Dipartimento
Formazione e
Apprendimento
Il Giardino della Scienza
0CCHIO ALLO SPECCHIO
versione 5 marzo 2012
testi e fotografie di Agata Filippini e Giorgio Häusermann
1. L’OCCHIO
Come funziona l’occhio
La lente d’acqua (boccia)
Gli occhi sono due organi sferici costituiti da
membrane e mezzi trasparenti.
La parte anteriore dell’occhio è la cornea, una
sottilissima membrana di lamelle fibrose sovrapposte.
L’anello colorato è l’iride, al cui centro si apre un foro
nero, che permette alla luce di entrare. I raggi
luminosi attraversano la pupilla e il cristallino, una
lente rivestita da una capsula trasparente, che li
mette a fuoco. Sul fondo del globo oculare si trova la
retina, uno strato di cellule sensibile alla luce che
reagiscono all’immagine producendo un segnale
nervoso, che viene trasmesso al cervello dal nervo
ottico. Sei muscoli che collegano ogni globo orbitale
al fondo della cavità orbitale consentono il movimento
in ogni direzione.
La boccia riempita d’acqua funge da vera e propria
lente d’ingrandimento.
Essa, come il cristallino del nostro occhio, focalizza la
luce che l’attraversa. I raggi di luce provenienti
dall’oggetto (la candela), quando entrano nella boccia
colma di acqua, deviano dal loro percorso rettilineo (a
causa della rifrazione) e così fanno quando escono
dalla sfera. Gli unici raggi che non deviano sono quelli
che passano dal centro della boccia.
L’immagine
risulta
quindi
capovolta
rispetto
all’oggetto originale. Invertito risulta anche il suo
movimento: se l’oggetto si muove verso l’alto,
1
l’immagine va verso il basso, se si avvicina alla boccia,
l’immagine si allontana,…
Quando si ha miopia e
quando si ha presbiopia
*
Ogni lente, quindi anche il nostro cristallino ha un
fuoco, che è il punto in cui convergono, dopo averla
attraversata, i raggi di luce provenienti da una
sorgente lontana. La distanza del fuoco dal centro
della lente viene chiamata distanza focale.
Si ha miopia, quando il cristallino di uno o entrambi gli
occhi focalizza l’immagine davanti alla retina;
l’immagine sulla retina pertanto è sfocata. Chi è
miope non vede bene gli oggetti lontani.
Si ha presbiopia, quando il cristallino di uno o
entrambi gli occhi mette a fuoco l’immagine dietro la
retina; l’immagine sulla retina pertanto è sfocata. Chi
è presbite non vede bene gli oggetti vicini.
La miopia può essere corretta con occhiali dalle lenti
Lenti per migliorare la
vista (convesse e concave) concave, che convergono i raggi luminosi.
La presbiopia può essere corretta con occhiali dalle
lenti divergenti, che divergono i raggi luminosi.
*
Quali sono le condizioni
perché l’occhio veda
(luce/buio; pupilla)
*
Micrososcopio
Il nostro occhio percepisce il contorno e il colore
degli oggetti solo quando questi sono colpiti dalla
luce.
Quando la luce è scarsa, la pupilla si dilata per
catturarne la massima quantità possibile.
Dove c’è molta luce, invece, si contrae perché la luce
che raggiunge la retina non sia eccessiva e non la
danneggi.
Strumento usato per ingrandire le immagini di oggetti
molto piccoli o rivelare dettagli altrimenti invisibili,
costituito da una lente convergente o da due sistemi
di lenti (obiettivo e oculare).
*Immagini da : Brenda Walpole, Divertiamoci con la scienza. De Agostini, 1992.
2
2. VEDIAMO CIÒ CHE È VERAMENTE?
I nostri occhi trasmettono due immagini
Due occhi vedono meglio
leggermente diverse dell’oggetto osservato. Questo
di uno
è dovuto alla diversa angolazione dalla quale ogni
occhio guarda l’oggetto. Il cervello elabora le due
immagini e le interpreta in una sola immagine in
rilievo. Grazie alla visione contemporanea di un
oggetto da parte dei due occhi, il cervello è in grado
di stabilire la distanza degli oggetti. Perciò quando
un occhio è chiuso, il cervello fa molta fatica ad
avere una visione stereoscopica e quindi a coordinare
i movimenti.
Figure in movimento
**
Se gli occhi vedono due immagini in rapida
successione, il cervello può non riuscire a distinguere
le due immagini e quindi può riunire le immagini in una
sola, per esempio l’uccellino in gabbia oppure il
pesciolino nella boccia.
Se più immagini si susseguono rapidamente, le
vediamo in movimento.
Prima
dell’invenzione
del
cinematografo,
si
producevano immagini in movimento con gruppi di
disegno, ciascuno leggermente diverso da quello
precedente.
Barra grigia: L’estremità destra della barra è su
sfondo molto chiaro, che per contrasto la fa
apparire grigio scuro. L’estremità sinistra è al
contrario molto scuro, facendola apparire grigio
chiaro. Se mettiamo la barra su uno sfondo uguale, si
vede subito che è tutta dello stesso colore.
Cerchio bianco e nero: Muovendo la scheda, la parte
centrale sembra staccarsi dal resto dell’immagine e
tremolare. Questo è dovuto in parte al contrasto tra
il cerchio centrale e il resto dell’immagine.
3
Quadrato colorato: Muovendo la scheda, il quadrato
centrale sembra staccarsi dal resto dell’immagine e
muoversi per conto proprio. Questo è dovuto ai
disegnini sullo sfondo.
Frecce: Le due sezioni sono della stessa lunghezza,
anche se è difficile percepirlo. Le frecce verso
l’interno e verso l’esterno creano l’illusione che una
sezione sia più grande dell’altra.
Raggi e quadrato: La figura geometrica è un
quadrato perfetto. Tuttavia le linee diagonali creano
l’illusione che i lati siano leggermente obliqui.
Facce e vaso: L’immagine raffigura sia due profili sia
un vaso, dipende come la si guarda.
Donna giovane o donna anziana: L’immagine raffigura
una donna giovane e allo stesso tempo anche una
vecchia, dipende come la si guarda.
Il triangolo ci appare di un bianco diverso da quello
dello sfondo. Questo avviene perché il nostro
cervello ha deciso che lì c’è un triangolo.
Sorriso al contrario
Il nostro cervello non è abituato a vedere facce
capovolte e quindi il fatto che una delle due
fotografie è stata alterata, passa in secondo piano.
Solo quando le fotografie vengono girate e messe
diritte, ciò che si vede diventa più familiare e quindi
si avvertono le loro reali differenze.
Palla nella molla
Il movimento della molla fa sembrare che la pallina
4
all’interno si muova, anche se in realtà questa è
ferma.
Maialino
Un piccolo maialino è posto sul fondo e al centro di
un contenitore con un’unica apertura centrale sul
coperchio. La superficie interna del contenitore è
interamente ricoperta da una vernice che riflette
perfettamente. Questo sistema produce un’illusione
ottica: il maialino, infatti, sembra rimanere sospeso
all’esterno del contenitore sopra all’unica apertura.
Salvadanaio
La presenza di uno specchio posto sulla diagonale del
cubo salvadanaio ci mostra un’immagine intera ma
virtuale dell’interno del salvadanaio. In realtà lo
specchio pone anche una barriera diagonale
all’interno del salvadanaio che impedisce alla moneta
di cadere completamente ed essere visibile.
Salvadanaio a imbuto
Degli specchi ad angolo ci mostrano un’immagine
intera ma virtuale dell’interno del salvadanaio. In
realtà la moneta non attraversa l’imbuto, bensì cade
dietro gli specchi sopraccitati. Una lente posta di
fronte rimpicciolisce l’immagine della moneta.
** Immagini da: Schede creative Usborne
5
3. LA RIFLESSIONE
Specchio per sembrare di
essere in volo
Specchi affacciati
Specchio sul pavimento +
ombrello
Appoggiando il bordo dello specchio a metà corpo,
questo appare intero; lo specchio, infatti riflette la
metà del corpo che si trova davanti. L’immagine del
corpo sarà quindi composta da una parte reale (es.
parte destra) e da una parte virtuale (parte sinistra).
Se ci si mette a cavalcioni sullo specchio, sollevando
la gamba destra, sembra di volare !
Disponendo due specchi, uno di fronte all’altro in
modo parallelo, si ottengono immagini successive che
alternano la visione frontale con quella posteriore
dell’oggetto posto tra i due specchi. Se l’oggetto
originale è più vicino a uno specchio che all’altro,
l’alternanza della distanza tra immagini consecutive
sarà tale che esse sembreranno raggruppate a coppie,
con un lato frontale che guarda sempre un lato
frontale e un lato posteriore che guarda sempre un
lato posteriore.
La luce riflessa dal disegno o dal messaggio appeso
all’interno dell’ombrello, colpisce lo specchio posto sul
pavimento e torna indietro originando l’immagine
invertita.
Codificare un messaggio
segreto/ Disegnare o
scrivere con lo specchio
Gli specchi invertono le immagini (riflessione).
È difficile scrivere con uno specchio. Nel nostro
cervello sono rimasti incisi i movimenti della scrittura
e lo specchio ci confonde poiché la mano fa il
contrario di quello che vede l’occhio.
Specchio ad angolo con
Usando più di uno specchio, è possibile vedere un
oggetto da tutti i suoi lati, perché i raggi di luce
6
oggetti all’interno
rimbalzano da uno specchio all’altro. Mettendo due
specchi in piedi, fianco a fianco, e un oggetto di
piccole dimensioni in mezzo, si possono osservare più
immagini dell’oggetto. Il numero di immagini dipende
dall’angolo presente fra i due specchi; più l’angolo è
piccolo, più sono le immagini visibili.
7
4. RIFLESSIONE ALL’OPERA
Quando si è di fronte a due specchi, ognuno rovescia
Gioco: cosa c’è scritto
sulla sul retro della rivista l’immagine invertita dell’altro e quindi la raddrizza!
Una finestra nello
specchio
Caleidoscopi
Il nostro cervello è indotto a credere che l’immagine
riflessa nello specchio sia veramente l’altra mano. Se
poi si muove proprio la mano nascosta, il cervello si
aspetta naturalmente di vederla muovere (nello
specchio). Infatti i messaggi provenienti dai nervi di
quella mano dicono al cervello che la mano è in
movimento. L’apparente mancanza di movimento
risulta molto fastidiosa al cervello.
Le figure in un caleidoscopio sono create dalla luce
che rimbalza fra i tre specchi all’interno.
Periscopi
Un periscopio usa due specchi che rinviano le
immagini riflesse e consentono di vedere dietro un
angolo oppure di osservare oggetti troppo in alto per
essere visibili. La luce proveniente da oggetti fuori
dalla visuale viene riflessa dallo specchio superiore
verso lo specchio inferiore. Guardando in
quest’ultimo, si vede l’oggetto.
Occhiali a specchio
Questi occhiali, ai lati esterni delle lenti, sono
provvisti di piccoli specchi retrovisori, che
permettono di vedere ciò che accade dietro oltre che
di fronte.
Bocce di Natale
Ogni boccia funge da specchio convesso, cioè uno
specchio che presenta una gobba verso la sorgente di
luce. Gli specchi convessi producono immagini che
sono più piccole degli oggetti che vi riflettono.
Gli specchi convessi sono spesso usati come
specchietti retrovisori delle automobili, nelle curve a
8
gomito come specchi di sicurezza perché offrono un
ampio campo visivo. L’immagine riflessa in ogni boccia
è un po’ diversa da quelle delle bocce a fianco.
Questo avviene perché ogni specchio sferico vede il
mondo da un punto di vista leggermente diverso
dall’altro.
Occhiali con prisma
Attraverso i prismi avviene una riflessione totale
come rappresentato nella figura sottostante. Da
questa riflessione totale ne risulta un’immagine
invertita.
5. LA RIFRAZIONE ALL’OPERA
La luce, passando dall’aria all’acqua, subisce una
Cannuccia nel bicchiere
variazione di velocità che provoca a sua volta un
cambio di direzione. Questo fenomeno si chiama
rifrazione e può far apparire un corpo un po’ spostato
rispetto alla posizione reale.
La cannuccia, infatti che appare piegata: la parte
immersa della cannuccia, ci appare spostata rispetto
a quella emersa, benché in realtà non sia così.
Soldo/Scritta nella
bacinella con e senza
acqua
Noi riusciamo a vedere la scritta solo se nella
bacinella c’è dell’acqua. La luce rinviata dalla scritta
viene infatti “piegata”, meglio rifratta dall’acqua,
perciò possiamo vederla.
9
Palla gelatinosa in acqua
La sfera è di un gel incolore e trasparente
(poliacrilamide) che si gonfia d’acqua. Quando la
sfera è immersa nell’acqua, la luce praticamente non
subisce alcuna deviazione nel passare dal liquido alle
sfere e poi nel riemergere, perché l’indice di
rifrazione delle sfere è praticamente uguale a quello
dell’acqua.
“Granulato gelatinoso” con La moneta rimane nascosta nel granulato di gel.
soldo (senza e con acqua) Quando però si aggiunge dell’acqua, ecco che la
moneta appare molto visibile. Questo è dovuto allo
stesso indice di rifrazione del granulato e dell’acqua.
Lente di “Fresnel”
La lente di Fesnel è una lente sottile ottenuta da
danti solchi concentrici con i quali si ottiene l’effetto
di una lente convergente con piccola distanza focale.
Essa crea immagini capovolte di oggetti distanti e
immagini diritte di oggetti vicini. Le lenti di Fresnel
sono utilizzate nei retroproiettori.
Angolo limite
Quando un fascio di luce (fascio incidente) colpisce la
superficie di separazione tra due materiali
trasparenti, come l’aria e l’acqua, parte di esso è
riflessa e parte prosegue nell’altro materiale. Il
fascio, nel passare da un materiale all’altro, viene
deviato o rifratto.
La deviazione subita dal fascio, dovuta alla diversa
velocità di propagazione, è tanto maggiore quanto più
esso è inclinato rispetto alla perpendicolare alla
superficie.
Quando la luce proviene dall’acqua verso l’aria,
l’angolo aumenta e a un certo angolo (angolo limite),
tutta la luce viene riflessa nell’acqua e il fascio
riflesso ha la stessa luminosità di quello incidente.
Questo fenomeno è chiamato riflessione totale,
poiché la luce viene riflessa quasi al 100%.
http://www.ips.it/scuola/concorso/ottica/Ott_A.htm
10
Percorso luminoso
La luce segue il percorso della guida di luce curva.
All’interno, i raggi si riflettono in continuazione
contro le pareti procedendo a zig zag, intrappolati
per effetto della riflessione totale interna.
Fibre ottiche
Le fibre ottiche sono sottilissimi filamenti
trasparenti in cui la luce entra da un’estremità ed
esce dall’altra: per effetto della riflessione totale
interna la luce resta imprigionata all’interno, in
qualsiasi modo venga piegato il filamento.
Le fibre ottiche sono usate per creare lampade, per
esplorare il corpo umano, per la trasmissione di dati,…
11
6. I COLORI
Luce in linea retta
La luce si propaga in linea retta.
Spettro della luce con
prisma
Nella seconda metà del Seicento, Isaac Newton
scoprì che la luce, quando attraversa un prisma di
vetro a sezione triangolare, ne esce scomposta in
fasce di vario colore, che si presentano sempre nello
stesso ordine, ognuna con la sua angolazione. Egli
chiamò l’insieme di questi colori spettro.
Arcobaleno con specchio
acqua e foglio bianco
Il fascio di luce (bianco) riflesso nello specchio,
nell’uscire dall’acqua viene rifratto. I colori che
compongono la luce bianca, però non vengono rifratti
con la stessa angolazione, quindi cadono in punti
diversi e diventano visibili formando l’arcobaleno.
*
Trottola di colori
Ombra (luce bianca)
Ombre colorate
La mescolanza dei sette colori, ottenuta con la
rotazione veloce, dà come risultato un colore
biancastro.
Se un fascio di luce viene intercettato da un
oggetto, (nel nostro caso il fascio di luce proveniente
dal proiettore viene intercettato da una mano)
vediamo formarsi un’ombra scura dal contorno non
netto ma sfumato (sullo schermo). In realtà si
possono osservare una zona d’ombra e una zona di
penombra. La zona d’ombra è quella in cui non giunge
alcun raggio di luce. La zona di penombra è quella in
cui giungono i raggi provenienti da una sola zona della
sorgente luminosa che non è puntiforme.
La retina dell’occhio umano ha tre recettori di
12
Shadow magic
LED di tre colori e
occhiali con i reticoli
Bolle di sapone
colore: uno più sensibile alla luce rossa, uno alla
verde e uno alla blu. Con questi tre recettori
riusciamo a percepire le tonalità di colore.
Quando una luce rossa, una verde, e una blu
convergono su uno schermo, questo appare di colore
bianco perché le tre luci colorate stimolano,
pressoché allo stesso modo tutti i recettori della
retina dando a chi lo osserva la sensazione della luce
bianca. È per questo motivo che i colori rosso, verde
e blu vengo o chiamati colori primari additivi.
Sovrapponendo queste tre luci, si possono produrre
ombre di sette diversi colori: blu, rosso, verde, nero,
ciano (blu-verde), magenta (blu e rosso) e giallo
(misto di blu e rosso). Arrestando il passaggio di due
delle tre luci, si ottiene un’ombra del terzo colore.
Impedendo a tutte e tre le luci di giungere sullo
schermo, si avrà un’ombra nera. Se, invece si
impedisce ad una sola luce di giungervi, l’ombra sarà
una mescolanza degli altri due colori.
Man mano che si sposta la mano verso lo schermo,
l’ombra che si ottiene diventa sempre più scura,
perché essa impedisce alla luce di raggiungere lo
schermo.
Il telone contiene una sostanza fluorescente che
assorbe l’energia della luce e la rilascia lentamente.
Dove il telone rimane coperto, la sostanza
fluorescente non può assorbire la luce e quindi
rimane l’ombra con la forma dell’oggetto o della
parte del corpo che lo copriva.
Le luci emesse dai LED sono monocromatiche e quindi
è possibile ottenere dai tre colori fondamentali
rosso, verde e blu i colori complementari giallo,
turchese e magenta nonché il bianco con la sintesi
additiva delle luci emesse dai LED. Per rivedere le
singole
componenti
monocromatiche
possiamo
utilizzare degli occhiali con i reticoli di diffrazione
(pellicole con tantissime righe perpendicolari tra
loro) che separano nuovamente i colori perché
ciascuno è deviato con angoli diversi.
Le sfumature di vari colori che si possono ammirare
su una bolla di sapone, sono dovute ad un fenomeno
13
chiamato interferenza. Le onde luminose riflesse
dalla superficie interna e da quella esterna della
pellicola interferiscono tra loro o in modo
costruttivo o in modo distruttivo, a seconda dello
spessore della bolla e della lunghezza d’onda della
luce che la illumina.
14
7. ONDE ELETTROMAGNETICHE
Le radiazioni ultraviolette non sono visibili all’occhio
Ultravioletto (perline)
Infrarosso
Filtri polarizzatori
I LASER
umano. Esse sono caratterizzate da una lunghezza
d’onda inferiore a quella del viola che è di circa
400nm (nanometri) e superiore a quella dei raggi x.
La luce emessa dal Sole contiene radiazioni
ultraviolette che, per nostra fortuna, raggiungono la
superficie della Terra solo in minima parte.
Queste perline sono dotate di pigmenti sensibili alle
radiazione ultraviolette e cambiano colore se
sottoposte a quest’ultime.
Le radiazioni infrarosse non sono visibili all’occhio
umano poiché si trovano a lunghezze d’onda maggiori
di quelle del colore rosso (700 nm).
Illuminando una “piastra” sensibile al calore con luce
infrarossa, si può osservare come la piastra nera
cambi colore perché riscaldata, sebbene non si possa
vedere la fonte di tale riscaldamento.
Il filtro è composto da lamelle spaziate tra loro che
bloccano l’oscillazione della luce non parallela al loro
asse di polarizzazione. Due filtri polarizzatori
sovrapposti e orientati a 90 gradi l’uno rispetto all’
altro producono un quasi totale oscuramento.
I LASER producono una luce di un solo colore moto
concentrata. Sono molto utili per tantissime
applicazioni (operazioni agli occhi, microelettronica,
micromeccanica, lettori di CD e DVD, stampanti, ecc)
ma possono essere pericolosi se utilizzati in modo
improprio. L’esperimento che mostriamo è quello di
trasmettere della musica attraverso un raggio
LASER. Da un Ipod esce una corrente elettrica che
segue l’andamento della musica, questa normalmente
viene trasformata in musica dagli auricolari. Nel
nostro caso invece è trasformata in luce da un
LASER e poi di nuovo in corrente da un pannellino
solare che è nella cassa acustica amplificata. La
musica si può fermare con una mano! E poi vediamo
che con un pettine o con una sega elettrica non c’è
proprio modo di tagliarla!
15
