Giochi di rifrazione. Atri, 29 maggio 2014 Sezione AIF Teramo Aprutium Physics in action. Prof.ssa Carmelita Cipollone

Transcript

1 Giochi di rifrazione Atri, 29 maggio 2014 Sezione AIF Teramo Aprutium Physics in action

2 Giochi di rifrazione Physics Snack : Water Sphere Lens Trasparenze

3 Physics Snack : Water Sphere Lens Exploratorium San Francisco Hands On Activities Education/Tools for Teaching/Snacks

4 Physics Snack : Water Sphere Lens Water Sphere Lens: Make a lens and a magnifying glass by filling a bowl with water. Formazione dell immagine: diritta o rovesciata? ingrandita o rimpicciolita? da cosa dipende?

5 Physics Snack : Water Sphere Lens

13 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014 Giochi di Anacleto - Gara di Fisica organizzata dall AIF Fase di Istituto per le Olimpiadi Europee delle Scienze (EUSO, European Union Science Olympiad)

14 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014 L EUSO è una manifestazione europea annuale, nella quale gli studenti sono chiamati a risolvere, in squadra e in due giornate diverse, due problemi, ciascuno dei quali contiene parti teoriche e sperimentali nelle aree di Biologia, Chimica e Fisica. Ogni nazione è rappresentata da due squadre, ciascuna composta da tre studenti dei primi due anni della scuola secondaria superiore di secondo grado (17 anni non compiuti).

15 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014 Giochi di Anacleto 2014 Prova di Laboratorio 8 maggio Trasparenze Misura dell indice di rifrazione dell olio rispetto all aria Attenta lettura delle indicazioni, esecuzione e osservazione, rappresentazione dei cammini ottici, raccolta dati elaborazione dati : rappresentazione della curva di fitting, calcolo dell indice di rifrazione, calcolo dell errore

16 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014 Indicazioni: Ingrandimento di un goniometro su foglio A3 con due diametri perpendicolari segnati. Vaschetta (di plastica trasparente, meglio se con spigoli non arrotondati) riempita di olio, posizionata con uno spigolo lungo il diametro parallelo al lato corto del foglio A3. Uno spillo fisso CF nel centro del cerchio (addossato alla vaschetta) Dalla parte di CF fissare un secondo spillo C1 sulla circonferenza del goniometro (non sui diametri segnati). Dalla parte opposta della vaschetta: osservare fino a che vediamo CF e C1 allineati e fissare altri due spilli CA e CB in modo da vedere tutti e quattro gli spilli allineati (CA addossato alla vaschetta).

17 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014

19 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014 I segmenti CFC1, CFCA e CACB descrivono il cammino ottico del raggio di luce. Prolungare il raggio CFCA fino a farlo intersecare con la circonferenza (punto R). Proiettare C1 e R sul diametro parallelo al lato lungo del foglio (rispettivamente H e S). Misure di C1H e di RS (attraverso le ampiezze degli angoli...) Rapporto tra le misure dei segmenti C1H e RS.

21 Trasparenze Giochi di Anacleto 2014 Ripetere scegliendo altre posizioni per C1. Costruire una tabella di valori per le misure di C1H e RS, Analisi dei dati e loro rappresentazione (su carta millimetrata) si trova l indice di rifrazione dell olio rispetto all aria come valor medio dei rapporti tra le misure di C1H e RS (valore atteso 1,47 per olio di semi di mais)

23 Olimpiadi Italiane di Fisica Gara di Fisica organizzata dall AIF, composta da tre fasi: di Istituto, Regionale, Nazionale. La fase di Istituto si svolge ogni anno nel mese di dicembre e consiste in 40 domande a risposta multipla

24 Olimpiadi Italiane di Fisica La fase Regionale si volge ogni anno nel mese di febbraio ed è una prova solo teorica, distinta in Quesiti e Problemi, di cui viene richiesto lo svolgimento; partecipano alla fase regionale i primi cinque studenti classificati nella gara di Istituto della propria scuola

25 Olimpiadi Italiane di Fisica La fase Nazionale ha luogo ogni anno nel mese di aprile a Senigallia; consiste in una prova pratica (4 ore) e una teorica (4 ore), svolte individualmente e in due giornate consecutive; vi partecipano 100 studenti (il primo di ogni polo più gli studenti che hanno un punteggio superiore ad una soglia fissata anno per anno in base ai risultati nazionali)

26 Olimpiadi Italiane di Fisica Come responsabile del Polo di Pescara per l Abruzzo, dall a.s. 2009/2010: organizzo la fase Regionale che coinvolge circa 100 studenti abruzzesi ogni anno; sono membro della Commissione di correzione e valutazione degli elaborati della fase Nazionale.

27 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 10 aprile 2014

28 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 1) Indice di rifrazione del PMMA Parallelepipedo di PMMA Foglio di carta millimetrata Scegliere due linee sul foglio di carta millimetrata e ruotare il PMMA fino a che, guardando attraverso il PMMA, le due linee compaiono una il prolungamento dell altra.

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33 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 1) Indice di rifrazione del PMMA Ricostruendo il percorso della luce, l indice di rifrazione è calcolabile attraverso la legge di Snell-Cartesio: bisogna tracciare la normale alla superficie del PMMA, fissare un punto P su questa e proiettare P su a (H) e sulla direzione data dal prolungamento della deviazione di b su a (H1) ; in questo modo si può calcolare : sin ( α ) PH = sin ( β ) PH1 (valore atteso 1,49)

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36 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Parallelepipedo di PMMA Bastoncino di cotone Acqua, Carta millimetrata, spilli Far aderire bastoncino ad una faccia del PMMA e guardare attraverso una faccia contigua: si riesce a vedere il bastoncino? E se viene bagnato il bastoncino? La risposta cambia se il PMMA viene ruotato?

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40 Immagine dalla soluzione del Gruppo AIF Progetto Olimpiadi

41 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Il raggio proveniente dal cotone asciutto, incide su una faccia con un angolo α1 e subisce una prima rifrazione per un angolo β1. Questo raggio rifratto incide a sua volta (internamente) sulla faccia contigua con un angolo α2 che è complementare di β1 (essendo le facce contigue perpendicolari tra loro)

42 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Il PMMA ha angolo limite dato da : arcsin(1/npmma) = 42 Da β1 < 42 segue α2 > 48. Un angolo maggiore dell angolo limite produce riflessione totale, per questo non si può vedere il bastoncino di cotone asciutto.

43 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Quando il bastoncino viene bagnato, il cotone è visibile attraverso la faccia contigua. Questo vuol dire che l angolo α2 < 42, ovvero β1 > 48 : il fatto che il cotone sia bagnato modifica l ampiezza dell angolo di rifrazione!

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47 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Indicando con β2 l angolo di visuale (formato normale alla superficie), bisogna far ruotare il fino a che il cotone non è più visibile: in posizione sarà β1> β1max angolo limite del relativo all acqua. con la PMMA questa PMMA

48 Immagine dalla soluzione del Gruppo AIF Progetto Olimpiadi

49 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Per individuare il valore di β1max : angolo limite del PMMA relativo all acqua : Posizionare il PMMA sul foglio di carta millimetrata e fissare una retta di visuale attraverso due spilli; Far aderire il bastoncino di cotone bagnato su una faccia contigua a quella che si ha di fronte e ruotare il PMMA attorno ad un asse verticale fino a che il bastoncino sia ben visibile e allineato con gli spilli (bastoncino posizionato aderente alla faccia il più possibile vicino allo spigolo opposto)

50 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua A questo punto ruotare il PMMA rispetto ad un asse verticale e mantenere la macchia allineata con gli spilli, fino a che non appaia e scompaia per piccoli spostamenti: questa posizione critica va registrata sulla carta millimetrata e va utilizzata per calcolare l indice di rifrazione del PMMA relativo all acqua e l indice di rifrazione dell acqua rispetto all aria.

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55 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Si può misurare il sinβ2, essendo β2 l angolo emergente (tra la normale alla faccia e la linea di visuale). Applicando la legge di Snell-Cartesio, conoscendo l indice di rifrazione npmma rispetto all aria, si può ricavare il sinα2: sin (α 2)= sin (β 2) n PMMA

56 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua

57 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 2) Indice di rifrazione dell acqua Essendo β1 il complementare di α2, si può calcolare sinβ1 e quindi l indice di rifrazione del PMMA rispetto all acqua. In questa posizione critica è infatti n PA= 1 sin (β 1) Il valore atteso è npa = 1,12. Di conseguenza si trova n A= n PMMA = 1,33 n PA

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59 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 3) Indice di rifrazione di un materiale gelatinoso Sferette gelatinose Specchio piano Foglio trasparente con griglia Supporti vari Misura del raggio della sferetta Legge delle lenti non sottili (sfera rifrangente) Misura distanza focale sfera rifrangente Calcolo dell indice di rifrazione della sfera rifrangente

60 Olimpiadi Italiane di Fisica 2014 Prova di laboratorio 3) Indice di rifrazione di un materiale gelatinoso In questa ultima fase viene chiesto di: misurare il raggio della sferetta determinare la distanza focale della lente-sferetta, avendo fornito la legge per le lenti non sottili e precisato che il centro della lente-sferetta coincide con il centro geometrico di questa determinare l indice di rifrazione del materiale di cui è composta la lente-sferetta (acqua)...

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62 Giochi di rifrazione... curiosità, interesse, motivazione, desiderio di comprendere i perché di ciò che si sta osservando... In ciascuna attività il docente può scegliere il livello di approfondimento.

63 Giochi di rifrazione Grazie Per l attenzione!