Dipartimento Formazione e Apprendimento Il Giardino della Scienza 0CCHIO ALLO SPECCHIO versione 5 marzo 2012 testi e fotografie di Agata Filippini e Giorgio Häusermann 1. L OCCHIO Come funziona l occhio Gli occhi sono due organi sferici costituiti da membrane e mezzi trasparenti. La parte anteriore dell occhio è la cornea, una sottilissima membrana di lamelle fibrose sovrapposte. L anello colorato è l iride, al cui centro si apre un foro nero, che permette alla luce di entrare. I raggi luminosi attraversano la pupilla e il cristallino, una lente rivestita da una capsula trasparente, che li mette a fuoco. Sul fondo del globo oculare si trova la retina, uno strato di cellule sensibile alla luce che reagiscono all immagine producendo un segnale nervoso, che viene trasmesso al cervello dal nervo ottico. Sei muscoli che collegano ogni globo orbitale al fondo della cavità orbitale consentono il movimento in ogni direzione. La lente d acqua (boccia) La boccia riempita d acqua funge da vera e propria lente d ingrandimento. Essa, come il cristallino del nostro occhio, focalizza la luce che l attraversa. I raggi di luce provenienti dall oggetto (la candela), quando entrano nella boccia colma di acqua, deviano dal loro percorso rettilineo (a causa della rifrazione) e così fanno quando escono dalla sfera. Gli unici raggi che non deviano sono quelli che passano dal centro della boccia. L immagine risulta quindi capovolta rispetto all oggetto originale. Invertito risulta anche il suo movimento: se l oggetto si muove verso l alto, 1
l immagine va verso il basso, se si avvicina alla boccia, l immagine si allontana, Quando si ha miopia e quando si ha presbiopia * Lenti per migliorare la vista (convesse e concave) Ogni lente, quindi anche il nostro cristallino ha un fuoco, che è il punto in cui convergono, dopo averla attraversata, i raggi di luce provenienti da una sorgente lontana. La distanza del fuoco dal centro della lente viene chiamata distanza focale. Si ha miopia, quando il cristallino di uno o entrambi gli occhi focalizza l immagine davanti alla retina; l immagine sulla retina pertanto è sfocata. Chi è miope non vede bene gli oggetti lontani. Si ha presbiopia, quando il cristallino di uno o entrambi gli occhi mette a fuoco l immagine dietro la retina; l immagine sulla retina pertanto è sfocata. Chi è presbite non vede bene gli oggetti vicini. La miopia può essere corretta con occhiali dalle lenti concave, che convergono i raggi luminosi. La presbiopia può essere corretta con occhiali dalle lenti divergenti, che divergono i raggi luminosi. * Quali sono le condizioni perché l occhio veda (luce/buio; pupilla) * Micrososcopio Il nostro occhio percepisce il contorno e il colore degli oggetti solo quando questi sono colpiti dalla luce. Quando la luce è scarsa, la pupilla si dilata per catturarne la massima quantità possibile. Dove c è molta luce, invece, si contrae perché la luce che raggiunge la retina non sia eccessiva e non la danneggi. Strumento usato per ingrandire le immagini di oggetti molto piccoli o rivelare dettagli altrimenti invisibili, costituito da una lente convergente o da due sistemi di lenti (obiettivo e oculare). *Immagini da : Brenda Walpole, Divertiamoci con la scienza. De Agostini, 1992. 2
2. VEDIAMO CIÒ CHE È VERAMENTE? Due occhi vedono meglio di uno I nostri occhi trasmettono due immagini leggermente diverse dell oggetto osservato. Questo è dovuto alla diversa angolazione dalla quale ogni occhio guarda l oggetto. Il cervello elabora le due immagini e le interpreta in una sola immagine in rilievo. Grazie alla visione contemporanea di un oggetto da parte dei due occhi, il cervello è in grado di stabilire la distanza degli oggetti. Perciò quando un occhio è chiuso, il cervello fa molta fatica ad avere una visione stereoscopica e quindi a coordinare i movimenti. Figure in movimento Se gli occhi vedono due immagini in rapida successione, il cervello può non riuscire a distinguere le due immagini e quindi può riunire le immagini in una sola, per esempio l uccellino in gabbia oppure il pesciolino nella boccia. Se più immagini si susseguono rapidamente, le vediamo in movimento. Prima dell invenzione del cinematografo, si producevano immagini in movimento con gruppi di disegno, ciascuno leggermente diverso da quello precedente. ** Barra grigia: L estremità destra della barra è su sfondo molto chiaro, che per contrasto la fa apparire grigio scuro. L estremità sinistra è al contrario molto scuro, facendola apparire grigio chiaro. Se mettiamo la barra su uno sfondo uguale, si vede subito che è tutta dello stesso colore. Cerchio bianco e nero: Muovendo la scheda, la parte centrale sembra staccarsi dal resto dell immagine e tremolare. Questo è dovuto in parte al contrasto tra il cerchio centrale e il resto dell immagine. 3
Quadrato colorato: Muovendo la scheda, il quadrato centrale sembra staccarsi dal resto dell immagine e muoversi per conto proprio. Questo è dovuto ai disegnini sullo sfondo. Frecce: Le due sezioni sono della stessa lunghezza, anche se è difficile percepirlo. Le frecce verso l interno e verso l esterno creano l illusione che una sezione sia più grande dell altra. Raggi e quadrato: La figura geometrica è un quadrato perfetto. Tuttavia le linee diagonali creano l illusione che i lati siano leggermente obliqui. Facce e vaso: L immagine raffigura sia due profili sia un vaso, dipende come la si guarda. Donna giovane o donna anziana: L immagine raffigura una donna giovane e allo stesso tempo anche una vecchia, dipende come la si guarda. Il triangolo ci appare di un bianco diverso da quello dello sfondo. Questo avviene perché il nostro cervello ha deciso che lì c è un triangolo. Sorriso al contrario Palla nella molla Il nostro cervello non è abituato a vedere facce capovolte e quindi il fatto che una delle due fotografie è stata alterata, passa in secondo piano. Solo quando le fotografie vengono girate e messe diritte, ciò che si vede diventa più familiare e quindi si avvertono le loro reali differenze. Il movimento della molla fa sembrare che la pallina 4
all interno si muova, anche se in realtà questa è ferma. Maialino Salvadanaio Un piccolo maialino è posto sul fondo e al centro di un contenitore con un unica apertura centrale sul coperchio. La superficie interna del contenitore è interamente ricoperta da una vernice che riflette perfettamente. Questo sistema produce un illusione ottica: il maialino, infatti, sembra rimanere sospeso all esterno del contenitore sopra all unica apertura. La presenza di uno specchio posto sulla diagonale del cubo salvadanaio ci mostra un immagine intera ma virtuale dell interno del salvadanaio. In realtà lo specchio pone anche una barriera diagonale all interno del salvadanaio che impedisce alla moneta di cadere completamente ed essere visibile. Salvadanaio a imbuto Degli specchi ad angolo ci mostrano un immagine intera ma virtuale dell interno del salvadanaio. In realtà la moneta non attraversa l imbuto, bensì cade dietro gli specchi sopraccitati. Una lente posta di fronte rimpicciolisce l immagine della moneta. ** Immagini da: Schede creative Usborne 5
3. LA RIFLESSIONE Specchio per sembrare di essere in volo Appoggiando il bordo dello specchio a metà corpo, questo appare intero; lo specchio, infatti riflette la metà del corpo che si trova davanti. L immagine del corpo sarà quindi composta da una parte reale (es. parte destra) e da una parte virtuale (parte sinistra). Se ci si mette a cavalcioni sullo specchio, sollevando la gamba destra, sembra di volare! Specchi affacciati Specchio sul pavimento + ombrello Disponendo due specchi, uno di fronte all altro in modo parallelo, si ottengono immagini successive che alternano la visione frontale con quella posteriore dell oggetto posto tra i due specchi. Se l oggetto originale è più vicino a uno specchio che all altro, l alternanza della distanza tra immagini consecutive sarà tale che esse sembreranno raggruppate a coppie, con un lato frontale che guarda sempre un lato frontale e un lato posteriore che guarda sempre un lato posteriore. La luce riflessa dal disegno o dal messaggio appeso all interno dell ombrello, colpisce lo specchio posto sul pavimento e torna indietro originando l immagine invertita. Codificare un messaggio segreto/ Disegnare o scrivere con lo specchio Gli specchi invertono le immagini (riflessione). È difficile scrivere con uno specchio. Nel nostro cervello sono rimasti incisi i movimenti della scrittura e lo specchio ci confonde poiché la mano fa il contrario di quello che vede l occhio. Specchio ad angolo con Usando più di uno specchio, è possibile vedere un oggetto da tutti i suoi lati, perché i raggi di luce 6
oggetti all interno rimbalzano da uno specchio all altro. Mettendo due specchi in piedi, fianco a fianco, e un oggetto di piccole dimensioni in mezzo, si possono osservare più immagini dell oggetto. Il numero di immagini dipende dall angolo presente fra i due specchi; più l angolo è piccolo, più sono le immagini visibili. 7
4. RIFLESSIONE ALL OPERA Gioco: cosa c è scritto sulla sul retro della rivista Quando si è di fronte a due specchi, ognuno rovescia l immagine invertita dell altro e quindi la raddrizza! Una finestra nello specchio Caleidoscopi Il nostro cervello è indotto a credere che l immagine riflessa nello specchio sia veramente l altra mano. Se poi si muove proprio la mano nascosta, il cervello si aspetta naturalmente di vederla muovere (nello specchio). Infatti i messaggi provenienti dai nervi di quella mano dicono al cervello che la mano è in movimento. L apparente mancanza di movimento risulta molto fastidiosa al cervello. Le figure in un caleidoscopio sono create dalla luce che rimbalza fra i tre specchi all interno. Periscopi Occhiali a specchio Un periscopio usa due specchi che rinviano le immagini riflesse e consentono di vedere dietro un angolo oppure di osservare oggetti troppo in alto per essere visibili. La luce proveniente da oggetti fuori dalla visuale viene riflessa dallo specchio superiore verso lo specchio inferiore. Guardando in quest ultimo, si vede l oggetto. Questi occhiali, ai lati esterni delle lenti, sono provvisti di piccoli specchi retrovisori, che permettono di vedere ciò che accade dietro oltre che di fronte. Bocce di Natale Ogni boccia funge da specchio convesso, cioè uno specchio che presenta una gobba verso la sorgente di luce. Gli specchi convessi producono immagini che sono più piccole degli oggetti che vi riflettono. Gli specchi convessi sono spesso usati come specchietti retrovisori delle automobili, nelle curve a 8
gomito come specchi di sicurezza perché offrono un ampio campo visivo. L immagine riflessa in ogni boccia è un po diversa da quelle delle bocce a fianco. Questo avviene perché ogni specchio sferico vede il mondo da un punto di vista leggermente diverso dall altro. Occhiali con prisma Attraverso i prismi avviene una riflessione totale come rappresentato nella figura sottostante. Da questa riflessione totale ne risulta un immagine invertita. 5. LA RIFRAZIONE ALL OPERA Cannuccia nel bicchiere Soldo/Scritta nella bacinella con e senza acqua La luce, passando dall aria all acqua, subisce una variazione di velocità che provoca a sua volta un cambio di direzione. Questo fenomeno si chiama rifrazione e può far apparire un corpo un po spostato rispetto alla posizione reale. La cannuccia, infatti che appare piegata: la parte immersa della cannuccia, ci appare spostata rispetto a quella emersa, benché in realtà non sia così. Noi riusciamo a vedere la scritta solo se nella bacinella c è dell acqua. La luce rinviata dalla scritta viene infatti piegata, meglio rifratta dall acqua, perciò possiamo vederla. 9
Palla gelatinosa in acqua Granulato gelatinoso con soldo (senza e con acqua) La sfera è di un gel incolore e trasparente (poliacrilamide) che si gonfia d acqua. Quando la sfera è immersa nell acqua, la luce praticamente non subisce alcuna deviazione nel passare dal liquido alle sfere e poi nel riemergere, perché l indice di rifrazione delle sfere è praticamente uguale a quello dell acqua. La moneta rimane nascosta nel granulato di gel. Quando però si aggiunge dell acqua, ecco che la moneta appare molto visibile. Questo è dovuto allo stesso indice di rifrazione del granulato e dell acqua. Lente di Fresnel La lente di Fesnel è una lente sottile ottenuta da danti solchi concentrici con i quali si ottiene l effetto di una lente convergente con piccola distanza focale. Essa crea immagini capovolte di oggetti distanti e immagini diritte di oggetti vicini. Le lenti di Fresnel sono utilizzate nei retroproiettori. Angolo limite http://www.ips.it/scuola/concorso/ottica/ott_a.htm Quando un fascio di luce (fascio incidente) colpisce la superficie di separazione tra due materiali trasparenti, come l aria e l acqua, parte di esso è riflessa e parte prosegue nell altro materiale. Il fascio, nel passare da un materiale all altro, viene deviato o rifratto. La deviazione subita dal fascio, dovuta alla diversa velocità di propagazione, è tanto maggiore quanto più esso è inclinato rispetto alla perpendicolare alla superficie. Quando la luce proviene dall acqua verso l aria, l angolo aumenta e a un certo angolo (angolo limite), tutta la luce viene riflessa nell acqua e il fascio riflesso ha la stessa luminosità di quello incidente. Questo fenomeno è chiamato riflessione totale, poiché la luce viene riflessa quasi al 100%. 10
Percorso luminoso La luce segue il percorso della guida di luce curva. All interno, i raggi si riflettono in continuazione contro le pareti procedendo a zig zag, intrappolati per effetto della riflessione totale interna. Fibre ottiche Le fibre ottiche sono sottilissimi filamenti trasparenti in cui la luce entra da un estremità ed esce dall altra: per effetto della riflessione totale interna la luce resta imprigionata all interno, in qualsiasi modo venga piegato il filamento. Le fibre ottiche sono usate per creare lampade, per esplorare il corpo umano, per la trasmissione di dati, 11
6. I COLORI Luce in linea retta La luce si propaga in linea retta. Spettro della luce con prisma Nella seconda metà del Seicento, Isaac Newton scoprì che la luce, quando attraversa un prisma di vetro a sezione triangolare, ne esce scomposta in fasce di vario colore, che si presentano sempre nello stesso ordine, ognuna con la sua angolazione. Egli chiamò l insieme di questi colori spettro. Arcobaleno con specchio acqua e foglio bianco Il fascio di luce (bianco) riflesso nello specchio, nell uscire dall acqua viene rifratto. I colori che compongono la luce bianca, però non vengono rifratti con la stessa angolazione, quindi cadono in punti diversi e diventano visibili formando l arcobaleno. * Trottola di colori La mescolanza dei sette colori, ottenuta con la rotazione veloce, dà come risultato un colore biancastro. Ombra (luce bianca) Ombre colorate Se un fascio di luce viene intercettato da un oggetto, (nel nostro caso il fascio di luce proveniente dal proiettore viene intercettato da una mano) vediamo formarsi un ombra scura dal contorno non netto ma sfumato (sullo schermo). In realtà si possono osservare una zona d ombra e una zona di penombra. La zona d ombra è quella in cui non giunge alcun raggio di luce. La zona di penombra è quella in cui giungono i raggi provenienti da una sola zona della sorgente luminosa che non è puntiforme. La retina dell occhio umano ha tre recettori di 12
Shadow magic LED di tre colori e occhiali con i reticoli Bolle di sapone colore: uno più sensibile alla luce rossa, uno alla verde e uno alla blu. Con questi tre recettori riusciamo a percepire le tonalità di colore. Quando una luce rossa, una verde, e una blu convergono su uno schermo, questo appare di colore bianco perché le tre luci colorate stimolano, pressoché allo stesso modo tutti i recettori della retina dando a chi lo osserva la sensazione della luce bianca. È per questo motivo che i colori rosso, verde e blu vengo o chiamati colori primari additivi. Sovrapponendo queste tre luci, si possono produrre ombre di sette diversi colori: blu, rosso, verde, nero, ciano (blu-verde), magenta (blu e rosso) e giallo (misto di blu e rosso). Arrestando il passaggio di due delle tre luci, si ottiene un ombra del terzo colore. Impedendo a tutte e tre le luci di giungere sullo schermo, si avrà un ombra nera. Se, invece si impedisce ad una sola luce di giungervi, l ombra sarà una mescolanza degli altri due colori. Man mano che si sposta la mano verso lo schermo, l ombra che si ottiene diventa sempre più scura, perché essa impedisce alla luce di raggiungere lo schermo. Il telone contiene una sostanza fluorescente che assorbe l energia della luce e la rilascia lentamente. Dove il telone rimane coperto, la sostanza fluorescente non può assorbire la luce e quindi rimane l ombra con la forma dell oggetto o della parte del corpo che lo copriva. Le luci emesse dai LED sono monocromatiche e quindi è possibile ottenere dai tre colori fondamentali rosso, verde e blu i colori complementari giallo, turchese e magenta nonché il bianco con la sintesi additiva delle luci emesse dai LED. Per rivedere le singole componenti monocromatiche possiamo utilizzare degli occhiali con i reticoli di diffrazione (pellicole con tantissime righe perpendicolari tra loro) che separano nuovamente i colori perché ciascuno è deviato con angoli diversi. Le sfumature di vari colori che si possono ammirare su una bolla di sapone, sono dovute ad un fenomeno 13
chiamato interferenza. Le onde luminose riflesse dalla superficie interna e da quella esterna della pellicola interferiscono tra loro o in modo costruttivo o in modo distruttivo, a seconda dello spessore della bolla e della lunghezza d onda della luce che la illumina. 14
7. ONDE ELETTROMAGNETICHE Ultravioletto (perline) Infrarosso Filtri polarizzatori Le radiazioni ultraviolette non sono visibili all occhio umano. Esse sono caratterizzate da una lunghezza d onda inferiore a quella del viola che è di circa 400nm (nanometri) e superiore a quella dei raggi x. La luce emessa dal Sole contiene radiazioni ultraviolette che, per nostra fortuna, raggiungono la superficie della Terra solo in minima parte. Queste perline sono dotate di pigmenti sensibili alle radiazione ultraviolette e cambiano colore se sottoposte a quest ultime. Le radiazioni infrarosse non sono visibili all occhio umano poiché si trovano a lunghezze d onda maggiori di quelle del colore rosso (700 nm). Illuminando una piastra sensibile al calore con luce infrarossa, si può osservare come la piastra nera cambi colore perché riscaldata, sebbene non si possa vedere la fonte di tale riscaldamento. Il filtro è composto da lamelle spaziate tra loro che bloccano l oscillazione della luce non parallela al loro asse di polarizzazione. Due filtri polarizzatori sovrapposti e orientati a 90 gradi l uno rispetto all altro producono un quasi totale oscuramento. I LASER I LASER producono una luce di un solo colore moto concentrata. Sono molto utili per tantissime applicazioni (operazioni agli occhi, microelettronica, micromeccanica, lettori di CD e DVD, stampanti, ecc) ma possono essere pericolosi se utilizzati in modo improprio. L esperimento che mostriamo è quello di trasmettere della musica attraverso un raggio LASER. Da un Ipod esce una corrente elettrica che segue l andamento della musica, questa normalmente viene trasformata in musica dagli auricolari. Nel nostro caso invece è trasformata in luce da un LASER e poi di nuovo in corrente da un pannellino solare che è nella cassa acustica amplificata. La musica si può fermare con una mano! E poi vediamo che con un pettine o con una sega elettrica non c è proprio modo di tagliarla! 15