LUCE, VISIONE, OMBRA, COLORE

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1 Dipartimento di scienze umane per la Formazione Corso di Laurea in Scienze dell educazione LUCE, VISIONE, OMBRA, COLORE Aspetti scientifici e attività laboratoriali Per il corso di Osservazioni Scientifiche di Base A cura di Monica Onida e Enrica Giordano Tratto dal sito:

2 Le idee fondamentali del tema luce e visione: Schema sorgente-occhio-oggetto e luce Proprietà della luce (intensità, colore, direzione) Interazione luce-materiali (la luce viene in parte riflessa/diffusa; in parte riesce a passare attraverso il materiale, ma cambiando direzione; in parte assorbita) Condizione necessaria per vedere èche entri luce negli occhi La luce in sènon si vede, si vedono sorgenti e oggetti illuminati

3 Modello sorgente/oggetto/occhio Esistono corpi come il sole, la lampadina, la torcia (sorgenti primarieo corpi autoluminosi) che emettono luce utilizzando energia prodotta da processi che avvengono al loro interno. In un mezzo omogeneo la propagazione della luce avviene in linea retta. Quando un corpo non autoluminoso(come gli oggetti e le pareti di una stanza, una persona, un albero. ed anche la luna!) ècolpito dalla luce, la riemetteparzialmente nello spazio circostante. Ogni corpo che, illuminato, emette luce è chiamato sorgente secondaria di luce. Affinchéuna persona possa vedere un oggetto(sorgente primaria o secondaria) ènecessario che nei suoi occhi arrivi parte della luce da esso emessa.

4 Riemissionedi luce Qualunque corpo che non si comporti da sorgente primaria, se viene illuminato, può riemettereluce nello spazio circostante e si dice pertanto sorgente secondaria. La sorgente secondaria principale per noi che abitiamo la Terra è sempre stata la luna, che rimanda nello spazio parte della luce solare che la illumina. Come la luna, tutti i pianeti ed i loro satelliti sono sorgenti secondarie. E la parte di luce solare diffusa dalla Terra che permette agli astronauti di vedere direttamente il nostro pianeta e permette a tutti noi di vederne le immagini riprese dai satelliti artificiali. La luce riemessada qualunque sorgente secondaria èmeno intensa, ha una diversa direzione di propagazione e generalmente anche una diversa composizione spettrale rispetto alla luce da cui la sorgente secondaria viene illuminata. La riemissionedi luce può avvenire a seguito di processi di riflessione e diffusione.

5 Diffusione La riflessione diffusa della luce da parte di una superficie è una riflessionenon speculare, in cui cioèun raggio di luce che incide sulla superficie non viene rimandato indietro ad un angolo determinato, ma viene diffuso su molte direzioni che possiamo descrivere come casuali. Un oggetto fatto da particelle che non assorbano la luce, come il gesso, o da fibre incolori, come la carta, o da un materiale policristallino, come il marmo di Carrara, riesce a riflettere indietro quasi tutta la luce che riceve, ma in maniera diffusa, non specularmente. Gran parte degli oggetti che vediamo tutti i giorni riflettono diffusamente la luce, bianca o colorata, tanto che si può dire che la riflessione diffusa èdi gran lunga il meccanismo più importante con cui gli oggetti si rivelano al nostro occhio.

6 Riflessione Molti materiali sono in grado di riflettere specularmente la luce, purché sia possibile "lucidare" la loro superficie, cioèeliminarne tutte le irregolarità. Spontaneamente regolari, tra i materiali comuni, sono le superfici dei liquidi, che si dispongono con una superficie perfettamente piana, o comunque liscia, e il vetro, Solo i metalli, però, possono riflettere con efficienza la luce che li colpisce: nei normali specchi il materiale riflettente, infatti, èalluminio o argento. Tutti gli altri materiali comuni, anche se "lucidati a specchio", riflettono solo piccole frazioni di luce. In uno specchio piano un fascio di raggi luminosi paralleli viene deviato ma si mantiene il parallelismo dei raggi. Ciascun raggio che colpisce lo specchio viene riflesso di un angoloidentico a quello di incidenza. per esempio se un raggio giunge con una angolazione di 30 rispetto alla verticale del punto di incidenza, esce con un angolo di 30 dalla parte opposta alla verticale.

7 Rifrazione La rifrazioneèla deviazione subita da un'ondache ha luogo quando questa passa da un mezzoad un altro nel quale la sua velocitàdi propagazione cambia. La rifrazione èresponsabile degli arcobalenie della scomposizione della luce bianca nei colori dell'arcobaleno che avviene quando la luce passa attraverso un prisma. Il vetro ha un alto indice di rifrazione rispetto all'aria e le diverse frequenze della luce viaggiano a velocitàdiverse (dispersione), causando la rifrazione dei colori a diversi angoli, e quindi la scomposizione.

8 Trasparente -opaco Quando la luce incontra un materiale, può interagire con esso inmodi differenti. Queste interazioni dipendono dalla natura della luce e dalla natura del materiale. Le onde luminose interagiscono con un oggetto attraverso molti fenomeni; i più comuni sono assorbimento, riflessione, trasmissione, rifrazione, diffusione. Gli oggetti hanno la tendenza ad assorbire selettivamente, riflettere o trasmettere la luce con determinate frequenze. Vale a dire, un oggetto potrebbe riflettere la luce verde assorbendo invece tutte le altre frequenze della lucevisibile. Allo stesso modo un altro oggetto potrebbe trasmettere selettivamente la luce blu, assorbendo tutte le altre frequenze. Le frequenze dello spettro che non vengono assorbite vengono trasmesse o riflesse, specularmente o diffusamente. Questo è ciò che dàorigine ai colori. I corpi neriassorbono tutte le frequenze; i corpi bianchi riflettono diffusamentetutte le frequenze senza assorbirne alcuna. Alcuni materiali, definiti otticamente trasparenti, permettono a gran parte della luce che vi cade sopra di essere trasmessa attraverso di essi senza essere riflessa. Il vetro delle finestre chimicamente puro (vale a dire non drogato)e l'acqua limpida di fiumi e delle sorgenti ne sono degli ottimi esempi. I materiali che non consentono la trasmissione di qualsiasi frequenza d'onda di luce sono definiti opachi.

9 Colore Il colore della luce dipende dalla sua composizione (rossa la luce del laser pointer, bianca quella del sole, ecc) Il colore percepito di un oggetto e di una tinta (tempera, inchiostro, ecc) nasce dall interazione tra l occhio e la luce che arriva ad esso, modificata in composizione e direzione dall oggetto osservato.

10 Visualizzare laluce: torcia,laser,proiettore Dalla sorgente esce un fascio di luce di forma e dimensioni che dipendono dal tipo di sorgente. La luce non si vede, si vedono intensamente illuminate le superfici degli oggetti colpiti dalla luce diretta, le zone di parete o ditelo che intersecano il fascio di luce e la diffondono nello spazio circostante permettendole di arrivare ai nostri occhi. Muovendo il telo tra la sorgente e la parete la successione delle macchie luminose può dare una prima idea della forma del fascio nello spazio. Usando il proiettore con telaietto vuoto, rettangoli illuminati via via piùgrandi fanno pensare a un fascio a forma di tronco di piramide. Inserendo nel telaietto un foglio opaco (ad esempio foglio di alluminio) con fori di forme diverse èpossibile cambiare la forma del fascio. La figura nella pagina seguente evidenzia la ricostruzione della forma del fascio nello spazio a partire dalla successione di macchie luminose illustrata nella serie di immagini precedenti.

11 Allontanandosi dalla parete: nel caso della torcia e del proiettore la macchia si allarga e diventa meno intensa

12 Sul telo bianco si vedono macchie di luce che cambiano forma e dimensioneal variare della posizione del telo. In particolare: disponendo il telo parallelamente alla parete e muovendolo dallasorgente verso la parete, nel caso della torcia (o del proiettore) si vede la macchia di luce allargarsi progressivamente mantenendo la stessa forma; nel caso del laser la macchia mantiene la stessa forma e le stesse dimensioni ruotando il telo la macchia di luce cambia forma e dimensioni qualunque sia la sorgente.

13 Vedere il fascio di luce Quando si ha la sensazione di vedere il fascio di luce, quel che si vede èun insieme di particelle illuminate dalla luce nel suo propagarsi dalla sorgente nello spazio. Le particelle di gesso, talco,. diffondono in tutte le direzioni la luce che le colpisce; il nostro occhio, ricevendo parte di questa luce, vede una serie di punti illuminati che visualizzano il percorso del fascio. Le particelle cadono via via sul fondo della scatola finchèil fascio torna ad essere invisibile.

14 Spazi d ombra -Penombra _penombra.htm

15 Si vedono figure d ombra solo nella zona di spazio retrostante alla sagoma rispetto alla sorgente Mettendo la lampadina in posizione centrale rispetto alla sagoma, disponendo il foglio parallelamente alla sagoma e allontanandolo, si vede la figura d ombra ingrandirsi progressivamente mantenendo una forma corrispondente a quella della sagoma. Spostando la lampadina verso destra (sinistra) la figura d ombra si sposta verso sinistra (destra) e si deforma.

16 La luce esce sorgente luminosa e si propaga rettilineamente nello spazio circostante finchénon incontra la sagoma. La sagoma ferma il fascio di luce che ha vertice nella sorgente luminosa ed èdelimitato dai raggi che sfiorano il contorno della sagoma. Questo fascio non può proseguire nella zona retrostante la sagoma, che risulta pertanto una zona di spazio in ombra. Le figure d ombra che si raccolgono sui fogli si possono immaginare come il risultato dell intersezione tra piano del foglio e spazio in ombra, spazio in cui non è presente luce proveniente direttamente dalla sorgente ma in cui può essere presente luce diffusa dagli oggetti circostanti.

17 Con una o piùsorgenti puntiformi All aumentare del numero delle sorgenti (allineate in orizzontale e/o in verticale) aumenta il numero delle figure d ombra che, quando si sovrappongono, danno origine a una figura che presenta al centro una zona scura piùintensa e ai bordi una serie di cornici di ombra via via meno intensa. Le cornici hanno una maggiore estensione nella direzione parallela a quella in cui sono disposte le sorgenti.

18 Con piùpunti-sorgente nella stessa porzione di spazio, si possono incontrare sulla sagoma fasci provenienti da sorgenti diverse che la sagoma può intercettare in tutto o in parte. Si forma così, nello spazio retrostante la sagoma, una zona in cui non arriva luce da nessuna delle sorgenti contornata da zone(penombra) in cui arriva luce solo da alcune sorgenti e non da altre. La figura d ombra si ottiene dall intersezione di questo spazio in ombra e penombra col piano del foglio e appare quindi divisa in zone scure di differente intensitàa seconda del numero (zero nel caso dell ombra più intensa) di fasci luminosi che si sovrappongono. Il modello a raggi permette quindi di prevedere quali spazi d ombra si formeranno. Le figure d ombra si otterranno considerando le intersezioni tra lo spazio d ombra creato dai vari oggetti e le superfici scelte.

19 Sorgenti puntiformi ed estese Per giudicare se una sorgente reale può essere considerata puntiforme si può illuminare una sagoma ed osservare attentamente il contorno della sua ombra; piùil contorno dell'ombra appare netto, piùla sorgente può essere considerata puntiforme. I conettidi luce che si vedono uscire dai buchi del colapasta suggeriscono che la luce emessa da una piccola lampadina si possa immaginare costituita da fascetti contigui, disposti a raggiera intorno al filamento, visualizzabile come un punto (sorgente puntiforme), che riempiono lo spazio circostante. Si può parlare di raggi intendendo conetticosìstretti da ridursi praticamente al loro asse. Le normali lampadine utilizzate nelle lampade da tavolo o nei lampadari emettono luce da un filamento incandescente molto piùlungo, che si può immaginare formato da una distribuzione continua di puntisorgente (sorgente estesa).

20 Attivitàsu luce e ombra provare a osservare le ombre di piùoggetti prodotti da una unica sorgente puntiforme vicina e provare ad allontanare progressivamente la sorgente provare a lavorare in spazi ampi con proiettore da diapositive, oggetti vari (anche le persone) e teli sui quali raccogliere le ombre. In questo caso èpossibile muoversi nello spazio, entrare e uscire dallo spazio d ombra e rendersi conto che dai punti di questo spazio non èpossibile vedere la sorgente (agli occhi non arriva luce dalla sorgente). costruire modelli concreti con fili e spaghi che visualizzano e materializzano i raggi.

21 Attivitàdi esplorazione dei materiali Sorgenti di luce di vario tipo Torce, lampadine a incandescenza (il filamento diventa incandescente col passaggio di corrente, con il varialuce si può regolare l intensità della luce emessa), lampadine da lettura (il filamento èmolto piccolo), led. Per laser e sole si raccomanda di non osservare mai direttamente la sorgente e di non fare arrivare agli occhi il fascio di luce nè diretto nè riflesso. Osservare intensità, colore e forma del fascio di luce emesso, intercettandolo con una superficie bianca in luce solare

22 Oggetti e materiali vari Pezzi di materiale trasparente colorato (cartellette, ritagli diplexiglass sia a superficie liscia che a buccia d arancia, sia trasparenti incolore che colorati) Prismi di plexiglass (o gocce di vetro da lampadario, attenzione!) Specchi sia piani che curvi (anche metallici o di carta specchio), sia orizzontali sia verticali o inclinati CD Cartoncini non trasparenti di diverso colore e superficie (liscia/ruvida; riflettente/opaca; ) Proiettore da diapositive con inseriti pezzetti di plastica ( o gelatine da fotografia) colorati trasparenti, o pezzetti di materiale diverso (carta, petali, trine e merletti,..) da osservare sia direttamente sia proiettati Lavagna luminosa con cartellette trasparenti contenenti materiali analoghi al caso precedente

23 Attivitàsu luce e colore Fare interagire la luce con i diversi materiali Organizzare i materiali in categorie a seconda del loro comportamento rispetto alla luce (che fanno/non fanno passare la luce, che non permettono di vedere attraverso,.) Organizzare i fenomeni in categorie (la luce viene rimandata indietro (riflessione/diffusione); riesce a passare (rifrazione); rimane intrappolata (assorbimento) Colore della luce/colore delle tinte, differenza nei colori primari e nella loro sintesi: Mescolanza o sovrapposizione di luci su una superficie bianca e/o nei nostri occhi (luce rossa piùluce verde dàluce gialla; luce gialla piùluce blu dàbianco;) Mescolanza di tinte: gli stessi colori (visti per la luce) delletinte mescolati danno marrone scuro-nero Separazione di luci (prisma, pezzi di plastica o gocce da lampadario sfaccettate, CD, arcobaleno) Separazione di tinte (

24 Siti di riferimento Per il tema LUCE E VISIONE: In particolare nella sezione Risorse l esperienza con la scuola materna Per il tema COLORE, la parte del sito ad esso dedicata E per insegnanti