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Università degli studi di Trento
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
Corso di aggiornamento “Il Tè degli Insegnanti”
area FISICA - classi A038 e A049
per l’anno scolastico 2008/09
prof. Gabriele Calzà
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Promosso dall’Università degli Studi di Trento
a cura del Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche “λCOSФ”
con la collaborazione del Liceo “Galilei” di Trento
e del Museo Tridentino di Scienze Naturali
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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Università degli studi di Trento
ESP. 4/A
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
4. OTTICA
a) “FENDITURA SU TELAIO DIAPOSITIVA”
Fenditura montata sul telaio per diapositiva
Materiali: - un telaio vuoto per diapositiva
- una lametta da barba nuova(del tipo usate dai barbieri)
- attack o colla adatta
- striscia di foglio di alluminio
Attrezzatura: - forbici
Procedura (tempo stimato 20 min.)
- Spezzare o tagliare in due la lametta, senza rovinarla, in modo da avere le due lame separate e piatte;
- accorciarne le estremità se ingombrano gli incastri dei telai;
- incollare su una metà aperta del telaio la prima lama con il lato affilato rivolto all’interno, ben centrato e
verticale, e attendere;
- incollare la seconda lama, il più possibile parallela, lasciando fra esse una luce di circa un millimetro;
- coprire le fessure laterali con striscie di foglio di alluminio;
- chiudere il telaio con la metà complementare.
Funzionamento
Usando il proiettore normalmente, inserire la diapositiva-fenditura e regolare la messa a fuoco: il fascio così
prodotto è utilizzabile per esperimenti con un prisma o con un reticolo di diffrazione.
NOTA: Se si volesse realizzare una fenditura per ottenere la DIFFRAZIONE, è sufficiente posizionare la seconda
lama contro la prima, in modo da schiacciare fra esse una striscia di foglio di alluminio piegata in due, a mo’
di spessore, e incollare facendo attenzione che sia molto parallela alla prima e complanare.
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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Università degli studi di Trento
ESP. 4/B
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
4. OTTICA
b) “RETICOLO DI DIFFRAZIONE SU TELAIO DIAPOSITIVA”
Reticolo di diffrazione su telaio per diapositiva
Materiali: - un telaio per diapositiva, dotato di vetro “anti-newton”
- un foglio di reticolo di diffrazione da almeno 500 righe/mm, di circa 4 cm × 5 cm, meglio se con
le righe parallele al lato corto
- striscia di foglio di alluminio
Attrezzatura: - forbici
Procedura (tempo stimato 10 min.)
- Intrappolare fra le due metà del telaio il reticolo, curando che l’orientazione delle righe sia parallela al lato
corto della finestra (anche se il telaio è quadrato);
- chiudere il telaio.
Funzionamento
È possibile usare il telaio-reticolo sia con un normale proiettore, sia manualmente. È consigliato l’uso in
coppia con una fenditura.
ESP. 4/C
4. OTTICA
b) “SPETTROSCOPIO A CANNOCCHIALE”
Spettroscopio a cannocchiale
Materiali: - un tubo di cartone o plastica di qualche centimetro di diametro (tipo rotoli carta da cucina)
- fenditura da ca. 1 mm e reticolo diffrattivo, montati su telai per diapositive
- nastro isolante nero
- (consigliata) vernice nera per l’interno del tubo
Attrezzatura: - forbice
Procedura (tempo stimato 10 min.)
- Tingere di nero l’interno del tubo;
- Fissare con il nastro adesivo nero il telaio-fenditura e il telaio-reticolo alle due estremità del tubo, facendo
attenzione ad orientarli parallelamente (coprire con il nastro nero anche eventuali fessure residue).
Funzionamento
Puntare una sorgente luminosa con la fenditura e traguardare dal reticolo, leggermente fuori asse.
AVVERTENZA - Non puntare direttamente contro il sole - LA LUCE DIRETTA DEL SOLE DANNEGGIA LA RETINA.
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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Università degli studi di Trento
ESP. 4/D
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
4. OTTICA
c) “POLARIZZAZIONE”
Esempi di osservazioni con filtri polarizzatori davanti ad un monitor LCD. Nella terza
immagine in alto, il foglio interposto orizzontalmente è un altro polarizzatore, nella
fila in basso, invece, è la finestra trasparente di una busta commerciale.
Materiali: - 3 filtri polarizzatori di circa 4 cm × 5 cm
- piccoli foglietti di nylon trasparente (del tipo degli involucri di pacchetti di caramelle o biscotti,
e delle buste con finestra...)
- luce naturale, monitor LCD
Funzionamento
- Sovrapporre due filtri e ruotarne uno a diversi angolazioni, osservando l’andamento della “trasparenza”.
- Provare con un solo filtro usando un monitor LCD come fonte di luce (pagina bianca e a colori).
- Tenendo fissi due polaroidi a 90°, inserirne un terzo fra essi ruotandolo: cosa si osserva a 45°? Come si
spiega alla luce del meccanismo con cui opera un filtro polarizzatore?
- Sempre tenendone due fissi a 90°, inserire i foglietti di nylon e ruotarli: cosa si osserva?
- Riprovare i due punti precedenti, ma con i due filtri fissi posizionati a 0°. Differenze? Come si spiegano?
- Come sopra, ma con un filtro solo e il monitor LCD. Cosa succede?
- Osservare un riflesso “orizzontale” (es. sul pavimento o sul tavolo) con un solo filtro, ruotandolo: cosa si
osserva? Provare con un riflesso verticale (es. di una parete o di una finestra): trarre le dovute conclusioni..!
- Molto interessante osservare con un solo filtro polarizzatore, il riflesso di una finestra ad un certo angolo:
alternando l’orientazione del filtro da “perpendicolare” a “parallela” e viceversa si assiste alla
scomparsa/comparsa del riflesso, facendo apparire il vetro trasparente o riflettente. Questo accade perché la
luce riflessa da una superficie può essere pensata come composta, in proporzioni variabili, da due
componenti polarizzate ortogonalmente fra loro: incidendo ad un particolare angolo, detto angolo di
Brewster (che per il vetro vale circa 57° e per l’acqua 53°), una delle due componenti si azzera, e il riflesso
risulta totalmente polarizzato. Questo fenomeno è sfruttato molto in fotografia, per eliminare riflessi
indesiderati.
prof. Gabriele Calzà
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-4-
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ESP. 4/E
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4. OTTICA
e) “MIRAGGI E FATE MORGANE”
Miraggio (a sinistra) e “fata Morgana” (a destra)
Materiali: - 1 contenitore trasparente rettangolare alto e largo, meglio se stretto nel senso della profondità
- alcool denaturato
- zucchero (o sciroppo concentrato per bibite)
- acqua
- ambiente oscurabile (anche solo parzialmente)
- (consigliato) puntatore laser
Attrezzatura: - lavandino, brocca
Procedura (tempo stimato 20 min.)
MIRAGGIO
- Versare nel contenitore trasparente uno strato d’acqua di 3 ÷ 4 cm e aggiungervi sopra con cautela uno strato
d’alcool altrettanto alto. Fare attenzione che l’alcool non si mescoli del tutto con l’acqua, ma resti separato da una
zona a concentrazione intermedia e graduale.
“FATA MORGANA”
- Versare sul fondo del contenitore trasparente uno strato d’acqua di 1 o 2 cm e aggiungere lo zucchero a
cucchiaiate mescolando fino ascioglierlo tutto; aggiungerne ancora e mescolare di nuovo... 8 )
- versare poi lentamente dell’acqua pura sopra lo “sciroppo” per formare il secondo strato, altrettanto alto. Anche
in questo caso fare attenzione a non mescolare troppo i due fluidi, ma lasciare che si formi una zona di
separazione a concentrazione intermedia e graduale.
Funzionamento
Osservare attraverso i liquidi, aggiustando l’altezza dell’occhio rispetto agli strati per assistere agli effetti sopra
menzionati: nel primo si vedrà sdoppiato in basso un oggetto che si trova più in alto (miraggio); viceversa, nel
secondo si osserverà aleggiare in alto il doppione di un oggetto che si trova in basso (“fata Morgana”).
Volendo è possibile anche evidenziare il percorso seguito dai raggi luminosi che vanno dall’oggetto al nostro
occhio, e capire così il meccanismo con cui operano questi due effetti. Allo scopo è sufficiente tingere l’acqua
(iniettando del tè concentrato o del chinotto) e, osservando di fianco, servirsi di un laser in questo modo:
- nel primo caso, lo si punta fra acqua e alcool, con un angolo diretto verso il basso, muovendosi su e giù per
trovare la zona dove l’effetto è più evidente: si noterà una deviazione progressiva del raggio verso l’alto, che
apparirà così incurvato (convesso);
- nel secondo caso, lo si punta fra sciroppo e acqua, con un angolazione diretta verso l’alto e anche qui cercando
verticalmente la zona migliore: si noterà un fenomeno opposto al primo: il raggio risulterà ancora incurvato da
una deviazione progressiva, ma questa volta verso il basso.
Spiegazione
Quando la luce passa da un mezzo ad un altro con un differente indice di rifrazione, essa subisce il fenomeno della
rifrazione. Se la separazione dei due mezzi non è netta e la variazione di indice è graduale, il fascio di luce non
forma un angolo netto all’interfaccia (che non c’è), bensì devia progressivamente e segue un percorso a curvatura
dolce.
L’acqua ha un indice di rifrazione 1.33, mentre sia l’alcool che la soluzione zuccherina hanno un indice di
rifrazione maggiore (1.36 per l’alcool e 1.53 per lo zucchero solido). Però, poiché il primo stratifica sopra l’acqua e
il secondo sotto, si creano due situazioni complementari.
Nella realtà, sono strati d’aria a temperatura diversa a creare una o l’altra delle due situazioni sperimentate.
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ESP. 4/F
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4. OTTICA
d) “OTTICA NEL TÈ”
Rifrazione e riflessione totale (a sinistra) e guida di luce (a destra)
Materiali: - un puntatore laser (laser a diodo)
- una vaschetta trasparente, meglio se stretta e alta, con i bordi spigolosi
- tè normale, dose per un paio di tazze (o più, a seconda della capacità della scatola)
- olio di oliva (quello di semi è meno indicato)
- ambiente oscurabile (anche solo parzialmente)
- (consigliato) un cucchiaino da tè, lucido
- (facoltativo) specchietto da dentista
Procedura e funzionamento (tempo stimato 10 min.)
- Per la prima parte, riempire la vaschetta di tè, fino ad un’altezza di circa 4÷5 cm (volendo è possibile
allungarlo un po’ con acqua): a questo stadio è già possibile sperimentare riflessione, rifrazione e riflessione
totale, potendo osservare il cammino ottico all’interno del tè. Puntando il fascio di luce all’interno del
cucchiaino (specchio convesso), inoltre, è possibile ammirare come il fascio, rettangolare e parallelo,
converga in una regione molto piccola (fuoco).
- In un secondo tempo versare l’olio sopra il tè, molto lentamente, fino a formare uno strato alto circa 1 cm:
puntando il fascio dal fianco, è possibile realizzare molte altre configurazioni, tra cui la guida di luce.
Spiegazione
L’attraversamento di mezzi con indice di rifrazione diversi da parte di un fascio di luce comporta una sua
deviazione dal cammino rettilineo (rifrazione), all’interfaccia: nel mezzo con indice di rifrazione maggiore il
raggio è più vicino alla normale locale. Questo fatto è descritto dalla (seconda) legge di Snell.
Viceversa, uscendo in un mezzo a minor indice di rifrazione, il fascio si allontana dalla normale, ma non può
aprirsi di un angolo superiore a 90°, perché a quel valore il raggio risulta di fatto parallelo alla superficie
stessa: superandolo, il raggio rifratto cessa di esistere nel mezzo con indice di rifrazione minore e quello
entrante risulta completamente confinato nel mezzo con indice di rifrazione maggiore: quando questo si
verifica, ha luogo la riflessione totale.
Se il mezzo otticamente più denso è uno strato compreso fra due a densità ottica minore, è possibile
confinarvi un fascio di luce sfruttando le riflessioni totali a entrambe le superfici di separazione, e “guidare”
così il fascio anche lungo percorsi non rettilinei (è il principio con cui funzionano le fibre ottiche).
NOTA - Acqua e olio non sono miscibili, inoltre l’olio ha un densità (peso specifico) minore dell’acqua, perciò
galleggia sopra l’acqua e i due liquidi formano una superficie di separazione ben definita. Lo stesso dicasi
per l’aria (il terzo strato nell’esperimento!).
L’indice di rifrazione dell’acqua vale 1,33, ed è minore di quello dell’olio, che è 1,47; l’aria ha un indice di
rifrazione molto prossimo a quello del vuoto (che vale 1): fra i tre, perciò, lo strato a maggior indice di
rifrazione è perciò quello centrale.
AVVERTENZA – La luce del puntatore laser è molto intensa e collimata: evitare puntarla negli occhi o di fissare
riflessi da superfici metaliiche lucide - LA LUCE DIRETTA DEL LASER PUÒ PROVOCARE DANNI ALLA RETINA.
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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