Luce, Laser and Ottica: Kit di divulgazione

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1 Luce, Laser and Ottica: Kit di divulgazione

2 materiale fornito: 1 Laser BLOX rosso, 635nm, <1mW 1 Laser BLOX verde, 532nm, <1mW 1 set di lampade (LIGHT BLOX): rosso, verde, blu 1 LED bianco 1 set di 3 lenti di vetro smerigliato 10 goniometri 10 reticoli di diffrazione 500 linee/mm 3 specchi 3 supporti per specchi 1 sacchetto di orsetti di gelatina, rossi, verdi e incolori 1 siringa 1 sacca e 1 guida al kit tabella delle lezioni: ARGOMENTO ETA DURATA Luce monocromatica minuti Luce collimata minuti Luce coerente minuti Assorbimento e orsetti di minuti gelatina Microscopio laser minuti Riflessione e rifrazione minuti Separazione e mescolamento dei colori Misura della lunghezza d onda di un laser Misura dello spessore di un capello umano con il laser minuti minuti minuti

3 PRIMA LEZIONE: luce monocromatica Premessa: Confrontando lo spettro della luce bianca con quello di un LED colorato e quello di un laser, gli studenti osservano che la luce emessa da un laser è monocromatica ed è composta da una sola lunghezza d onda (o colore) della luce. Tempo: 30 minuti Età: anni Materiale: * Lampade di colore rosso, verde e blu con una fessura sul coperchio. * Un laser rosso e uno verde * Diverse sorgenti di luce bianca: LED, torcia, luce della stanza * 10 reticoli di diffrazione Preparazione: 1. Disporre le lampade di fronte alla classe puntate verso la classe così che quando più tardi si accenderà la luce gli studenti possano vederla 2. Disporre i laser in modo che, quando si accenderanno, emettano luce verso un muro bianco LONTANO dagli studenti 3. Distribuire un reticolo di diffrazione per studente Discussione e conoscenze di base Chiedere agli studenti di condividere le loro risposte alla domanda: In che modo la luce del laser è diversa dalle altre luci? che cosa rende una sorgente un laser? Scrivere le risposte degli studenti sulla lavagna e lasciarle dove possano vederle senza commentarle o correggerle. Se si deve ritornare in questa classe in un altro giorno trascriverle anche su carta. Introdurre la lezione dicendo agli studenti che oggi indagheranno una proprietà della luce del laser senza dir loro quale. Vedremo se gli studenti sono in grado di nominarla attraverso la ricerca e la sperimentazione.

4 Sperimentazione e Osservazioni 1.Ricorda agli studenti che la luce bianca è composta di tutte le lunghezze d onda della luce - luce bianca è ciò che vediamo quando le diverse lunghezze d onda della luce interagiscono tra loro. 2. Introduci il reticolo di diffrazione - spiega che il reticolo di diffrazione separa la luce che lo attraversa mostrando uno spettro: una firma di ciascuna delle lunghezze d onda che formano la luce che stiamo guardando. 3. Mostrare agli studenti come usare il reticolo di diffrazione: tenere il reticolo di diffrazione davanti a un occhio e guardare attraverso esso una sorgente luminosa (MAI direttamente il sole o il laser!), poi guardare di lato per osservare lo spettro. 4. Invitare gli studenti a cercare di trovare gli spettri delle varie luci bianche disponibili: tubi al neon, lampadine, torce elettriche. 5. Chiedere agli studenti di descrivere quello che vedono: un arcobaleno. Chiedere quali colori vedono e in che ordine. Per tutte le luci che hanno osservato chiedere quali colori si presentano nello stesso ordine e quali no, o dire in che modo variano. Fare attenzione che arrivino alla conclusione che il violetto o il viola sono i più vicini alla sorgente luminosa. 6.Successivamente dite agli studenti che osserveranno lo spettro di luce da LED di diversi colori. Accendete i LIGHT BLOX e fate osservare che si tratta di LIGHT BLOX rosso, verde e blu che corrisponde a led rossi verdi e blu. 7.Chiedere agli studenti di dire che cosa vedranno guardando i LED/LIGHT BLOX. Vedranno uno spettro? o solo un colore? Il LED è composto da più lunghezze d onda come la luce bianca o solo da una? Invitare uno degli studenti che ha previsto di vedere uno spettro a condividere le sue motivazioni. Invitare uno degli studenti che ha previsto di non vedere uno spettro a condividere le sue motivazioni. 8.Senza commentare o correggere, invitare gli studenti a verificare da soli, usando il reticolo di diffrazione per osservare la luce LED da LIGHT BLOX rosso, verde e blu. Gli studenti potrebbero avere bisogno di avvicinarsi per vedere bene. 9.Chiedere agli studenti di condividere le loro osservazioni e spiegare che anche la luce LED rossa verde e blu è composta da un proprio distinto spettro di colori. 10.Da ultimo, chiedere agli studenti di predire che cosa vedranno quando guarderanno la luce del Laser verde e rosso. Invitare gli studenti a condividere le loro risposte e motivazioni. 11.Accendere i Laser puntandoli LONTANO dagli studenti, verso un muro bianco. 12.Avvertire gli studenti che non devono MAI guardare direttamente verso QUALSIASI LASER. 13.Dire agli studenti che osserveranno lo spettro del laser facendo passare la sua luce attraverso il reticolo di diffrazione. 14.Disporre un reticolo di diffrazione davanti a ciascun LASER e permettere agli studenti di osservare che anche se il reticolo separa la luce c è un solo colore. 15.Invitare gli studenti a condividere e argomentare quello che vedono. 16.Chiedere: Allora.. qual è la proprietà speciale della luce del LASER che abbiamo osservato oggi? UN COLORE, UNA LUNGHEZZA D ONDA: MONOCROMATICO!!

5 Seconda Lezione: Luce collimata Premessa: Confrontando la luce LED a quella laser, gli studenti osserveranno che la luce laser è collimata, cioè si propaga con raggi paralleli. Tempo: minuti Età: Materiale Laser verde Laser rosso LIGHT BLOX verde senza coperchio a fessura LIGHT BLOX rosso senza coperchio a fessura Righello Carta bianca Discussione e conoscenze di base Dire agli studenti che oggi osserveranno una proprietà fondamentale della luce laser, una proprietà che rende il laser più pericoloso e potente di qualsiasi altra luce essi abbiano incontrato, anche quando il laser emette con pochissima potenza come quello che stanno usando (LASER BLOX). La luce laser è collimata: i raggi luminosi sono tutti paralleli. Fare un confronto con luce ordinaria, che propagandosi si allarga o diverge. Questo esperimento dimostrerà l effetto della collimazione. Preparazione 1. Dividere gli studenti in 5 gruppi 2. Dare a ciascun gruppo una sorgente luminosa (sia LIGHT BLOX che LASER BLOX), un righello e un foglio di carta 3. Mentre gli studenti raccolgono i dati, disegnare il seguente schema grafico e tabella sulla lavagna o su un grande foglio di carta bianca appeso di fronte alla classe.

6 3. Chiedere agli studenti di illuminare con la loro sorgente luminosa un foglio di carta bianca da una distanza di 3, 8 e 16 cm. 4. invitare uno studente per gruppo ad aggiungere i propri dati alla tabella. 5. chiedere alla classe: Che cosa notate? Cosa ha di diverso la luce del LASER dalla luce LED? E collimata!

7 sorgente luminosa distanza Area LED ROSSO 3cm LED VERDE 3cm LED BLU 3cm LASER VERDE 3cm LASER ROSSO 3cm LED ROSSO 8cm LED VERDE 8cm LED BLU 8cm LASER VERDE 8cm LASER ROSSO 8cm LED ROSSO 16cm LED VERDE 16cm LED BLU 16cm LASER ROSSO 16cm LASER VERDE 16cm

8 Terza Lezione: luce coerente Premessa Confrontando la luce LED con la luce laser, gli studenti osserveranno che la luce laser è coerente, cioè si propaga in fase. Tempo: minuti Età: Materiale Laser verde Laser rosso LIGHT BLOX verde senza il coperchio con fessura LIGHT BLOX rosso senza il coperchio con fessura carta bianca Preparazione 1. Dividere gli studenti in 4 gruppi 2. Dare a ciascun gruppo una sorgente luminosa (LIGHT BLOX o Laser), un righello e un foglio di carta Discussione e conoscenze di base La luce laser è coerente, ciò significa che è in fase, cioè tutte le creste e gli avvallamenti delle onde luminose sono allineati. L effetto a macchie è il risultato dell interferenza di molte onde della stessa frequenza, con diversa fase e ampiezza, che si sommano tra loro dando come risultato un onda la cui ampiezza e intensità variano casualmente. Se ciascuna onda è rappresentata da un vettore, allora si può vedere che se si sommano tra loro un certo numero di vettori con angoli casuali, il vettore risultante può assumere qualsiasi valore compreso tra zero e la somma della lunghezza di ciascun vettore (vedi anche: random walk, conosciuto anche come la passeggiata dell ubriaco).

9 Secondo la teoria della diffrazione, quando una superficie è illuminata da una lunghezza d onda ciascun punto della superficie illluminata diventa sorgente di un onda sferica secondaria. La luce in ciascun punto è formata da onde che sono state emesse da ciascun punto della superficie illuminata. Se la superficie è sufficientemente scabra da determinare differenze di percorso maggiori di una lunghezza d onda, dando origine a un cambiamento di fase maggiore di 2, l ampiezza, e quindi l intensità dell onda risultante, varia casualmente. Per spiegare il fenomeno delle macchie si può utilizzare un analogia con le onde d acqua. Immaginiamo uno stagno rettangolare molto grande con acqua perfettamente immobile. Se qualcuno fa vibrare un bastoncino a un estremo dello stagno con frequenza e ampiezza costante sulla superficie si propaga un fronte d onda circolare. Supponiamo che le dimensioni dello stagno siano tali da poter trascurare i fenomeni di riflessione dalle sponde. Ora immaginiamo che molte persone facciano vibrare un bastoncino con la stessa frequenza, ma diversa ampiezza e fase. Ciascuna vibrazione produce un fronte d onda circolare. In ciascun punto dello stagno, il movimento della superficie è la somma delle singole onde, e sarà una vibrazione con la stessa frequenza delle sorgenti vibranti. Ciascun punto della superficie avrà una fissata ampiezza e fase, ma queste varieranno casualmente da punto a punto. A prima vista la perturbazione dello stagno sembrerà del tutto casuale. A uno sguardo più attento, si potrà notare che c è una figura che si ripete seguendo il ciclo della frequenza di vibrazione. L energia media della vibrazione (che è proporzionale al quadrato della massima ampiezza) in ogni punto è costante nel tempo, ma varia casualmente sulla superficie dello stagno. Quando noi osserviamo una superficie illuminata rileviamo l energia media della luce sulla superficie: perciò la luminosità di un punto sulla superficie illuminato da diverse emissioni con la stessa frequenza è costante nel tempo, ma varia casualmente da punto a punto, così che si ha una figura a macchie.

10 Sperimentazione e Osservazioni 1. Chiedere a ciascun gruppo di tenere la loro sorgente luminosa leggermente inclinata molto vicina alla carta, osservare quello che vedono, discutere tra loro, raggiungere un accordo e scrivere le proprie osservazioni. 2. Scambiare le sorgenti luminose laser e LED tra i gruppi: ripetere il punto Gli studenti dovrebbero notare un immagine a macchie con il laser e senza macchie con il LED. Potrebbero avere bisogno di aiuto per passarsi più volte le sorgenti, al fine di osservare la sottile differenza. 4. Spiegare che la luce si propaga in onde, quando le onde sono in fase (coerenti) interferiscono tra loro distruggendosi (interferenza distruttiva) o amplificandosi (interferenza costruttiva). 5. Una figura di puntini luminosi e scuri è prodotta dal laser, ma non dal LED, perchè il primo ha luce coerente che produce interferenza, mentre il secondo no.

11 Quarta Lezione: assorbimento, trasmissione riflessione Ispirato a questo video - Premessa Gli orsetti di gelatina si sono dimostrati molto utili per descrivere i concetti, altrimenti astratti, dell interazione luce materia: assorbimento, trasmissione e riflessione. Tempo: minuti Età: Materiale Laser verde Laser rosso luce LED bianca 3 orsetti rossi 3 orsetti verdi 3 orsetti incolori 1 foglio di carta bianca 1 foglio di carta oleata 1 sacchetto di plastica trasparente Discussione e conoscenze di base Gli studenti credono erroneamente che il colore sia una proprietà della materia. Questo errore sotteso porta molta confusione come l idea che quando la luce bianca passa attraverso un oggetto verde imprimendo un alone verde sulla carta, l oggetto sta aggiungendo colore alla luce che altrimenti sarebbe bianca. Lo si può ripetere molte volte, ma per uno studente è difficile afferrare l idea che quando vede un oggetto rosso quello che sta succedendo veramente è che la maggior parte delle lunghezze d onda della luce bianca vengono catturate dall oggetto e solo la lunghezza d onda che corrisponde al rosso viene riflessa. Quello che vede è la luce rossa trasmessa ai suoi occhi.

12 Quando la luce laser, che è monocromatica (cioè composta da un solo colore o lunghezza d onda) colpisce qualcosa, può essere assorbita, trasformando energia luminosa in calore, oppure riflessa o trasmessa. Ma per lo più gli studenti hanno a che fare con luce bianca, composta di molti colori. Quando la luce bianca colpisce un oggetto questo assorbe, riflette o trasmette certe lunghezze d onda in modo selettivo. Il modo in cui la luce interagisce con gli oggetti dipende dalla lunghezza d onda e dalla natura degli atomi dell oggetto. Un materiale assorbirà frequenze di luce che corrispondono alle frequenze di vibrazione degli elettroni degli atomi del materiale. Siccome materiali diversi sono fatti di atomi i cui elettroni vibrano a frequenze diverse, diversi materiali assorbiranno diverse frequenze della luce. Questo smantella l idea che la luce passa o non passa attraverso un materiale a seconda dello spessore. La luce che un materiale non assorbe è riflessa o trasmessa. Se noi vediamo i colori è soprattutto perchè la luce interagisce con la materia. Quindi il colore non sta nell oggetto, ma solo nella luce che lo illumina e successivamente viene riflessa ai nostri occhi. La seguente dimostrazione darà agli studenti una comprensione intuitiva del fenomeno e farà chiarezza sui concetti errati di luce e colore. Dimostrazione 1. Illuminare con il LED bianco verso gli studenti, ricordando che la luce bianca è composta da molte ( tutte ) lunghezze d onda o frequenza della luce. Spiegare che il LED è una sorgente di luce e che possono guardarlo direttamente. 2. Chiedere: Che cosa accade quando la luce interagisce con qualcosa? 3. Sempre diretto verso gli studenti illuminare con il LED un foglio di carta bianco e chiedere: Che cosa sta succedendo alla luce? 4. ripetere con la carta oleata e il sacchetto di plastica 5. discutere i termini trasmissione, riflessione e assorbimento

13 Preparazione Dividere gli studenti in 3 gruppi e dare a ciascuno un foglio dati per lo studente Predisporre 3 postazioni ciascuna con una sorgente luminosa: un laser verde, uno rosso e un LED bianco, un foglio di carta bianco e 3 orsetti, uno verde uno rosso e uno incolore. Sperimentazione e osservazioni 1. Ricordare agli studenti le regole di sicurezza del laser 2. Dire agli studenti di riportare le loro osservazioni di come le diverse sorgenti di luce interagiscono con i diversi materiali: i 3 orsetti di diverso colore 3. Indicare agli studenti di illuminare con la luce di ciascuna sorgente ogni orsetto e registrare le loro osservazioni. Devono osservare in modo specifico se la luce viene trasmessa. assorbita o riflessa dai diversi orsetti. 4. Quando tutti i gruppi hanno raccolto i dati dalle 3 postazioni, chiedere di rivedere le osservazioni e i dati e arrivare a una conclusione su come si comporta la luce. Far scrivere le conclusioni sul foglio dati. Conclusioni e discussione Chiedere agli studenti di condividere le loro osservazioni: La luce si comporta sempre allo stesso modo? Quando si osserva l assorbimento, la riflessione o la trasmissione? Perchè la luce verde non passa attraverso l orsetto rosso? e perchè la luce del laser rosso non attraverso l orsetto verde? Perchè la luce bianca diventa rossa attraversando l orsetto rosso e verde attraversando quello verde? Gli studenti potrebbero dire che gli orsetti colorati colorano la luce bianca, come si colora un foglio bianco. Ricordare agli studenti che la luce bianca è fatta di tutte le lunghezza d onda visibili della luce. Aiutarli a riconoscere che l orsetto rosso di fatto permette che vengano trasmesse o riflesse solo le lunghezze d onda del rosso della luce, tutte le altre lunghezze d onda (colori) vengono assorbite e noi non possiamo vedere ciò che è assorbito. Quindi l unica luce che attraversa l orsetto è quella rossa. Gli studenti possono anche capire perchè l orsetto rosso appare rosso: quando la luce bianca lo colpisce solo la luce rossa arriva ai nostri occhi, gli altri colori vengono assorbiti. La stessa cosa si verifica per l orsetto verde, con il verde al posto del rosso.

14 Quinta Lezione: Microscopio Laser Adapted from Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector Premessa Con una preparazione semplice si può rendere visibile il piccolo mondo di una goccia di acqua di stagno che diventa una lente sferica. Lo spettacolare effetto introduce alle lenti e all ottica geometrica Tempo: 30 minuti Età: 9-18 Materiale Laser Blox verde Siringa asta da laboratorio nastro muro bianco acqua di stagno, fiume, lago o mare mano ferma e un po di pazienza questa lezione è solo una spiegazione e una dimostrazione, gli studenti non fanno attività Una sottile goccia di acqua di stagno con un fascio dal LASER BLOX si comporta come una potente lente sferica

15 Preparazione Per preparare questo semplice ma affascinante esperimento riempi una siringa con acqua di stagno o fiume. Se si vive vicino a una costa usare acqua di mare. Se non si hanno a disposizione tali acque raccogliere dell acqua stagnante in vasi o pozzanghere affinchè ci siano piccoli organismi ( mm). Riempire una siringa con l acqua raccolta. Fissare la siringa su un asta in modo che una goccia resti sospesa dal beccuccio. Posizionare la goccia allineata con il fascio del LASER BLOX verde, in modo che il fascio passi per il centro della goccia, perpendicolarmente al muro. Deve essere sistemato il tutto a circa 2 metri da uno schermo o da un muro bianco così da mostrare un immagine verde con un una serie di animali unicellulari, larve, insetti che vi nuotano. Questo di solito è così avvincente da interessare gli studenti ai poteri dell ottica che rende possibile tutto ciò. conoscenze e discussione La figura a destra mostra il percorso di entrata e di uscita da una lente quale la goccia d acqua sospesa alla siringa che abbiamo qui. I raggi per il centro non vengono deviati, mentre tutti gli altri si avvicinano alla normale mentre passano dall aria: indice = n1, all acqua, indice = n2. per piccoli angoli, come i nostri, possiamo usare la legge di Snell:- n 1 sin 1 = n 2 sin 2 una goccia d acqua che pende da una siringa approssima una lente sferica, così da applicare la legge delle lenti sottili per determinare la distanza focale diventa n 1 1 = n 2 2., così la deviazione verso la normale alla superficie è data da: Questa è un equazione generale usata per angoli molto piccoli, ed è utile per seguire i raggi attraverso sistemi complicati quale il nostro nonostante sia un apparato semplice. La deviazione nel passaggio aria- acqua della goccia (prima superficie) è:

16 Il raggio raggiunge la superficie posteriore della goccia più vicino all asse di 2r volte la deviazione, quindi alla distanza h L angolo di deviazione del raggio all uscita della goccia è lo stesso dell angolo di entrata, quindi:- Parlare di come questo fenomeno generale della luce crei ingrandimenti spettacolari passando attraverso una lente sferica può non essere attinente al corso di studi. La figura seguente mostra uno schema semplice del percorso dei raggi: se si vuole approfondire la matematica sul tema, si può vedere il lavoro di Gorzad Planinsic a cui si ispira l inizio e la fine di questa lezione. Adapted from Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector

17 Sesta Lezione: Riflessione e Rifrazione Premessa Riflessione e rifrazione sono due dei concetti più semplici sulla luce per gli studenti da apprendere. Maneggiare luci e lenti li aiuta a afferrare questi concetti prima di passare a cose più complicate. Tempo: minuti Età: 9-18 (a secondo della matematica) Materiale 3 LIGHT BLOX con coperchio a fessura Laser rosso e verde (per i più grandi) goniometri Lenti di vetro 3 specchietti con supporti 3 fogli di pellicola di alluminio Riflessione Preparazione Sistemare gli studenti in 3 gruppi e dare a ciascuno un LIGHT BLOX, un goniometro, uno specchietto e un foglio di pellicola di alluminio. Se si hanno studenti più grandi usare il Laser BLOX. Ricordare agli studenti di stare attenti dove va finire il raggio riflesso!!

18 Esperimento e discussione Fate illuminare dagli studenti lo specchio con il Light Blox per vedere come rimbalza la luce. Chiedete loro di sistemare l angolo di incidenza della luce e chiedete: in che modo la luce rimbalza sullo specchio? - una prevedibile linea retta che si muove con la sorgente - assicuratevi che osservino che a determinare il cambio di traiettoria è l angolo di incidenza, non la distanza Gli studenti più grandi possono quantificare le loro osservazioni: fate sistemare lo specchio con il supporto nel centro del goniometro. Puntando la luce a 30 rispetto alla verticale direttamente nel centro dello specchio gli studenti possono misurare l angolo del fascio riflesso rispetto alla verticale. Chiedere agli studenti di riportare i risultati e ripetere con diversi angoli di incidenza. Discutere dei risultati degli studenti. Gli studenti dovranno notare che l angolo di incidenza è uguale all angolo di riflessione. Fare preparare con il foglio di alluminio una superficie piana riflettente. Ripetere come sopra, come con lo specchio. Gli studenti osserveranno che il foglio si comporta con la luce praticamente come lo specchio. Fare accartocciare il foglio in una palla e ripetere l esperimento. Gli studenti osserveranno subito che la luce viene deviata e diretta in tutte le direzioni. Spiegate che la luce è sempre diretta con la stessa legge vista prima (angolo di incidenza =angolo di riflessione), ma la superficie scabra è disposta con direzioni diverse e quindi diversi angoli rispetto alla verticale. Ora si può spiegare che la luce rimbalza da tutto ciò che vediamo. Tutto viene rimandato in linea retta ai nostri occhi. Tutto ciò che vediamo è luce che rimbalza da tutte le superfici ai nostri occhi.

19 RIFRAZIONE - Contenuti e discussione Spiegare agli studenti che la luce generalmente viaggia in linea retta, ma quando da un mezzo (aria) ad un altro (acqua) si deflette o rifrange. Gli studenti più giovani, osservando questo fenomeno, potranno semplicemente trarne un beneficio, mentre quelli più grandi potranno apprendere che la deflessione avviene secondo la legge di Snell: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 dove n 1, n 2 = indice di rifrazione del mezzo in cui la luce si sta propagando 1 angolo tra il raggio incidente e la normale 2 angolo tra il raggio rifratto e la normale materiale n aria acqua 1.33 vetro 1.50 benzina 1.31 plastica diamante 2.5 L indice di rifrazione dipende anche dalla lunghezza d onda della luce Si ha deflessione perchè il percorso della luce viene rallentato passando dall aria a un mezzo (acqua, vetro..). Il cambio di velocità è la causa del cambio di direzione della luce. Osservare e ricercare- principianti 1. Disporre la fessura dei 3 LIGHT BLOX in modo che proiettino delle linee 2. Disporre le lenti trapezoidale a circa 5cm da ogni LIGHT BLOX in modo che i raggi attraversino le lenti 3. Osservare che la luce viene deviata quando raggiunge la lente e poi deviata di nuovo quando ne esce. Questo si chiama rifrazione 4. Spiegare che la luce cambia direzione perchè cambia velocità passando da un mezzo (aria) a un altro (vetro).

20 5. Allineare i 3 LIGHT BLOX perchè proiettino 3 linee parallele 6. Introdurre la lente convergente (convessa) ponendola a circa 5 cm dai 3 Light Blox, e osservare che la lente devia la luce in un punto focale 7. Ripetere con la lente divergente Approfondimento sulle lenti Le lenti ci permettono di mettere in pratica quello che conosciamo sulla deviazione della luce. Gli studenti possono osservare il percorso della luce in una lente concava o convessa fino al punto focale, comunemente individuato dove si forma l immagine. Noi usiamo molti tipi di lenti: gli occhi, la macchina fotografica, il microscopio o il telescopio. Le lenti sono uno strumento per capire la luce e usarla. ci sono 4 fattori che determinano la distanza focale di una lente: 1. l indice di rifrazione della lente n lens 2. l indice di rifrazione del mezzo in cui è inserita la lente n env 3. il raggio di curvatura della superficie anteriore della lente r 1 4. il raggio di curvatura della superficie posteriore della lente r 2 in termini matematici, si può calcolare la distanza focale di una lente con la seguente: EQUAZIONE DELLE LENTI 1 f n n lens ent 1 1. r1 1 r 2 Si noti che la distanza focale è positiva se la lente è convessa e negativa se la lente è concava

21 Osservare e Ricercare: livello intermedio 1. Creare 2 raggi paralleli usando 2 laser con inserite le lenti che generano linee. 2. Sistemare la lente convergente nel centro del goniometro, come in figura, con la normale a 0 gradi 3. Segnare il punto focale dove convergono i 2 raggi. 4. Misurare la distanza del punto focale dal centro della lente, questa è la distanza focale, indicata con f nell equazione delle lenti. 5. Usare questo valore e il valore di n della tabella per vetro e aria per risolvere l equazione in funzione di r. Poichè entrambe le superfici hanno la stessa curvatura r 1 = r 2

22 Pensandoci su... Se vuoi colpire un pesce con un fascio laser, indirizzi il fascio sopra, sotto, o direttamente al pesce per colpirlo??

23 Settima Lezione: i colori Premessa Per gli studenti della scuola primaria due semplici attività che introducono la luce e i colori: Mostrare che la luce bianca è composta da molti colori e combinare diversi colori per formare luce bianca. Per far lavorare tutti dividere la classe in 5 gruppi per condividere i reticoli di diffrazione. Tempo: minuti Età: 8-11 anni Materiale Luce LED bianca 3 LIGHT BLOX con coperchio a fessura 10 reticoli di diffrazione Luci della stanza Luce solare Carta bianca Pennarelli o matite colorate Preparazione 1 Dividere gli studenti in 5 gruppi e dare a ciascuno 2 reticoli di diffrazione. 2. Dalla cattedra, accendere il LED bianco e puntarlo verso gli studenti. Osservare e Indagare 1. Far guardare a turno la luce del LED attraverso il reticolo di diffrazione. Chiedere: che cosa vedete? aiutarli a trovare l arcobaleno ai bordi del reticolo di diffrazione 2. Far cercare le altre sorgenti luminose nella stanza. Raccomandare di non guardare mai direttamente al sole nelle varie attività 3. Come sono disposti i colori? Quale colore è più vicino alla sorgente luminosa? Qual è più lontano? I colori cambiano posizione a seconda della sorgente che si sta guardando?

24 4. chiedere agli studenti di disegnare la luce e l arcobaleno che hanno visto, con i colori nell esatto ordine 5. disporre i Light Blox, con il coperchio a fessura inserito, sulla cattedra. 6. Accendere i LIGHT BLOX rosso verde e blu, e far guardare attraverso il reticolo di diffrazione ciascun colore e far riportare ciò che vedono. 7. Spiegare che le luci LED colorate contengono solo alcuni colori, non l intero spettro, per questo mostrano delle chiare righe di specifici colori. Discussione e Passaggio all attività successiva Chiedere: da dove vengono i colori dell arcobaleno?, spiegare che i colori ci sono già, nascosti nella luce bianca, e che il reticolo di diffrazione li ha separati nei singoli colori. Anche le gocce di pioggia possono separare la luce del sole in molti colori in modo da farci vedere l arcobaleno. Questi colori sono sempre presenti dentro la luce bianca che vediamo abitualmente, noi non li vediamo perchè sono mescolati tra loro e ci danno la luce bianca. Creare Luce Bianca 1. Togliere il coperchio a fessura dai LIGHT BLOX perchè proiettino un fascio largo di luce colorata 2. Sistemare i LIGHT BLOX su un tavolo di fronte a uno schermo o a un muro bianco in modo che gli studenti possano vedere la luce che viene proiettata. 3. Accendere il rosso e il blu e chiedere di predire quale colore vedranno una volta mescolate le luci 4. Mescolare la luce rossa e blu per far apparire il rosa o il magenta. 5. Accendere il blu e il verde e chiedere agli studenti di predire quale colore vedranno quando mescolerete le luci. 6. Mescolare verde e blu per far apparire azzurro o turchese. 7. Accendere il rosso e il verde e chiedere di predire quale colore vedranno una volta mescolati i fasci. 8. Mescolare la luce rossa e verde per far apparire il giallo. 9. Accendere tutti e 3 i Light Blox e chiedere agli studenti di predire quale colore vedranno quando saranno mescolati 10.Mescolare tutti 3 i LIGHT BLOX per fare luce bianca.

25 Ottava Lezione: misura della lunghezza d onda della luce laser Premessa gli studenti determineranno la lunghezza d onda di un Laser BLOX prendendo sei serie di misure che permetteranno loro di calcolare la lunghezza d onda. Type to enter text Tempo: minuti Età: Materiale Laser Blox rosso Laser Blox verde 10 reticoli di diffrazione uno schermo o muro bianco righello o asta metrica Discussione e Conoscenze di base La diffrazione è un fenomeno che spiega come la luce viene deviata passando attraverso fenditure sottili o attorno a piccole barriere (come un capello). L immagine a lato mostra la diffrazione di onde attorno a un angolo. Se pensiamo alla luce come un onda, quando incontra una sottile barriera, come un capello, forma due fronti d onda distinti. Questi interferiscono fra loro sommandosi (interferenza costruttiva) o annullandosi a vicenda (interferenza distruttiva)

26 Osservare e Indagare 1. Distribuire i reticoli di diffrazione e far osservare gli spettri che si formano guardando diverse sorgenti luminose attraverso i reticoli. 2. Spiegare che il reticolo ha moltissimi solchi sottili (vedremo quanti sono tra poco), e che la luce viene deviata quando li attraversa. Quando la luce bianca viene deviata, le varie lunghezze d onda che la compongono deviano e interferiscono fra loro e vengono separate in uno spettro. 3. Se facciamo passare attraverso le sottili griglie del reticolo della luce monocromatica, cioè composta da un solo colore/lunghezza d onda, che cosa ci aspettiamo che accada? Che cosa ci aspettiamo se a interferire è una sola lunghezza d onda? non si vedrà uno spettro, perchè la luce monocromatica è fatta di una sola lunghezza d onda. 4. Sistemate il Laser rosso su una superficie stabile e proiettate su una parete bianca facendo passare la luce attraverso il reticolo che avete fissato con del nastro adesivo. 5. Fate la stessa cosa con il laser verde su un altro muro. 6. Spiegate che l immagine che si vede è dovuta all interferenza delle onde luminose quando passano attraverso le fenditure 7. Introdurre la matematica che descrive questo fenomeno: λ = (X) (d)/ L; dove d = distanza fra le fenditure (cm/linee), L = distanza tra il reticolo e lo schermo e X = distanza tra due massimi 8. Dividere la classe in due gruppi, uno lavorerà con il laser rosso e uno con quello verde. 9. Dare a ciascun gruppo una tabella per i dati 10.Ciascun gruppo determini linee/mm e le trasformi in cm per determinare la larghezza delle fenditure. 11. gli studenti misureranno e registreranno la distanza tra il reticolo e lo schermo (L) 12. poi misureranno la distanza tra un punto di massimo luminoso e il successivo punto di massimo luminoso (X). 13. Far prendere queste misure e riportare questi dati per tre diverse distanze dallo schermo 14. Confrontare i risultati sperimentali degli studenti con le lunghezze d onda dei laser blox: 635nm per il laser rosso e 532nm per quello verde.

27 Tabella Dati colore laser: reticolo di diffrazione Linee/mm larghezza fenditura(d) cm/linea distanza reticolo schermo (L) in cm distanza tra massimo e massimo (X) scegli 3 distanze dallo schermo per effettuare le misure determinare la lunghezza d onda del laser usa i valori di X, d e L dai tuoi dati e la formula per la doppia fenditure = (X) (d)/ L per determinare la lunghezza d onda del laser. Fai la media dei tre valori calcolati per trovare una lunghezza d onda media = (X) (d)/ L = (X) (d)/ L = (X) (d)/ L lunghezza d onda media mostra tutte le sostituzioni di dati nella formula valore finale (cm) valore finale (microns)

28 Nona Lezione: misura dello spessore di un capello umano con la diffrazione laser Premessa gli studenti misureranno lo spessore di un capello con la diffrazione e un Laser BLOX di cui è nota la lunghezza d onda Tempo: 45 minuti Età: Materiale Laser Blox rosso Laser Blox verde nastro adesivo muro bianco o schermo righello/metro a nastro capello umano Discussione e Conoscenze di base vedere la lezione precedente per una introduzione del concetto di diffrazione. Si può utilizzare la diffrazione laser per misurare oggetti molto piccoli come un capello! Di solito si pensa alla diffrazione quando la luce passa attraverso una fenditura sottile, ma avviene anche con un capello!

29 Osservare e Indagare 1. Dividere la classe in 2 gruppi. 2. Dare a ciascun gruppo un laser BLOX, un righello o un metro, un foglio di carta bianca e del nastro adesivo 3. Trovare in ciascun gruppo un donatore di capello per la misura, deve essere lungo almeno 25 cm 4. Spiegare la formula: spessore capello = (lunghezza d onda) (distanza dal muro) / (distanza tra i primi punti neri ) 5. Attaccate il capello al laser BLOX in modo che incroci l apertura del fascio come in figura 6. Sistemare il laser BLOX su tavolo a circa 1m da un muro bianco o da uno schermo 7. Mostrare agli studenti come misurare la distanza tra le prime due zone di interferenza distruttiva ai lati del massimo centrale (distanza tra i primi due punti neri) 8. Far prendere misure e completare la tabella dati calcolando lo spessore del capello per almeno 5 pezzi differenti di capello. 9. Far calcolare lo spessore medio del capello umano, poi far cercare in internet valori conosciuti di spessore del capello umano e far confrontare il valore sperimentale con quello trovato in internet.

30 Tabella Dati misura # lunghezza d onda del Laser Blox distanza dal muro (W) distanza tra i primi 2 punti neri (D) trascrivi nella tabella almeno 5 serie di misure, calcola lo spessore e riportalo nella tabella seguente misure spessore capello = (lunghezza d onda) (W) / D calcola e riporta il valore medio dello spessore E comparabile questo valore con quello trovato in internet?

31 EPIC Adopt a Classroom Kit EPIC è partner con Laser Classroom per la diffusione di un kit divulgativo "luce laser e ottica" per gli studenti di tutta Europa. I kit, sponsorizzati da aziende, costano 195 euro e sono messi a disposizione degli insegnanti. Le organizzazioni nazionali di ricerca e cluster di fotonica lavorano con EPIC per tradurre in altre lingue il kit e identificare gli insegnanti motivati a utilizzare il kit in classe per appassionare i ragazzi verso la scienza in generale e sulla fotonica in particolare. Gli insegnanti non hanno bisogno di pagare il kit, lo ricevono gratuitamente. Ci si aspetta da parte degli insegnanti che utilizzino attivamente il kit; una volta all anno devono riferire ad EPIC quanti studenti hanno usato il kit, inviare una foto, e una testimonianza del lavoro svolto dalla classe. Istituto Salesiano Don Bosco, Verona I Salesiani giungono a Verona nel 1891, invitati dal Cardinale Canossa, per dedicarsi al "Patronato dei ragazzi" e due anni dopo apriranno l'istituto Don Bosco, comprendente il convitto e la scuola elementare superiore; quindi istituiranno il ginnasio e le scuole-laboratorio per la formazione degli artigiani. Nel 1939 le scuole dell'istituto Don Bosco (avviamento, media, ginnasio) vengono legalmente riconosciute. In cento anni frequentano la scuola circa alunni. Oggi la scuola superiore comprende il Liceo Classico, Liceo Scientifico, tradizionale e delle Scienze Applicate, e l Istituto Tecnico Indirizzo Economico. La scuola intende preparare i giovani alle sfide del terzo millennio investendo sul legame tra cultura e fede (buon cristiano e onesto cittadino), fornendo ai giovani un ambiente sereno, capace di fare emergere le migliori qualità e offrendo interventi didattici stimolanti e innovativi. Scuola Superiore Sant Anna Istituto TeCIP L'lstituto TeCIP, Istituto di Tecnologie della Comunicazione, dell'lnformazione e della Percezione della Scuola Superiore Sant Anna di Pisa, costituito nel 2001 come Centro di Eccellenza del Ministero dell Università, gestisce la ricerca e la formazione collegate alle tecnologie dell informazione, della comunicazione, e della percezione con particolare riferimento alle applicazioni informatiche e telematiche di sistemi embedded real-time, alle reti di sensori, allo studio, progettazione e realizzazione di reti di comunicazione con l impiego parziale o totale di tecnologie fotoniche, all impiego di tecnologie fotoniche nella sensoristica, agli ambienti virtuali e sistemi robotici di interfaccia per lo studio della interazione uomo-macchina e della percezione umana. Questo è il risultato di una decennale collaborazione tra la Scuola Superiore Sant Anna, Ericsson e il Consorzio Interuniversitario Italiano per Telecomunicazioni (CNIT). EPIC è il consorzio dell industria fotonica europea, cioè un associazione industriale che promuove lo sviluppo sostenibile delle organizzazioni che operano nel campo della fotonica. Promuoviamo un vibrante ecosistema di fotonica, mantenendo una rete forte e agiamo da catalizzatore e facilitatore per l'avanzamento tecnologico e commerciale.

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