AZIONI E CONCETTI: raggi e immagini

1. AZIONI E CONCETTI: raggi e immagini Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 • il concetto di “raggio” • propagazione rettilinea della luce • inclinazione dei raggi L’acchiapparaggi “Catturare” la luce • propagazione rettilinea della luce • solido d’ombra • lunghezza e distanza Misurare l’ombra Lo gnomone “origami” Visualizzare il “cammino” del Sole • la posizione del Sole sull’orizzonte • la “geometria” del modello Terra - Sole L’insolatiera Visualizzare il cammino dei raggi in acqua • mezzi opachi e trasparenti • propagazione della luce nei mezzi trasparenti L’acqua che spezza • mezzi opachi e trasparenti • propagazione della luce nei mezzi trasparenti Apparire e scomparire La moneta di Tolomeo D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2003 – 2004” Raggi e immagini 1

2. Raggi e immagini Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Consegna: tutto quello che si può fare con tubi di cartone, bacchette, metro a nastro e … . insalatiere! • Occhiello luce • Come viaggia la luce • i raggi di luce viaggiano in linea retta dalla sorgente all’oggetto illuminato. • i raggi sono paralleli se la sorgente è molto distante, come il Sole, sono invece divergenti se la sorgente è vicina, come una lampadina. • Le ombre • dietro un oggetto opaco, illuminato dalla luce proveniente da una sorgente, si forma un'ombra la cui forma riproduce la forma dell'oggetto. • la lunghezza dell'ombra è tanto maggiore quanto più alto è l'oggetto che la produce e dipende dall'inclinazione dei raggi. Gli oggetti che si lasciano attraversare dalla luce - gli oggetti trasparenti sono quelli che si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla. - quando il raggio di luce passa dall’aria a un altro mezzo trasparente più denso, la sua direzione cambia e si avvicina di più alla direzione della retta perpendicolare alla superficie di separazione. (Per questo motivo, gli oggetti immersi in acqua appaiono “spezzati” nel punto di immersione, per cui il fenomeno viene chiamato “rifrazione”). Raggi e immagini 2

3. Raggi e immagini Legge della rifrazione (di Snell) ni= indice di rifrazione del mezzo in cui viaggia il raggio incidente nr= indice di rifrazione del mezzo in cui viaggia il raggio rifratto i P O H K r Q Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Costruzione grafica: - si traccia un cerchio con centro nel punto di impatto e raggio OP arbitrario, - dall’intercetta P sul raggio incidente si traccia la perpendicolare PH alla superficie di separazione, - dal lato del raggio rifratto si individua il punto K tale che OH/OK = nr/ni, - si traccia la perpendicolare fino a intercettare il cerchio nel punto Q, - la direzione OQ è quella del raggio rifratto. Raggi e immagini 3

4. Raggi e immagini: l’acchiapparaggi Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: alcuni tubi di cartone che si possano impugnare facilmente, fogli di carta che si possano arrotolare, cannucce da bibita, stecchini da spiedino, filo, pongo, fotocopia su carta di un goniometro • Attività: • puntare il tubo verso la sorgente di luce (meglio usare inizialmente il Sole, perché la luce è più intensa e i raggi sono ben collimati) • orientarlo fino a quando, per tentativi, riesce a vedere nitidamente lo spot luminoso • fissare allo stecchino il goniometro di carta e appendere al centro un pezzetto di filo con all’estremo una pallina di pongo che fungerà da “filo a piombo” • fissare lo stecchino attrezzato col goniometro al tubo “acchiapparaggi”, orientare il tubo in modo da acchiappare il raggio e leggere l’inclinazione • se si sta puntando verso il Sole • - verificare il parallelismo dei raggi • - ripetere la misura in diverse ore della giornata e correlare l’inclinazione con la posizione del Sole nel cielo • se si sta puntando verso una lampada, verificare che l’inclinazione varia con la posizione rispetto alla lampada • Interdisciplinarietà e continuità: • geografia astronomica • geometria piana • Concetti: • i raggi luminosi viaggiano lungo una direzione ben precisa • l’inclinazione dei raggi luminosi provenienti dal Sole porta informazione sulla posizione del Sole nel cielo Sicurezza Attenzione: MAI fissare il Sole a occhi nudo! • Aspetti didattici: • il concetto di raggioluminoso • il parallelismo dei raggi luminosi provenienti dal Sole • Riferimenti (dove, come e per chi): • - P. Guidoni, Università di Napoli, Progetto ESPA (A) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • - S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico (A) • www.iapht.unito.it (L) Dove e quando: - preferibilmente l’esperimento si dovrebbe svolgere nel cortile o nel giardino della scuola, in un punto ben illuminato dal sole e possibilmente lontano da alti edifici Raggi e immagini 4a

5. Raggi e immagini: l’acchiapparaggi • La fisica: • i raggi luminosi viaggiano lungo una direzione ben precisa • l’inclinazione dei raggi luminosi provenienti dal Sole porta informazione sulla posizione del Sole nel cielo • i raggi solari viaggiano in direzione parallela, perché la sorgente è molto lontana • i raggi provenienti da una lampada divergono, perché la sorgente è vicina • Contesto: • la conduzione dell’attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli anche in previsione di un raccordo con la scuola elementare e dell’infanzia • - è importante che ogni ragazzo costruisca il proprio acchiapparaggi, perché l’appropriazione dell’oggetto favorisce l’appropriazione del concetto • - si consiglia una sistematica raccolta dei dati, in ambiente aperto e soleggiato • la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media • osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della luce, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Raggi e immagini 4b

6. Raggi e immagini:lo gnomone “origami” Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: un foglio di carta da disegno, formato F4 • Attività: • costruire lo gnomone seguendo le istruzioni per tagli e piegature; • (allegate) • Interdisciplinarietà e continuità: • geografia astronomica • geometria piana • attività ludiche (giochi con le ombre) • Concetti: • dietro un oggetto opaco, illuminato dalla luce proveniente da una sorgente, si forma un'ombra la cui forma riproduce la forma dell'oggetto. • la lunghezza dell'ombra è tanto maggiore quanto più alto è l'oggetto che la produce e dipende dall'inclinazione dei raggi Sicurezza Attenzione: MAI fissare il Sole a occhio nudo! • Aspetti didattici: • propagazione rettilinea della luce • il solido d’ombra • Riferimenti (dove, come e per chi): • - P. Mascheretti, Università di Pavia, Progetto ESP/A (A) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • - S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico (A) • www.iapht.unito.it (L) Dove e quando: - preferibilmente l’esperimento si dovrebbe svolgere nel cortile o nel giardino della scuola, in un punto ben illuminato dal sole e possibilmente lontano da alti edifici Raggi e immagini 5a

7. Raggi e immagini: lo gnomone origami • La fisica: • dietro un oggetto opaco, illuminato dalla luce proveniente da una sorgente, si forma un'ombra la cui forma riproduce la forma dell'oggetto • la lunghezza dell'ombra è tanto maggiore quanto più alto è l'oggetto che la produce e dipende dall'inclinazione dei raggi • l’ombra non si forma solo sul piano ma riempie tutto lo spazio che sta dietro l’oggetto (solido d’ombra) • Contesto: • - la realizzazione di attività dello gnomone origami è consigliata a tutti i livelli (a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare), allo scopo di favorire e potenziare le abilità manuali e di comprensione delle istruzioni di lavoro • è importante che ogni ragazzo costruisca il proprio gnomone, perché l’appropriazione dell’oggetto favorisce l’appropriazione del concetto • ( in questo caso “solido d’ombra”) • - si consiglia una sistematica raccolta dei dati, in ambiente aperto e soleggiato • - la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media Raggi e immagini 5b

8. Raggi e immagini: come costruire lo gnomone “origami” 20 cm 1) Prendere un cartoncino formato A4, fare due pieghe fra di loro perpendicolari, come in figura, e tagliare lungo il tratto AB della piega più lunga. 2) Tagliare via due "orecchie" a 45o circa partendo da C. 3) Piegare lungo le rette CD e CD' (è utile "sfibrare" prima il cartoncino usando il dorso di una forbice guidata da una riga). 4) Chiudere "a scatoletta" l'una sull'altra le due alette CDE e CD'E', incollarle e pinzarle. Nel compiere questa operazione, le due facce triangolari CBD e CBD' del futuro gnomone ruotano attorno allo spigolo CB … e lo gnomone prende forma (nella figura è visto di dietro). 5) In questa figura lo gnomone è visto dalla parte dello spigolo CB. 6) Incollare le due ali BQRD e BQ'R'D' su un cartoncino che formerà la base e chiuderà di sotto lo gnomone. Mentre la colla asciuga, si possono tenere uniti i cartoncini con delle graffette. Alla fine, rifilare le eccedenze della base e appoggiare lo gnomone su una base di cartoncino più spesso. Raggi e immagini 5c

9. Raggi e immagini:l’insolatiera Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: un’insalatiera trasparente, corredata da una base d’appoggio su cui sono indicati i punti cardinali e da un “mirino” (per fissare la posizione del Sole). • Interdisciplinarietà e continuità: • geografia astronomica • geometria solida • Attività: • esporre l’insolatiera ai raggi solari in un certo momento della giornata • puntare con un “mirino” la posizione del Sole (quando la macchia di luce prodotta dal mirino è centrata rispetto al cerchio di base) • verificare come essa cambia al trascorrere del tempo Dove e quando: - preferibilmente l’esperimento si dovrebbe svolgere nel cortile o nel giardino della scuola, in un punto ben illuminato dal sole e possibilmente lontano da alti edifici • Concetti: • individuare l'inclinazione dei raggi solari associandola alla posizione del mirino sulla calotta sferica, • -   riconoscere il legame tra la posizione del mirino e la posizione del Sole sull’orizzonte, • -   collegare tale posizione con il tempo (ora) Sicurezza Attenzione: MAI fissare il Sole a occhio nudo! Riferimenti (dove, come e per chi): - M.L.Scillia – Quaderno AIF n°6 (A) - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) - S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico (A) - www.iapht.unito.it (L) • Aspetti didattici: • il camminoapparente del Sole • simulazione della volta celeste Raggi e immagini 6a

10. Raggi e immagini: l’insolatiera • La fisica: • individuare l'inclinazione dei raggi solari associandola alla posizione del mirino sulla calotta sferica,    • riconoscere il legame tra la posizione del mirino e la posizione del Sole sull’orizzonte, • collegare tale posizione con il tempo (ora) e la stagione Contesto: - è importante che ogni ragazzo “agisca” sull’ acchiapparaggi, perché l’utilizzo dell’oggetto favorisce l’appropriazione del concetto - si consiglia una sistematica raccolta dei dati, in ambiente aperto e soleggiato -osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della luce e il sistema Terra/Sole, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Raggi e immagini 6b

11. Raggi e immagini:l’acqua che spezza Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: puntatore LASER, vaschetta, due stecchini da spiedini, pongo, nastro adesivo, righello, fotocopia su carta di un goniometro, filo, acqua • Attività: • fissare il LASER all’estremo di uno stecchino con il nastro adesivo, infilare la punta dello stecchino nel pongo, accendere il LASER e controllare che lo spot luminoso si formi accanto alla punta dello stecchino • versare acqua nella vaschetta, osservare che lo spot si sposta e lo stecchino appare “spezzato” • attaccare il goniometro di carta all’estremo dell’altro stecchino, fissare al centro il “filo a piombo” ottenuto con un pezzo di filo con attaccato all’estremo una pallina di pongo • puntare lo stecchino con goniometro sullo spot, farlo emergere dall’acqua in corrispondenza del punto di immersione dell’altro stecchino e misurare l’angolo del raggio rifratto • misurare in modo analogo l’angolo del raggio incidente, che è parallelo al primo stecchino • riprodurre in scala su un foglio il percorso del raggio LASER in aria e in acqua Aspetti didattici: per il fenomeno che viene chiamato “rifrazione”gli oggetti immersi in acqua appaiono spezzati nel punto di immersione Concetti: -   raggio incidente e raggio rifratto -   indice di rifrazione Interdisciplinarietà e continuità: - geometria piana Riferimenti (dove, come e per chi): - www.iapht.unito.it (L) Sicurezza Attenzione: il LASER non va dato in mano ai ragazzi! Raggi e immagini 7a

12. Raggi e immagini: l’acqua che spezza • La fisica: • gli oggetti trasparenti si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla • quando il raggio di luce passa dall’aria a un altro mezzo trasparente più denso, la sua direzione cambia e si avvicina di più alla direzione della retta perpendicolare alla superficie di separazione • come conseguenza della deviazione dei raggi, lo spot luminoso al fondo dello strato di acqua si sposta verso punti più vicino alla perpendicolare • la deviazione del raggio dipende da una proprietà caratteristica del mezzo detta indice di rifrazione n • noto l’indice di rifrazione (per l’acqua n=1,33) si può calcolare lo spostamento dello spot usando la costruzione geometrica di diapositiva 2 • viceversa, misurando lo spostamento e l’altezza dello strato di acqua, si può calcolare l’indice di rifrazione usando la costruzione geometrica di diapositiva 2 • Contesto: • la conduzione dell’attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli anche in previsione di un raccordo con la scuola elementare • -osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della luce, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Raggi e immagini 7b

13. Raggi e immagini: la moneta di Tolomeo Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: una moneta, del pongo, un bastoncino da spiedini, una vaschetta non trasparente, un righello, foglio di carta da lucidi con quadrettatura. • Attività: • disporre uno strato di pongo sulla moneta • puntare il bastoncino al centro, avvicinare la moneta al bordo della vaschetta, tenendola però a una certa distanza e appoggiare lo stecchino al bordo • mettere la vaschetta su un banco e chiedere a uno studente, che farà da “osservatore” (al lato del banco in posizione tale che sicuramente non possa vedere la moneta, perché nascosta dal bordo della vaschetta) di guardare lungo la direzione dello stecchino cercando di indovinare che cosa c’è in fondo • versare poi l’acqua nella vaschetta finché, a un certo punto, l’“osservatore” avvisi di cominciare a vedere la moneta • misurare l’altezza h dell’acqua, la posizione della moneta rispetto al bordo della vaschetta, l’altezza della vaschetta, riprodurre in scala il disegno e cercare di ricostruire il cammino del raggio che “esce” dalla moneta e giunge all’occhio dell’osservatore quando deve viaggiare solo in aria oppure quando viaggia in acqua e in aria • Concetti: • gli oggetti trasparenti sono quelli che si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla • quando il raggio di luce passa dall’aria a un altro mezzo trasparente, la sua direzione cambia Interdisciplinarietà e continuità: - geometria piana • Aspetti didattici: • per il fenomeno chiamato “rifrazione”gli oggetti immersi in acqua appaiono spezzati nel punto di immersione, Riferimenti (dove, come e per chi): - www.iapht.unito.it (L) Raggi e immagini 8a

14. Raggi e immagini: la moneta di Tolomeo • La fisica: • gli oggetti trasparenti si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla • quando il raggio di luce proveniente dalla moneta passa dall’acqua a un mezzo trasparente meno denso come l’aria, la sua direzione cambia e si allontana di più dalla direzione • della retta perpendicolare alla superficie di separazione • come conseguenza, la posizione della moneta al fondo dello strato di acqua appare spostata verso punti più lontani dalla perpendicolare e verso l’alto • la deviazione del raggio dipende da una proprietà caratteristica del mezzo detta indice • di rifrazione n • noto l’indice di rifrazione (per l’acqua n=1,33) si può calcolare lo spostamento della moneta usando la costruzione geometrica di diapositiva 2* • viceversa, misurando lo spostamento e l’altezza dello strato di acqua, si può calcolare l’indice di rifrazione usando la costruzione geometrica di diapositiva 2* * in blu parole da cancellare? • Contesto: • la conduzione dell’attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli facendo leva sull’effetto- sorpresa • -osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della luce, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Raggi e immagini 8b