Unità di Apprendimento: dalla propagazione della luce alle fibre ottiche

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1 Università Cattolica del Sacro Cuore Sede di Brescia Scuola di Specializzazione per l Insegnamento Secondario Indirizzo Fisico Matematico Informatico Anno Accademico Classe di abilitazione: A049 Verifica e Valutazione in Matematica e Fisica: Problemi, Metodi e Strumenti Prof. Antonio Marro Unità di Apprendimento: dalla propagazione della luce alle fibre ottiche Laura De Carlo Mat

2 Unità di apprendimento DALLA PROPAGAZIONE DELLA LUCE ALLE FIBRE OTTICHE DATI IDENTIFICATIVI DESTINATARI: alunni di una classe quarta di un Liceo Scientifico di Ordinamento DOCENTI COINVOLTI: fisica ARTICOLAZIONE DELL APPRENDIMENTO UNITARIO Riferimento ai documenti PeCuP (2 ciclo) - Ragionare sul perché e sul come di problemi pratici e astratti; isolare cause ed effetti - Confrontarsi con gli aspetti operativi dei concetti e delle teorie. - Comprendere la realtà naturale attraverso l applicazione di metodi adeguati di osservazione, di indagine e di procedure sperimentali propri delle scienze. - Comprendere il ruolo che il linguaggio matematico ricopre in quanto strumento essenziale per descrivere, comunicare, formalizzare, dominare i campi del sapere scientifico e tecnologico. - Mettere in relazione la tecnologia con i contesti socio-ambientali e con i processi storico-culturali che hanno contribuito a determinarla. - Utilizzare strumenti di consultazione e strumenti informatici per ricavare documentazioni, elaborare grafici e tabelle comparative PeCuP (licei) - Avere gli strumenti culturali e metodologici per porsi con atteggiamento razionale e critico di fronte alla realtà, ai suoi fenomeni ed ai problemi; - Possedere gli strumenti matematici necessari per la comprensione delle discipline scientifiche e per poter operare nel campo delle scienze applicate; - Comprendere il tipo di indagine propria delle discipline scientifiche, la modellizzazione dei fenomeni, la convalida sperimentale del modello, l interpretazione dei dati sperimentali; - Collocare il pensiero scientifico nella storia delle scoperte scientifiche e delle invenzioni tecnologiche; - Acquisire le conoscenze tecniche e tecnologiche indispensabili nella vita quotidiana e sperimentare l uso di semplici strumenti tecnologici; conoscere le caratteristiche dei sistemi tecnici semplici e i tipi di funzioni da essi svolte; individuare le connessioni tra scienza e tecnica; - Seguire lo sviluppo scientifico e tecnologico, consapevoli delle potenzialità e dei limiti degli strumenti impiegati per trasformare l esperienza in sapere scientifico; - Individuare i caratteri specifici e le dimensioni tecnico-applicative dei metodi di indagine utilizzati dalle scienze sperimentali. Obiettivi Generali del processo formativo Ricerca dell unità della cultura. Il rapporto libero, aperto, costruttivo e critico con le diverse prospettive di ricerca consente ai giovani di costruirsi una personale visione del mondo e di integrare in modo armonico le diverse componenti della propria personalità. Avvaloramento della storicità. I contenuti e i metodi di ogni disciplina si arricchiscono di senso e di motivazione quando sono posti all interno di uno sfondo storico e sociale che ne giustifichi e contestualizzi la nascita, lo scopo e lo sviluppo. Consapevolezza dell analogicità del concetto di scienza. Scientificità è rendere ragione in modo pubblico e rigoroso della realtà che si studia e problematizzare, sul piano logico e sociale, posizioni ed ipotesi rispetto alla stessa, con serietà metodologica e atteggiamento critico. Riconoscimento del valore della problematicità. La dimensione problematica rimanda all originaria complessità del reale, agli interrogativi esistenziali che tale complessità ha suscitato e suscita negli uomini, al rigore argomentativo che deve accompagnare le risposte a tali interrogativi, alla collocazione psicologica, storica e sociale delle visioni del mondo di

3 ciascuno. Competenza è orientarsi in questo dimensione, assumendola come ordinario atteggiamento professionale e di vita. Obiettivi specifici di apprendimento Conoscenze Strumenti, Modelli e Procedure -Metodologie: formulare ipotesi, sperimentare, interpretare,formulare leggi, elaborare modelli. -Sistema internazionale di misura. -Evoluzione storica delle idee e delle interpretazioni dei fenomeni fisici. Fenomeni luminosi - Ottica geometrica. - Strumenti ottici. Abilità - Individuare le variabili rilevanti in un fenomeno fisico e ricavare relazioni sperimentali tra le grandezze fisiche. - Effettuare misure e valutare l accettabilità del risultato. -Risolvere semplici problemi utilizzando un linguaggio algebrico e grafico appropriato. - Analizzare e descrivere applicazioni dei fenomeni di propagazione della luce. Apprendimento unitario da promuovere Lo studente scopre come le teorie sulla luce e sulla propagazione della stessa, formulate già a partire dal III secolo a.c., abbiano portato in epoca più recente alla progettazione e alla realizzazione di strumenti tecnologici, quali le fibre ottiche, che trovano applicazione in svariati campi della scienza e della tecnologia moderne. Lo studente inoltre riconosce che il funzionamento della fibra ottica può essere descritto qualitativamente con l utilizzo dell ottica geometrica. Compito di apprendimento unitario in situazione Agli studenti viene proposto il compito della risoluzione di una gamma di esercizi di diversa tipologia (problemi, quesiti a risposta chiusa ) che richieda loro di mettere in campo le conoscenze e le abilità acquisite nell unità di apprendimento, unitamente ad abilità già in loro possesso, quali la risoluzione di semplici problemi di trigonometria. Ad esempio: noti gli indici di rifrazione dei due materiali che compongono una fibra ottica, determinare l angolo massimo con cui un fascio di luce monocromatica può entrare in fibra perché la luce possa essere guidata. Determinazione dei singoli obiettivi formativi standard di apprendimento Gli studenti: sviluppano la capacità di utilizzare correttamente termini e definizioni relativi all ottica geometrica; sviluppano la capacità di descrivere la luce e la propagazione della stessa mediante l utilizzo delle grandezze proprie dell ottica; conoscono e comprendono le leggi che regolano la riflessione e la rifrazione della luce; potenziano la capacità di individuare situazioni reali che possono essere descritte e spiegate attraverso l ottica geometrica; potenziano la capacità di passare dall osservazione di un fenomeno ad una legge fisica; conoscono e comprendono il funzionamento di una fibra ottica; riconoscono la fibra ottica come strumento dalle molteplici applicazioni pratiche.

4 Mappa concettuale Propagazione della luce Rifrazione Riflessione Riflessione Totale Interna Angolo critico Fibra ottica MEDIAZIONE DIDATTICA E ATTIVITÀ LABORATORIALI Prerequisiti - nozione di angolo - definizione di seno e coseno di un angolo - nozione di retta, piano, retta perpendicolare ad un piano - concetto di onda - grandezze caratteristiche delle onde Tempi Secondo gli OSA del 2005 l ottica geometrica andrebbe affrontata nel primo biennio del secondo ciclo. A mio parere è consigliabile collocare questa unità di apprendimento durante il II quadrimestre del quarto anno (L.S. di Ordinamento), in quanto a questo punto del percorso formativo gli studenti hanno già affrontato la goniometria con l insegnante di Matematica, e hanno quindi familiarità con le funzioni goniometriche. Inoltre ritengo che al quarto anno gli studenti possano apprezzare maggiormente l aspetto applicativo e tecnologico dell unità. L unità di apprendimento si sviluppa in 6 ore, a cui va aggiunta 1 ora per la somministrazione del questionario di verifica. Metodi Lezioni in aula, lezioni nel laboratorio di fisica con l utilizzo di strumenti ottici e di software di supporto per il calcolo. Dove è possibile, si effettua prima l esperienza in laboratorio e poi il fenomeno osservato viene esposto in classe dall insegnante. Non ritengo consigliabile iniziare l UA con una lezione in laboratorio in quanto l ottica geometrica è un argomento del tutto nuovo per gli alunni, i quali messi di fronte ad un esperienza di laboratorio potrebbero essere un po disorientati. Strumenti - libro di testo - lavagna - schede preparate dall insegnante - strumenti ottici - foglio di calcolo

5 Soluzioni organizzative Organizzazione del percorso didattico Argomento Tempi Modalità nella Trattazione Strumenti Introduzione all ottica ½ ora Lezione dialogata: - L insegnante guida gli studenti al riconoscimento dell importanza dello studio della luce, attraverso l individuazione di situazioni inconsuete (miraggio, fata morgana ) che possono essere spiegate mediante l ottica geometrica. - L insegnante mostra agli studenti, mediante l utilizzo di alcuni semplici strumenti ottici, le caratteristiche peculiari della propagazione della luce e della riflessione della luce da una superficie. - Lavagna - Strumenti ottici (sorgente monocromatica, specchio piano) Argomento Tempi Modalità nella Trattazione Strumenti Propagazione e riflessione della luce ½ ora Lezione frontale: - fronti d onda e raggi - propagazione rettilinea della luce - velocità della luce - riflessione della luce (leggi sperimentali della riflessione) - Lavagna - Libro di testo Argomento Tempi Modalità nella Trattazione Strumenti Riflessione e rifrazione della luce 2 ore Lezione in laboratorio: L insegnante guida gli alunni alla realizzazione di alcune esperienze di laboratorio: -misura dell angolo di riflessione -osservazione del fenomeno della rifrazione, sia nel caso di luce proveniente da un mezzo otticamente meno denso che viceversa -osservazione dell esistenza di un angolo limite -misura dell angolo di rifrazione e dell angolo critico per un particolare mezzo I dati raccolti possono essere analizzati mediante l ausilio del software Excel (o altro foglio di calcolo) - Schede preparate dall insegnante - Sorgente monocromatica - Specchio piano - Prismi con diversi indici di rifrazione - Goniometro - Foglio di calcolo Argomento Tempi Modalità nella Trattazione Strumenti Rifrazione della luce 2 ore Lezione frontale: - principio di Huygens - leggi di Snell - indice di rifrazione - risoluzione di semplici quesiti che aiutino ad acquisire il concetto di indice di rifrazione - concetto di densità ottica - propagazione da un mezzo otticamente meno denso ad uno otticamente più denso e viceversa - angolo limite e riflessione totale - calcolo dell angolo limite per alcune coppie di materiali - Lavagna - Libro di testo - Eventuali schede di approfondimento

6 Argomento Tempi Modalità nella Trattazione Strumenti Le fibre ottiche: funzionamento e applicazioni 1 ora Lezione frontale: - cos è una fibra ottica: struttura - alcuni cenni storici - costruzione - principio di funzionamento - applicazioni ed utilizzi delle fibre ottiche: telecomunicazioni, sensori, endoscopio, fibroscopio, lampade decorative A conclusione della lezione l insegnante utilizza alcune sorgenti di luce e delle fibre ottiche in vetro e in materiale plastico per mostrare agli studenti come queste guidano la luce. - Lavagna - Libro di testo - Schede preparate dall insegnante - Fibre ottiche (di materiale vetroso o polimerico) - Sorgenti di luce CONTROLLO DEGLI APPRENDIMENTI Conoscenze e abilità apprese Per la verifica delle conoscenze e delle abilità si propone, al termine dell unità di apprendimento, una verifica sommativi costituita da quesiti strutturati e oggettivi (v. questionario riportato sotto). Per avere dei riscontri intermedi sul livello delle conoscenze acquisite può essere utile effettuare interrogazioni molto brevi sui contenuti già analizzati, oppure chiedere agli studenti di risolvere autonomamente brevi problemi e consegnare la risoluzione all insegnante. Inoltre ritengo opportuno richiedere agli studenti una breve relazione sull attività svolta in laboratorio, al fine di stimolare la partecipazione attiva di ogni elemento del gruppo classe. Competenze Per verificare che, a seguito dell unità di apprendimento, gli studenti abbiano acquisito delle competenze personali, proporrei la risoluzione, autonoma o a piccoli gruppi, di un problema che richieda l impiego dei contenuti affrontati nell unità di apprendimento, ma anche di conoscenze e competenze già in possesso degli studenti (si veda l esercizio proposto come compito di apprendimento in situazione). I diversi metodi eventualmente utilizzati per la risoluzione dell esercizio vengono discussi e confrontati insieme, al fine di individuare punti di forza e debolezze di ciascuno dei metodi scelti.

7 Questionario di Verifica Scegli l alternativa corretta tra quelle proposte. N.B. Ogni quesito ha una sola risposta corretta. 1. Quale dei seguenti fenomeni NON si può spiegare con l ottica geometrica? fata morgana miraggio diffrazione matita spezzata nell acqua 2. Un fronte d onda: è sempre circolare è sempre piano è parallelo a un raggio è descritto da una superficie di punti in fase tra loro 3. Un fascio di luce monocromatica incide su uno specchio piano con un angolo di incidenza di 30. Qual è l angolo compreso tra il raggio incidente e quello riflesso? dipende dal materiale con cui è fatto lo specchio 4. Quando un fascio di luce monocromatica viene riflesso da una superficie: l angolo formato dai raggi incidente e riflesso è sempre di 90 il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente giacciono tutti nello stesso piano il raggio riflesso ha la stessa direzione del raggio incidente, ma verso opposto la velocità del fascio di luce cambia 5. La legge di Snell afferma che (θ i =angolo d incidenza; θ r =angolo di rifrazione): n2 sinθi = sinθr n1 sinθr n2 sinθ = i n1 1 sinθi = sinθr n2 1 sinθ i = n 2

8 6. L indice di rifrazione: è sempre uguale o maggiore di 1 è inversamente proporzionale alla velocità della luce in quel mezzo è inversamente proporzionale alla frequenza della luce in quel mezzo tutte le risposte precedenti sono valide 7. Sapendo che la velocità della luce nel plexiglas è di 2.03x10 8 m/s, qual è il valore dell indice di rifrazione di questo materiale? (Si assuma che nell aria la luce viaggi ad una velocità di 3x10 8 m/s) Si misura l angolo limite per un certo tipo di vetro e si trova che è 39. Qual è l indice di rifrazione di tale vetro? Si ha il fenomeno della riflessione totale quando: Il raggio incidente e il corrispondente raggio rifratto formano un angolo di 90 L angolo d incidenza è tale da originare un angolo di rifrazione minore dell angolo limite Il raggio incidente situato nel mezzo più rifrangente forma con la normale nel punto d incidenza un angolo maggiore dell angolo limite La luce nel passare da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente forma un angolo d incidenza di 90

9 10. L effettivo cammino di un raggio di luce vicino all interfaccia tra aria e vetro è rappresentato da: 11. In una fibra ottica l indice di rifrazione del nucleo: deve essere minore di quello del mantello deve essere maggiore di quello del mantello è sufficiente che sia diverso da quello del mantello è sufficiente che sia maggiore di quello dell aria, indipendentemente da quello del mantello 12. Una fibra ottica è costruita impiegando due materiali con indice di rifrazione 1.48 e Qual è il valore dell angolo critico per questa fibra?