccola fetta: in questo modo il cartone potrà essere stretto ed
inserito all’interno del tubo costituendo così una specie di molla.
Una di queste ghiere va fissata con la colla ad una estremità del tubo,
lasciando lo spazio sufficiente per la lente e per la seconda ghiera
(quest’ultima serve ad impedire la caduta della lente). Appoggiarvi sopra la
lente e incollare la seconda ghiera.
Costruzione dell’oculare:
Costruire un tubo di cartoncino nero di diametro leggermente più piccolo
della lente rimasta. Il bordo della lente deve essere incollato sul bordo del
tubo (questo piccolo tubetto va inserito all’interno della canalina). Portare a
dimensioni corrette il tubetto arrotolandovi attorno del cartoncino nero
finché non risulta essere perfettamente inserito nella canalina.
Fig. 5- momenti di costruzione dell’oculare in una scuola media di Bologna.
A questo punto occorre tornare a costruire pezzi di tubo come nel punto
precedente, ma più lunghi fino a far sì che la canalina sia perfettamente
inserita nel corpo del cannocchiale. L’oculare deve poter scorrere all’interno.
Occorre prestare molta attenzione a che le due lenti risultino perfettamente
allineate, altrimenti le immagini non sono buone. Si può procedere al
miglioramento dell’osservazione coprendo con carta adesiva vellutata nera
tutte le parti interne del cannocchiale in modo da evitare riflessi.
Dopo tutta questa costruzione, dal cannocchiale riuscirai a vedere?
Puntare un oggetto lontano ed osservare. Si suggerisce di osservare o il bordo
del tetto della casa, o la cima di un albero, in questo modo risulta
particolarmente evidente che l’immagine è rovesciata. Questo fenomeno (una
semplice applicazione dell’ottica geometrica) che in genere
meraviglia
tutti,
anche chi se lo aspetta, rende difficile “comprendere” o meglio identificare cosa
si sta guardando.
Fig.6- Un momento di osservazione.
Ricordiamo che i corpi da osservare devono essere molto lontani, altrimenti non
si apprezzano i particolari.
Occorre comunque tener presente che lo strumento deve essere tenuto ben
stabile
(eventualmente
appoggiandolo
su
fotografica o sulle spalle di un compagno)
osservazione.
un
cavalletto
per
per poter eseguire
macchina
una buona
In queste sere, non appena il Sole è tramontato osserviamo il cielo… bene,
vedremo subito, cercando il punto cardinale Sud e alzando gli occhi verso il
cielo, un oggetto molto luminoso. Per un bel po’ di tempo è l’unico oggetto
visibile nel cielo.
Cosa sarà questo corpo celeste4?
Possiamo considerare:
1. le dimensioni.
2. il tipo di luce.
3. studiarne il movimento nell’arco di una serata.
4. in che parte di cielo si trova, ovviamente sperando di saperci orientare.
E’ sicuramente più grande rispetto alle altre “stelle”, se lo guardiamo con
attenzione sembra un piccolo dischetto illuminato. Lo vediamo verso Sud e poi
sembra muoversi più velocemente rispetto, quindi è sicuramente più vicino a
noi che osserviamo.
Se fossimo astronomi e avessimo uno spettroscopio sufficientemente “potente”
potremmo
raccoglierne la luce per scomporla… ma questo non lo possiamo
fare.
Proviamo a guardarlo con il cannocchiale appena costruito (o con un binocolo):
forse vedremo delle piccole sferette luminose attorno a lui. Il corpo celeste che
stai guardando è Giove e le sferette sono i quattro satelliti detti Medicei o
Questa esperienza rappresenta un momento finale di elaborazione sviluppato durante il
progetto “Progettare per comprendere/learning from starlight” svolto nell’anno scolastico 20042005 in collaborazione con INAF- Osservatorio Astronomico di Padova.
4
Galileiani. Se il cannocchiale è stato costruito bene puoi fare l’osservazione che
fece Galileo tantissimi anni fa, altrimenti… ti conviene usare un buon binocolo.
Se fai questa osservazione in alcune serate particolari, puoi vedere anche la
Luna.
5. Se hai fatto le osservazioni della Luna puoi decidere
in quale serata questa è visibile nel cielo?
Ma uno dei problemi maggiori che si incontrano quando si osserva il cielo
notturno è quello di orientarsi. Come fare?
Gli antichi utilizzavano uno strumento, il notturnale o notturnilabio che
permette di orientarsi nel cielo notturno utilizzando le stelle del Carro Maggiore
(quella specie di mestolo che da Bologna vediamo sempre nel cielo! Basta che
sia sereno!)
3. Il notturnale: costruzione
Materiale:
•
una copia del disegno sotto riprodotto in cartoncino,
•
un ferma-campione,
•
una serata serena.
Costruzione
Tagliare esattamente lungo la circonferenza esterna lo strumento. La parte
interna va conservata.
Tagliare le due lancette e la finestrella nella lancetta indicata con A.
Sovrapporre dal basso verso l’alto, nell’ordine: la lancetta B, il cerchio, la
lancetta A e fissare un ferma-campione in corrispondenza della due crocette
e del centro del cerchio che devono risultare perfettamente sovrapposti. Il
tutto deve poter ruotare.
Come usarlo:
Ruotare B sulla data del giorno in cui si effettua l’osservazione del cielo, la
freccia deve essere diretta in basso, lo strumento va tenuto in mano dalla
freccia B. ( ci si deve rivolgere verso il punto cardinale Nord).
Ruotare A finché questa nuova freccia si diriga
verso le due stelle che
costituiscono i puntatori del Carro Maggiore (il ferma-campione coincide con
la stella Polare).
Nella finestrella compare l’ora in cui si effettua l’osservazione.
Lo strumento originale notturnale o notturnilabio di cui questo è una
semplificazione, permetteva di determinare appunto l’ora di osservazione
attraverso la rotazione delle stelle attorno alla Polare quando non erano
ancora utilizzabili gli orologi.
5. Occupiamoci ora di Sole, Luna e Terra
Perché proprio Sole e Luna?
La Luna è il satellite della Terra, pertanto risente della attrazione gravitazionale
della Terra, la sua distanza dalla Terra è decisamente piccola rispetto a quella
della Terra dal Sole.
Partiamo dal Sistema Sole-Terra-Luna. Ecco un semplice schema in cui sono
presenti diametri e distanze della Terra dal Sole e della Luna dalla Terra (le
dimensioni e le distanze sono arrotondate per semplificare i calcoli).
Sole (diametro)
= 1400000
km
Terra (diametro) =
13000
km
Luna (diametro) =
(distanza media dal
Sole)=
150000000 km
3500 km
(distanza media dalla Terra) =
384000 km
Proviamo ad immaginare di costruire una rappresentazione in scala.
Che cosa ti aspetti succeda?
Se la rappresentazione è corretta dovremmo riuscire, se ci poniamo nella
posizione in cui mettiamo la Terra, a nascondere l’oggetto che rappresenta il
Sole con quello che rappresenta la Luna. Dovremmo cioè riuscire a determinare
un’eclisse di Sole.
Forse è meglio che spieghiamo meglio quello che intendiamo:dovremmo
riuscire a determinare, nella nostra rappresentazione, un fenomeno analogo a
quello che succede nella realtà quando parliamo di eclisse di Sole.
Esperienza 4
Riproduzione del Sistema Sole-Terra-Luna
Supponiamo di avere come Sole una sfera enorme, di quelle che usate in
palestra, quella da motoria in genere si trovano fino alle dimensioni di 1,4
metri di diametro. Bene possiamo porre questa sfera a rappresentare il Sole.
La Terra risulta quindi essere circa 0,13 metri di diametro, cioè circa 13
centimetri. La Luna ha un diametro di 3,5 centimetri.
A quale distanza dovremo mettere i singoli corpi in modo da
rispettare le scale che abbiamo scelto?
La scala per i diametri risulta di 1 a 1000000000 se vogliamo riprodurre la
stessa situazione per le distanze, la distanza Terra Sole risulterà essere di
circa 150 metri, mentre la distanza Terra Luna srà di 0,38 metri, cioè di 38
centimetri.
Le dimensioni sono adesso “facilmente” riproducibili e quindi potete
tranquillamente provare se succede davvero quanto detto.
Il 3 ottobre 2005 ci sarà una eclisse di Sole soltanto parziale, per la zona in cui
abitiamo noi.
osa prevedi succederà?
Quale corpo celeste non ci permetterà di vedere il Sole
anche se solo parzialmente?
Ecco una tabella in cui sono raccolti un po’ di dati che ci sono forniti dagli
astronomi rispetto alle dimensioni del Sistema Solare e dei corpi che lo
compongono. In particolare notare in fondo alla tabella la fascia di Kuiper e la
nube di Oort; sono zone di cui si è scoperta l’esistenza attorno al 1950, zone
comunque che risentono dell’attrazione gravitazionale del Sole e che quindi
dobbiamo considerare parti di esso.
Distanza dal Sole in
Diametri
milioni di Km
in Km
Sole
Mercurio
1400000
58
5000
Venere
108
12000
Terra
150
13000
Marte
228
8000
Giove
778
140000
Saturno
1420
120000
Urano
2900
50000
Nettuno
4500
45000
Plutone
5900
3000
Fascia di Kuiper
Nube di Oort
Fino a 150000
Fino a 150000000
Consideriamo adesso soltanto le distanze e facciamo questa prova:
Esperienza 5
da eseguire all’aperto o in un lungo corridoio, ma deve
essere veramente lungo!
Prendi come unità di misura la distanza Terra- Sole = 150000000 km circa
e ponila uguale a un passo.
Fissa all’inizio del corridoio una bandierina che rappresenta il Sole; a un
passo di distanza poni un’altra bandierina che rappresenta la posizione
della Terra.
In questa zona tra le due bandierine devi mettere Mercurio e Venere…
dove?
7. A quale distanza tra di loro?
Procedi tu con i
calcoli…
A 40 passi dal Sole c’è Plutone, il più lontano dei pianeti, solido.
A quanti passi metteresti la fine della fascia di Kuiper?
Se fai una divisione fra la misura stimata dagli astronomi e la tua unità di
misura arrivi a 1000 passi.
In questa zona detta “fascia di Kuiper” sono contenuti gli asteroidi: corpi
solidi, rocciosi, di dimensioni e forme abbastanza diverse le une dalle
altre. Gli asteroidi infatti possono avere forme tonde, a sigaro o anche più
irregolari, e dimensioni che vanno dalle decine alle diverse centinaia di
chilometri. Questa zona però ha la forma di un disco piuttosto spesso.
A quanti passi metteresti la fine della nube di Oort?
Fai ancora una divisione… ottieni 100000 passi; questa è la
“nube di
Oort” che contiene miliardi di nuclei di comete, “sassi” delle dimensioni di
qualche chilometro ricoperti da uno strato di gas ghiacciato.
Bene adesso prova a pensare che
se l’unità di misura fosse un metro,
invece che un passo, il limite estremo della nube di Oort disterebbe dal
Sole 100000 metri che sono… 100 km, cioè la distanza tra Bologna e
Rimini!!!
Dopo aver fatto l’esperimento hai visto quanto piccola sia la zona dei pianeti
rispetto alla grande “palla” della Nube di Oort, che delimita all’esterno il
Sistema Solare.
E adesso prendiamo in esame sia le distanze che i diametri ed poniamoci il
seguente problema:
Vogliamo costruire una riproduzione in scala del Sistema Solare, vogliamo cioè fare una
carta geografica del Sistema Solare. Per semplificarci un po’ la vita cominciamo dal
Sistema di pianeti che sta attorno al Sole cioè del sistema planetario e riprendiamo i valori.
Ma qui lasciamo un bel punto di domanda per invitarti a fare un
po’ di calcoli… mettiamo solo alcuni valori.
8.
(in fondo al fascicolo puoi però trovare le soluzioni!!!)
Dopo che hai fatto i calcoli prova a pensare quanto spazio ti serve per poter
riprodurre il sistema planetario in scala. Realmente le distanze sono enormi e
come hai visto, se hai letto le pagine precedenti, il sistema planetario del
nostro Sistema Solare occupa una ben piccola parte di tutto il Sistema.
… ma procediamo con ordine e cominciamo a costruire i nostri oggetti.
Distanza dal
Distanza dal
Diametri
Diametri in
Sole in
Sole in metri
in Km
mm
1400000
140
milioni di Km
Sole
Mercurio
Ric
orda
però
che è
58
5000
Venere
108
12000
Terra
150
Marte
228
8000
Giove
778
140000
Saturno
1420
120000
Urano
2900
50000
Nettuno
4500
45000
cosa
Plutone
5900
3000
accadre
15
13000
soltant
1.3
14
o una
rappre
sentazi
one!
La
stessa
bbe se volessimo rappresentare in scala la nostra stanza, o Bologna, o l’Italia…
in questo caso particolare però stiamo costruendo una rappresentazione
tridimensionale, vogliamo cioè vedere anche la quantità di materia che è
contenuta nei singoli corpi. Diventa tutto più complicato, ma forse le
complicazioni nascono dal fatto che le distanze stimate dagli astronomi (e che
noi troviamo in tabella) sono enormi e i diametri invece sono minuscoli.
Qui non abbiamo messo gli zeri, ma potrebbe essere invece interessante
vedere quanti sono!!! … e ne trovi tanti nella tabella delle distanze, pochissimi
invece in quella dei diametri!!!
Esperienza 6
da eseguire prima5 in casa e poi in un lungo viale… ad
esempio prendiamo Strada Maggiore partendo dal
centro, cioè dalla base delle Due Torri.
In casa:
Prendi una palla di 14 cm di diametro che rappresenterà il Sole.
Da un panetto di plastilina ricava le sferette di dimensione adatta ai valori
che hai calcolato.
Riesci a costruirli?
Le dimensioni sono decisamente piccole!!! Sicuramente avrai problemi con
Mercurio, Venere, Terra, Marte, Plutone… beh con la maggior parte dei
pianeti!
Se proprio non riesci prova almeno a far risaltare la differenza tra i
diversi corpi… ma cerca il più possibile di mantenere le dimensioni!!!
Un suggerimento prima di andare a posizionare i pianeti nella strada:
prepara dei fogli con il nome dei pianeti su cui potrai posizionare le piccole
sferette che hai costruito.
9. Quale tra i corpi del Sistema Solare è quindi
il più grande?
In Strada Maggiore:
5
La prima esperienza di questo tipo è stata organizzata nel 1994-95 ai Giardini Margherita di
Bologna a termine di un percorso di astronomia di una quinta elementare delle scuole Carducci
e delle scuola Ercolani (si è così ottenuto il video Pianeti nel parco presentato ad Atene); l’anno
successivo le classi quinte delle scuole Fortuzzi hanno rielaborato la stessa esperienza in uno
splendido libro visibile nel sito: www.pd.astro.it/librone/home.html .
Ed ora dalle Due Torri cominciamo a posizionare i diversi corpi.
Proprio sotto le Due Torri mettiamo il Sole (attenzione se usi una palla…
rischi sicuramente di non trovarla più!)
A circa 5.8 metri metti Mercurio, a 10.8 metri metti Venere… e cosi’ via…
… fino ad arrivare a Plutone che all’incirca se hai misurato bene, puoi
posizionare alla Chiesa dei Servi (hai presente dove ti trovi???).6
Osserva quanta distanza c’è tra un corpo e l’altro e quanto poco materiale
hai utilizzato.
10. Dove andresti a posizionare il nucleo
cometario più lontano della nube di Oort?
Al termine del lungo cammino raccogli tutti i pezzetti di plastilina che hai
lasciato per strada, mettiamoli tutti assieme e confrontali con le
dimensioni di quella pallina che hai lasciato sotto le Due Torri.
Tutti assieme sono ben più piccoli della palla.
11. Dove è quindi contenuta tutta la materia
del Sistema Solare?
6
Una esperienza analoga è stata organizzata nel 1999-2000 con la quinta delle scuole
Cremonini Ongaro proprio lungo Strada Maggiore.
Riesaminiamo brevemente le cose di cui abbiamo parlato relativamente al
Sistema Solare:
1. è enorme, con la scala utilizzata arriviamo ben oltre Rimini e i pianeti
sono realmente dei puntini.
2. lo spazio dentro al sistema Solare è in pratica vuoto, tutta la materia è
contenuta nel Sole.
Il Sistema Solare è quindi formato da.
•
il Sole unica stella,
•
9 pianeti,
•
un centinaio di satelliti,
•
migliaia di asteroidi molti dei quali racchiusi nella fascia di Kuiper,
•
milioni di nuclei cometari molti dei quali “racchiusi” nella nube di
Oort.
Considerare il Sistema Solare come costituito soltanto da Sole e pianeti è
estremamente riduttivo, soprattutto se teniamo conto delle dimensioni enormi
sia della fascia di Kuiper che della Nube di Oort che pure fanno parte del
Sistema Solare7.
Possiamo dire che il Sistema Solare è “vuoto di materia”8…
Molto spesso nei libri di testo rivolti a ragazzi delle scuole elementari si parla di Sistema
Solare comprendendo solo Sole e pianeti. Se si può in parte considerare questa come una
approssimazione, occorrerebbe che questo fosse ben dichiarato, altrimenti si introducono
misconceptions notevoli soprattutto per quanto riguarda l’importanza della nostra Terra e dei
pianeti rispetto alle dimensioni reali dei corpi che entrano in gioco nel Sistema Solare.
8
Il termine è stato coniato durante il coordinamento di Cielo! (2000) e da allora lo abbiamo
utilizzato proprio in riferimento alla scarsità di materia visibile in queste rappresentazioni in
scala del Sistema Solare.
7
Ci sarà qualcosa che, partendo dal Sole, arriverà fino all’ultimo nucleo
cometario della nube di Oort?
Facciamo finta che una torcia sia il Sole:
Esperienza 7
Materiale:
•
una torcia,
•
una stanza buia,
•
un foglio di carta.
Nella stanza buia accendi la torcia e avvicina il foglio di carta alla torcia
illuminata, dalla parte da cui esce la luce.
Come appare il foglio?
Allontana il foglio dalla torcia, come cambia il foglio?
Più o meno illuminato?
Confronta come appare il foglio in questa seconda posizione rispetto alla
prima posizione.
Allontana sempre di più il foglio. Il foglio apparirà sempre meno “luminoso”.
12. Puoi pensare che la stessa cosa accada anche al
Sole e che i pianeti e gli altri corpi del nostro sistema
possano essere considerati simili al foglio?
Di seguito una tabella riassuntiva sui pianeti del Sistema Solare e sulle loro
caratteristiche.
Pianeta
Distanza dal
Sole
(km)
Mercurio
58.000.000
4.864
108.000.000
Venere
Terra
150.000.000
Dia
metro
(km)
Periodo
di
rotazione
confronta
to con il
giorno
terrestre
Periodo
di
rivoluzio
ne
confron
tato con
l’anno
terrestre
N°
satel
liti
55 d 88 d
0
12.104
243 d 225 d
0
12.756
1d 1d
1
Marte
228.000.000
6.796
Giove
778.000.000
142.988
1 d 30m 1 a 4m
2
10 h 12 a
39
Saturno
1.420.000.000
120.660 10h 14m 29 a
18
Urano
2.890.000.000
51.118 17h 14m 84 a
20
Nettuno
4.448.000.000
49.500
16h 3 m 165 a
7
Plutone
5.900.000.000
2.302
6 d 9 h 248 a
1
Composi
zione
dell’atmo
sfera
Non ha
atmosfera
Anidride
carbonica,
azoto
Azoto,
ossigeno,
argo
Anidride
carbonica,
azoto, argo
Idrogeno,
elio
Idrogeno,
elio
Idrogeno,
elio,
metano
Idrogeno,
elio,
metano
Azoto,
metano,
monossido
di carbonio
Ricordiamo comunque che le scoperte in campo astronomico sono in continua
evoluzione anche per quanto riguarda i corpi celesti più vicini a noi e che fanno
parte del nostro Sistema Solare.
Domanda…
Risposta
Sì, la Luna è visibile durante
1. Vi siete mai accorti se la
le ore diurne e la parte che
Luna la si vede durante il dì?
vediamo
(pag 6)
bianca) è rivolta verso il Sole.
La
(che
vediamo
ci
cioè
appare
perché
è
illuminata dal Sole.
No,
2.
Sarà
questa
presenza
la
Luna
illuminato
dal
è
un
corpo
Sole,
non
strana della Luna a permettere
produce luce lei direttamente,
il cambio di stagione? (pag 8)
quindi
la
sua
altezza
sull’orizzonte non modifica le
condizioni sulla Terra e quindi
il cambio delle stagioni.
Sì, la nostra ombra si modifica
3. Cosa succede alla nostra
e si sposta, come quella della
ombra?
matita, al passere delle ore.
Possiamo fare una analogia
L’unica problema è che per
con la matita? (pag 14)
fare un confronto dobbiamo
essere
sicuri
di
assolutamente fermi.
stare
Sì, la presenza del Sole più
4.
Sarà
questa
presenza
alto o più basso sull’orizzonte
diversa del Sole a dare origine
e una sua
alle
sopra
variazioni
stagionali?
(pag. 15)
presenza, sempre
l’orizzonte
per
un
numero diverso di ore, origina
il cambio stagionale.
5. Se hai fatto le osservazioni
Sì, la Luna la si vede dio sera
della
Luna, puoi decidere in
ogni circa 29 giorni, e per un
quale serata questa è visibile
bel po’ di serate consecutive.
nel cielo? (pag. 24)
E’ quindi un discorso di fasi
lunari.
La Luna si trova a passare tra
6. Cosa prevedi succederà?
la Terra e il Sole e la sua
Quale corpo celeste non ci
presenza oscurerà la luce del
permetterà di vedere il Sole
Sole, in analogia a quando con
anche se solo parzialmente?
una mano nascondiamo il viso
(pag. 28)
per non farci vedere: abbiamo
cioè una eclisse del nostro
viso.
Mercurio è a un terzo di passo
7. A quale distanza tra di loro?
dal Sole, Venere è a due terzi
(pag. 30)
di passo; Marte è a un passo e
mezzo; Giove è a 5 passi,
Saturno
Urano
a
a
circa
circa
10
passi,
30
passi,
Nettuno a 35 passi e Plutone
a 40 passi.
8.
Distanza dal
Distanza dal
Diametri
Diametri in
Sole in
Sole in metri
in Km
mm
1400000
140
milioni di Km
Sole
Mercurio
58
5.8
5000
0.5
Venere
108
10.8
12000
1.2
Terra
150
15
13000
1.3
Marte
228
22.8
8000
0.8
Giove
778
77.8
140000
14
Saturno
1420
142
120000
12
Urano
2900
290
50000
5
Nettuno
4500
450
45000
4.5
Plutone
5900
290
3000
0.3
9.
Quale
tra
i
corpi
del
Sistema Solare è quindi il più
Il Sole che è la nostra stella.
grande? (pag. 33)
10.
Dove
andresti
a
posizionare il nucleo cometario
più lontano dell nube di Oort?
(pag. 34)
A Rimini, cioè a circa 100 km
dalle Due Torri
11. Dove è quindi contenuta
Puoi confrontare tra tutti i
tutta la materia del Sistema
pezzetti di plastilina raccolti e
Solare? (pag. 34)
la sfera che rappresenta il
Sole. Quindi quasi tutta la
materia è contenuta nel Sole.
12. Puoi pensare che la stessa
Sì, più lontani sono dal Sole
cosa accada anche al Sole e
(torcia) meno è la quantità di
che i nostri pianeti o gli altri
radiazione (in particolare di
corpi
luce) che li colpisce.
del
possano
nostro
essere
sistema
considerati
simili al foglio? (pag. 36)