La luce. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce. LSS a.s Classe seconda
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- Armando Cattaneo
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1 La luce Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce LSS a.s Classe seconda
2 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Biennio Tecnico settore Tecnologico Classe seconda Disciplina: Fisica e laboratorio Ore curricolari: tre ore settimanali (2+ 1 ora in laboratorio) Periodo di svolgimento dell attività: periodo finale del secondo quadrimestre
3 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Finalità Sviluppo della motivazione ad apprendere Acquisizione di competenze Crescita dell autonomia e della consapevolezza Spesso gli studenti conoscono sommariamente già il fenomeno della riflessione ma non adeguatamente quello della diffusione, della rifrazione e della dispersione. Non hanno sempre competenze nell interpretazione analitica dei fenomeni luminosi anche semplici nella realtà quotidiana, per esempio non individuano come sorgenti di luce secondarie i corpi opachi o non interpretano la visione di un corpo come luce che colpisce l occhio. A volte la luce è considerata concentrata nell oggetto illuminato ma non nello spazio circostante. La finalità è quella di produrre negli allievi dei conflitti cognitivi in modo che gli studenti stessi possano ristrutturare la rete di conoscenze possedute ricostruendola ad un livello più elevato conducendo un attività sperimentale in modo da giungere in modo autonomo e consapevole alla corroborazione delle leggi della riflessione e della rifrazione della luce.
4 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Obiettivi di apprendimento Esaminare una situazione fisica formulando ipotesi esplicative attraverso modelli Saper applicare le leggi della riflessione e della rifrazione in contesti reali Saper riconoscere la differenza tra riflessione speculare e riflessione diffusa Saper interpretare la luce come ente dinamico che si propaga nello spazio e interagisce con i corpi materiali Saper interpretare la dispersione della luce Capacità di realizzare un processo di misurazione Competenza nell uso di un lessico scientifico corretto
5 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Prerequisiti Geometria dei triangoli e funzione goniometrica seno Uso di calcolatrice scientifica con funzioni seno e arcoseno. Densità. Velocità. Energia e sue trasformazioni. Frequenza di un fenomeno periodico. Incertezza di una misura e grafici sperimentali.
6 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Approccio metodologico Osservazione Concettualizzazione Discussione e ipotesi Sintesi Attività
7 LA LUCE: Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Metodologia didattica Brainstorming Attività laboratoriale Apprendimento cooperativo Lezione dialogica Ricerca sul web Problem solving Il metodo di lavoro ha cercato di rendere gli studenti protagonisti del proprio percorso di apprendimento, favorire la riflessività e l autovalutazione. I gruppi di lavoro degli allievi hanno predisposto in modo autonomo i documenti per l elaborazione dei dati con uso di pc.
8 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Materiali, strumenti e dispositivi usati Specchietti piani e curvi, prismi in vetro e plexiglas Sorgente di luce bianca e sorgente laser Goniometro Banco ottico Ambiente in cui è stato sviluppato il lavoro Aula di Laboratorio di fisica Aula attrezzata con pc e collegamento Internet Tempi Per la progettazione specifica del progetto: 8 ore Tempo scuola effettivamente impiegato: 12 ore Tempo per la documentazione: 10 ore
9 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Altre informazioni Con l attività svolta nel mese di maggio sono stati sviluppati i temi della riflessione, diffusione e rifrazione della luce. Non è stato possibile sviluppare tutta l attività inizialmente progettata per quanto riguarda la dispersione della luce perché gli studenti sono stati impegnati in altre attività scolastiche. Il tema della riflessione applicata alla centrale solare termodinamica ha offerto spunti per collegamenti con la programmazione prevista nella disciplina di Scienze e Tecnologie Applicate.
10 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Fase iniziale Stimolare curiosità e motivazione Facciamo luce.. Che succede?. fata morgana nello Stretto di Messina?
11 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Recupero delle preconoscenze Chi «fa» luce?..quali sorgenti di luce conoscete? il sole le stelle..le lampadine.fulmini e lampi..una resistenza elettrica riscaldata.le lucciole.una fiamma una candela un fiammifero..il laser.. Quali sono le superfici riflettenti la luce? gli specchi le superfici metalliche. Cosa sono i corpi trasparenti alla luce, i corpi opachi e i corpi traslucidi?.i corpi trasparenti fanno passare la luce. i corpi opachi no i corpi traslucidi riflettono la luce. La luce si propaga sempre in linea retta? sì un raggio di sole
12 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Condivisione di lessico: agli studenti viene richiesta la classificazione Corpo opaco corpo trasparente corpo traslucido
13 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Discussione: termine «Plastica», può essere trasparente termine «Vetro colorato», può essere trasparente In collegamento con la disciplina di chimica approfondire il termine «plastica» e «vetro»
14 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Osservazione : possiamo ritenere che la luce si propaghi in linea retta?
15 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Osservazione: la luce si propaga in linea retta?
16 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Discussione e Attività S1 : S2 = D1 : D2 distanza oggetto da sorgente: distanza schermo ombra da sorgente = diametro oggetto : diametro ombra
17 LA LUCE. Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce Discussione Sorgente estesa Modello di sorgente puntiforme Fascio luminoso Pennello luminoso Modello di Raggio luminoso Fascio di luce può essere ridotto attraverso schermi ma non può essere isolato un singolo raggio Uso di LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) come sorgente puntiforme luce monocromatica rossa, piccola divergenza (pennello luminoso), si propaga in una sola direzione
18 La riflessione della luce
19 La riflessione della luce Discussione e ipotesi Cosa succederà se inviamo un raggio di luce prodotto da un laser su uno specchietto piano?.. torna indietro. viene riflesso. possiamo quindi parlare di raggio luminoso incidente e di raggio luminoso riflesso Cosa succederà se variamo la direzione del raggio luminoso incidente sullo specchietto?. viene sempre riflesso dallo specchietto Quale direzione avrà il raggio riflesso rispetto a quello incidente?.. torna sempre indietro come se rimbalzasse sullo specchio.. no non è detto..
20 La riflessione della luce Come possiamo rappresentare la direzione del raggio incidente sullo specchietto? Tracciando una retta.. Misurando un angolo. Viene deciso dagli studenti di disegnare due rette ortogonali di riferimento su un foglio trasparente. Il foglio viene disposto al centro del goniometro orizzontale allineando una delle rette con il bordo dello specchietto e l altra coincidente di conseguenza con la normale alla superficie dello specchietto.
21 La riflessione della luce
22 La riflessione della luce
23 La riflessione della luce
24 La riflessione della luce Osservazione Gli studenti fanno variare la posizione dello specchietto ruotando il goniometro orizzontale su cui è appoggiato. Osservano la variazione di direzione del raggio riflesso.
25 La riflessione della luce Discussione e Riorganizzazione ipotesi Esiste una relazione tra la direzione del raggio incidente e la direzione del raggio riflesso? Condivisione di lessico comune: angolo di incidenza i l angolo tra la direzione del raggio incidente e la normale alla superficie dello specchietto nel punto di incidenza angolo di riflessione r l angolo tra la direzione del raggio riflesso e la normale alla superficie dello specchietto nel punto di incidenza
26 La riflessione della luce Attività pratica
27 La riflessione della luce
28 La riflessione della luce
29 La riflessione della luce
30 La riflessione della luce
31 La riflessione della luce Sintesi e formalizzazione Uso del testo scolastico Leggi della riflessione 1. Il raggio incidente, la normale alla superficie riflettente nel punto di incidenza e il raggio riflesso giacciono nello stesso piano 2. L angolo di incidenza i è uguale all angolo di riflessione r Schematizzazione grafica
32 La riflessione della luce Rappresentazioni grafiche degli studenti
33 La riflessione della luce Uso del testo scolastico e del web Willebrord Snell van Royen Snellius René Descart Cartesio
34 La riflessione della luce Discussione e ipotesi Se la superficie riflettente non fosse piana ma curva, succederebbe alla direzione del raggio riflesso?.. L angolo di incidenza e quello di riflessione sono uguali.. cambia la direzione della normale alla superficie.... Proviamo con lo specchietto curvo. cosa Gli studenti decidono di disporre uno specchietto curvo sul goniometro orizzontale, mantenere fissa la direzione del raggio incidente, variare la posizione dello specchietto.
35 La riflessione della luce Osservazione
36 La riflessione della luce
37 La riflessione della luce Sintesi Cambiando la posizione dello specchietto curvo cambia la direzione della normale alla superficie riflettente nel punto di incidenza, di conseguenza cambia l angolo di incidenza. L angolo di riflessione è uguale all angolo di incidenza e il raggio riflesso varia così la direzione. Schema grafico
38 La riflessione della luce su superficie sferica Rappresentazione grafiche degli studenti
39 La diffusione della luce Formalizzazione Le superficie riflettenti lisce come per esempio gli specchi o le superfici metalliche ben levigate, sia piane che curve, si dicono superfici speculari. Si assiste al fenomeno della cosiddetta riflessione speculare. Si ha un immagine riflessa. Quando un fascio di luce incide su una superficie riflettente non liscia ma rugosa si ha il fenomeno della diffusione della luce ovvero della riflessione diffusa. Molte superfici che a prima vista sembrano lisce, presentano molto spesso, sia pure a livello microscopico, una struttura scabra. Ciascun raggio incidente si riflette con le leggi della riflessione, ma poiché la superficie riflettente non ha una giacitura fissa, i raggi riflessi hanno direzioni che variano disordinatamente. E per questo fenomeno che riusciamo a vedere i corpi illuminati dalle sorgenti di luce da qualunque posizione. Non c è immagine riflessa. La riflessione sulla pagina di un quaderno è riflessione diffusa. La riflessione diffusa ci permette di vedere la strada quando guidiamo di notte perché parte della luce emessa dai fari si riflette indietro verso di noi.
40 La diffusione della luce Sorgente luce Oggetto diffonde luce occhio Retina cervello
41 La diffusione e la riflessione della luce
42 La diffusione della luce Sintesi Corpo che emette luce = sorgente luminosa Sorgenti primarie di luce emettono luce utilizzando energia prodotta da processi che avvengono al loro interno Sorgenti secondarie di luce diffondono la luce della sorgente primaria incidente, ridistribuiscono la luce nello spazio Per poter vedere un oggetto è necessario che un fascio di luce emesso da una sorgente colpisca l oggetto e venga da questo riflesso o diffuso in direzione dei nostri occhi (rilevatori di luce). La luce che entra negli occhi viene percepita dai fotorecettori della retina che mandano l informazione al cervello. Le informazioni che arrivano vengono poi elaborate dal cervello per costruire l immagine dell oggetto. Ogni oggetto può essere visto soltanto se è in grado di diffondere la luce ricevuta Per diffusione si vede la Luna di notte (sorgente secondaria di luce), una lampadina spenta può essere sorgente di luce secondaria.
43 Riflessione o diffusione? Uso del web Che cos è un catarifrangente? Il catarifrangente è un dispositivo ottico che riflette la luce nella stessa direzione da cui proviene.
44 La riflessione della luce Uso del web e Attività pratica: riflessione negli specchi sferici concavi e convessi Centrale solare termodinamica a concentrazione
45 La rifrazione della luce Che sta succedendo?
46 La rifrazione della luce Perché vediamo questo?..c è l acqua che ci fa vedere diversa la matita..perché?
47 La rifrazione della luce Discussione e Ipotesi Cosa succederà se un raggio luminoso laser incontra un solido trasparente?. Prosegue attraverso il solido se è trasparente. Qualunque sarà l angolo di incidenza il raggio luminoso procederà nel solido trasparente con la stessa direzione? sì. Riorganizzazione ipotesi Cosa succederà se un raggio luminoso laser passa dall aria a un mezzo solido trasparente? Cosa succederà se un raggio luminoso laser passa da un mezzo solido trasparente all aria?
48 La rifrazione della luce Osservazione Il raggio laser viene deviato in corrispondenza della superficie tra aria e solido Lessico: il raggio viene rifratto
49 La rifrazione della luce Attività pratica Condivisione di lessico comune: Mezzo 1: aria Mezzo 2: plexiglas angolo di incidenza i l angolo tra la direzione del raggio incidente e la normale alla superficie di separazione dei due mezzi nel punto di incidenza angolo di rifrazione r l angolo tra la direzione del raggio rifratto e la normale alla superficie di separazione dei due mezzi nel punto di incidenza Gli studenti mettono a confronto la misura dell angolo di rifrazione con quella dell angolo di incidenza.
50 La rifrazione della luce Attività pratica
51 La rifrazione della luce Attività pratica
52 La rifrazione della luce Attività pratica Mezzo 1 aria mezzo 2 plexiglas Gli studenti concludono che l angolo di rifrazione è sempre minore dell angolo di incidenza. Evidenziano che all aumentare dell angolo di incidenza aumenta l angolo di rifrazione, non evidenziano un legame di proporzionalità diretta, non evidenziano un legame di proporzionalità quadratica.
53 La rifrazione della luce Sintesi e formalizzazione Uso del libro di testo Leggi della rifrazione Il raggio incidente, la normale alla superficie di separazione dei due mezzi nel punto di incidenza e il raggio rifratto giacciono sullo stesso piano Tra il seno dell angolo di incidenza e il seno dell angolo di rifrazione esiste un rapporto costante al variare dell angolo di incidenza sin i /sin r = n 12 La costante si chiama indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo che, per un determinato colore della luce, dipende dai mezzi considerati.
54 La rifrazione della luce
55 La rifrazione della luce Rappresentazioni grafiche degli studenti
56 La rifrazione della luce
57 La riflessione totale della luce Discussione e ipotesi Nei limiti degli errori sperimentali, si può ritenere costante il rapporto sin i/sin r; il raggio luminoso passando dall aria al plexiglas si è avvicinato alla normale alla superficie di separazione. Cosa succederà se facciamo passare il raggio laser dal plexiglas all aria?. Non cambierà la situazione il raggio verrà rifratto Ma l angolo di rifrazione sarà sempre minore dell angolo di incidenza? Potrà invece valere un principio di reciprocità del cammino luminoso cioè se l angolo di rifrazione diventa angolo di incidenza allora l angolo di incidenza diventa di rifrazione?
58 La riflessione totale della luce
59 La riflessione totale della luce Attività pratica i<r r = 90 riflessione totale i < angolo limite l i = angolo limite l i > angolo limite l Se il raggio luminoso passa dal plexiglas all aria, l angolo di rifrazione è minore dell angolo di riflessione Da un certo valore dell angolo di incidenza in poi, angolo limite, aumentando il valore dell angolo di incidenza si verifica solo riflessione i lim = l = sin 1 (1/1,54) 41
60 La riflessione totale della luce Osservazione di prisma a riflessione totale e discussione
61 La riflessione totale della luce Osservazione di prisma a riflessione totale e discussione
62 La riflessione totale della luce Rappresentazioni grafiche degli studenti
63 Riflessione totale su prisma Rifrazione e riflessione su lastra pian-parallela Rappresentazioni grafiche degli studenti
64 L indice di rifrazione Indagine sull indice di rifrazione Indice di rifrazione relativo n12 del secondo mezzo rispetto al primo n12= n2/n1. indice di rifrazione assoluto n = c/v Indice di rifrazione assoluto di una sostanza misura della densità ottica di un materiale Diamante più rifrangente Sostanze isotrope e anisotropiche Cos è un rifrattometro?
65 Museo storico scientifico ISIS Leonardo da Vinci Rifrattometro 1940 Spettroscopio 1960
66 La riflessione totale della luce Uso del web Le fibre ottiche e la riflessione totale La fibra ottica, rivestita da una guaina opaca (jacket), è costituita da due strati concentrici di materiali (polimeri) trasparenti: il core, il nucleo centrale (10μm 50μm) e un mantello intorno ad esso, il cladding (circa 125μm) con indice di rifrazione più basso. La luce penetra attraverso un estremo della fibra nel core in modo da avere all interno della fibra un angolo di incidenza maggiore dell angolo limite subendo continue riflessioni totali sulla superficie di separazione tra core e cladding fino a giungere all altro estremo della fibra. Le fibre ottiche sono usate per esempio nell illuminazione, in medicina nell endoscopia per illuminare organi interni non osservabili, nelle telecomunicazioni
67 La riflessione e rifrazione della luce Che succede?..miraggi Gli studenti sono sollecitati ad interpretare il fenomeno osservato. Richiami sulla variazione di densità di un mezzo in funzione della temperatura.
68 La dispersione della luce..
69 Fase finale prima parte. Verifica degli apprendimenti. Esempi di verifiche proposte. Domande aperte. Uso del web. Il sole al tramonto è già tramontato? Il tramonto del sole si osserva con qualche ritardo rispetto all effettiva discesa sotto la linea dell orizzonte? Qual è la ragione di tale effetto? Indaga sulla variazione della densità dell aria e dell indice di rifrazione atmosferica. Scrivi la risposta Scrivi in cosa consiste il fenomeno della fata morgana nello Stretto di Messina
70 Fase finale prima parte. Verifica degli apprendimenti. Esempi di verifiche proposte. Domande aperte. Un raggio di luce incide sulla superficie di un vetro di un acquario (indice di rifrazione assoluto 1,6) e poi giunge in acqua. Quanto vale l indice di rifrazione relativo nel passaggio aria-vetro e nel passaggio vetro-acqua? Disegna, a livello qualitativo, il percorso del raggio luminoso.
71 Fase finale. Verifica degli apprendimenti. Disegno realizzato da un allievo
72 numero allievi Fase finale. Verifica degli apprendimenti. Valutazione complessiva dell apprendimento del percorso didattico «La Luce» Voto
73 Monitoraggio del processo insegnamento-apprendimento Punti di forza: rafforzamento negli alunni delle capacità relazionali attraverso la condivisione di un «attività di apprendimento» crescita della motivazione degli alunni resi «protagonisti» attraverso la mobilitazione delle risorse personali rinforzo delle competenze degli alunni attraverso un «apprendimento per esperienza» utilizzando ciò che sanno per assolvere compiti e risolvere problemi sviluppo delle capacità metacognitive degli studenti che sono sollecitati a riflettere sul proprio percorso di apprendimento Punti di debolezza: Necessità di tempi scuola maggiori per poter svolgere l attività in un intervallo di tempo ragionevole e non troppo diluito nel tempo rispettando i tempi diversi di apprendimento di ogni studente e dopo aver già consolidato gli indispensabili prerequisiti.
74 La luce Riflessione, diffusione, rifrazione e dispersione della luce LSS
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