La diffrazione della luce

La diffrazione della luce
DOMANDA
“È possibile ottenere un fascio di luce molto stretto?”
“Come si comporta la luce attraversando una stretta fenditura?”
DESTINATARI
Alunni di scuola secondaria di secondo grado
MATERIALE
OCCORRENTE
−
−
−
−
−
−
−
−
DESCRIZIONE
DELL’ESPERIMENTO
Puntatore laser
Stampante laser
Lucido per stampante laser
(in alternativa vetrino da microscopio e uniposca nero)
Cartoncino
Mollette per panni
Metro
Righello
Foglio di carta a quadretti o carta millimetrata
1. Si stampa sul lucido un rettangolo nero (completamente opaco) con
delle righe bianche di diversa larghezza (Fig. 1).
2. Si ritaglia il rettangolo e lo si monta su una molletta come mostrato
nella foto (Fig.2).
3. Si monta il puntatore su una o due mollette in modo tale che premendo
il pulsante si mantenga acceso.
4. Si posiziona lo schermo rettangolare perpendicolare al fascio di luce del
puntatore in modo che il raggio attraversi una fenditura.
5. Si osserva l’immagine che il raggio di luce produce sullo schermo di
cartoncino dopo aver attraversato la fenditura e si osserva come la
figura luminosa cambia al variare della larghezza della fenditura.
6. Approfondimenti :
Determinazione della lunghezza d’onda della luce mediante la
formula.
Osservazione della diffrazione prodotti con maschere più
complesse.
ASPETTI POSITIVI
I tempi di realizzazione sono brevi se si forniscono già preparate le maschere
rettangolari.
Nella versione quantitativa gli studenti sono coinvolti in due misure dirette di
lunghezza (la distanza schermo-fenditura e la distanza tra i punti di intensità
minima) e in una misura indiretta ( la larghezza della fenditura ottenuta
convertendo il punto tipografico in mm) e inoltre sviluppano manualità
nell’allestire ed nell’eseguire la prova.
ASPETTI NEGATIVI
Occorre informare i ragazzi sui danni che lo luce del puntatore può provocare se
osservata direttamente e di conseguenza occorre vigilare affinché gli studenti
seguano le corrette procedure di esecuzione.
DIFFICOLTA’
INCONTRATE
Nessuna.
GRADIMENTO DEGLI
ALUNNI
Gli studenti sono incuriositi dalle caratteristiche della luce laser e dal fenomeno
osservato perché appare contro-intuitivo.
VALUTAZIONE DEGLI
APPRENDIMENTI
Relazione scritta dell’esperimento seguendo uno schema generale, utilizzato
per tutte le esperienze laboratoriali.
1
0.25 pt
0.5 pt
0.75 pt
1 pt
Figura 1. Riproduzione della maschera utilizzata per l’esperimento.
Figura 2. Fotografia del montaggio della maschera con varie fenditure e del puntatore laser
diretto attraverso una di queste.
Figura 3. Immagine dell’intensità della luce trasmessa dalla fenditura su uno schermo di carta a quadretti da
5 mm: è evidente la parte luminosa centrale e le bande luminose laterali alternate da bande scure.
2
Analisi quantitativa – Determinazione della lunghezza d’onda della luce
(per il triennio superiori).
La teoria della diffrazione da una fenditura afferma che la lunghezza d’onda si ottiene
‫ݓ‬
ߣ=
ܽ
2‫ܦ‬
dove ‫ܦ‬è la distanza tra l maschera con fenditura e lo schermo dove incide il fascio, ܽ è la larghezza della
fenditura, ‫ ݓ‬è la distanza tra i centri delle due bande scure ai lati del punto luminoso centrale.
a
w
D
Figura 4. Schema dell’esperimento.
Nella prova a cui si riferiscono le fotografie sono stati usati questi valori:
distanza fenditura-schermo ‫ ≈ ܦ‬970 mm
larghezza fenditura ܽ = 0.75 pt ≈ 0.2646 mm
e si è ottenuto come larghezza massimo centrale ‫ ≈ ݓ‬5.7 mm
Con questi dati si ottiene ߣ ≈ 0.74 ߤm,ossia un 15% in più del valore atteso.
Le larghezze delle fenditure sono espresse in punti tipografici (pt). Occorre sapere, per effettuare le
conversione a millimetri, che:
1 pt = 1/72 pollice e che 1 pollice = 2.54 mm
ossia
1 pt = 1/72 pollice ≈ 0.3528 mm.
Approfondimenti.
Si possono creare facilmente sempre ricorrendo ad una stampante laser maschere più complesse: fenditure
doppie, reticoli di fenditure, reticoli con varie geometrie, e osservare le figure di diffrazione che si
ottengono, discutendone la loro relazione con le maschere che le originano. A questo scopo è importante
creare le immagine con software che in fase di stampa garantiscono il rispetto delle dimensioni e dei
dettagli dell’immagine.
3