La Luce 1 I giornata 1.1 Che cos è la luce? Nel riquadro disegna uno schema per spiegare che cos è la luce, indicando i concetti o le proprietà più importanti che per te sono collegati al concetto di luce. 1
1.2 I modelli teorici proposti Diversi modelli tentarono di spiegare i vari fenomeni osservati tra cui, in particolare: Modello ondulatorio, difeso da Christiaan Huyghens nel suo Traité de la lumière (Trattato sulla luce), pubblicato nel 1690. Secondo Huyghens, la luce è un impulso che si propaga in un mezzo. Per quanto riguarda la rifrazione, si assume in questo caso che il fronte d onda si propaghi più lentamente nel vetro che nell aria. Huyghens non interpreta però con il suo modello i fenomeni di interferenza e diffrazione, perché concepisce la luce come una successione di impulsi e non come un treno di onde. Fig. 1 Propagazione di fronti d onda sferici secondo Huyghens Fig. 2 Riflessione e rifrazione delle onde luminose secondo Huyghens Modello detto corpuscolare, sostenuto da Isaac Newton nelle sue varie pubblicazioni. A partire dal 1672, Newton suggerisce che la luce bianca sia una miscela di corpuscoli diversi che si muovono come proiettili. I corpuscoli di luce hanno forme e caratteristiche diverse, il che determina i diversi colori. Newton sostiene inoltre che lo 2
spazio sia pervaso da una sorta di fluido elastico, un etere molto sottile, che pervade non solo lo spazio libero ma anche i pori dei solidi e dei liquidi. Questo etere sarebbe più denso nello spazio libero che nei cristalli. I corpuscoli interagiscono con l etere, tendendo ad esempio a deflettere verso zone di etere meno denso e si muoverebbero quindi più velocemente nel vetro che nell aria. Inoltre, i corpuscoli metterebbero in vibrazione l etere, il che permette a Newton di spiegare i fenomeni periodici osservati ad esempio nelle lamine sottili. Era inoltre noto già all epoca il fenomeno della doppia rifrazione. Passando attraverso alcuni cristalli (come lo spato d Islanda), il raggio luminoso viene scomposto in due raggi: oltre al raggio ordinario, si osserva anche un raggio detto straordinario. Il modello di Huyghens prevedeva questo fenomeno con la suddivisione dell onda incidente in due fronti d onda, uno sferico e uno ellissoidale. Nell Opticks, pubblicato nel 1704, Newton spiega invece la doppia rifrazione assumendo che i corpuscoli luminosi abbiano dei lati, ossia delle asimmetrie trasversali alla direzione di propagazione che causano un diverso indice di rifrazione, L idea newtoniana è un interessante anticipazione del concetto di polarizzazione, che verrà poi introdotto nel XIX secolo. [Tratto da Newton, un filosofo della natura e il sistema del mondo, di N. Guicciardini, collana I grandi della Scienza, anno 1, n. 2, aprile 1998] 3
1.3 Come si propaga la luce? Materiali: torcia, schermi, specchio, foglio di alluminio, cartoncino bianco grande e colorato, pulviscolo Si può vedere la luce? Prendere una torcia: dirigere la luce verso il soffitto. Osservare la zona tra la torcia e il soffitto: si vede della luce in quella zona? Come si potrebbe verificare se c è della luce in quella zona? Cosa è necessario che accada per poter vedere la luce? Disegnare il percorso della luce che colpisce la parete da quando lascia la torcia a quando arriva agli occhi. Che modello di luce hai usato nel disegnare la situazione precedente? 4
1.4 Cosa succede quando la luce incontra un materiale? Materiali: torcia, specchio, lastra spessa di plexiglas o vaschetta d acqua,, tavolette opache nere o colorate. Dirigi la torcia verso i seguenti oggetti e descrivi (con parole e schemi) cosa succede. Indica con dei segmenti orientati il percorso dei raggi di luce per almeno uno degli oggetti: superficie levigata (specchio), tavoletta lucida, cartoncino opaco sia bianco che colorato, vaschetta d acqua. Schemi e descrizioni 5
1.5 Riflessione della luce Materiale : kit di ottica comprendente sorgente di luce, goniometro, specchio rettilineo Disponi lo specchio rettilineo lungo un diametro del cerchio goniometrico e dirigi il fascio luminoso verso il centro del cerchio. Fai assumere allo specchio diverse posizioni, ruotando il cerchio goniometrico. Individua il raggio incidente e quello riflesso nei diversi casi e misura gli angoli di incidenza i e di riflessione r (gli angoli vanno usualmente misurati rispetto alla perpendicolare allo specchio nel punto di incidenza). Rifletti sulla precisione della misura (errori) quando confronti i dati ottenuti. angolo incidenza i angolo riflessione r Conclusioni (con parole e schema) 6
Ripeti l esperienza utilizzando ora una superficie riflettente a curvatura circolare. Utilizza i diaframmi per produrre tre o più fasci di luce paralleli. Come nel caso precedente, cambia gli angoli di incidenza. Cosa osservi? Descrizione Schema Caso 1 Caso 2 Caso 3 Valgono ancora le conclusioni ricavate nel caso dello specchio piano? 7
1.6 Rifrazione della luce Materiale : kit di ottica comprendente sorgente di luce, goniometro, diversi corpi ottici di plexiglass. 1.6.1 Esplorazione libera Utilizza i vari oggetti in plexiglas e osserva il comportamento della luce quando li attraversa, prestando attenzione agli angoli che il fascio di luce forma con la superficie quando entra nell oggetto e quando fuoriesce da esso. I fenomeni che osservi vengono indicati con il nome rifrazione della luce nel passaggio tra due mezzi trasparenti. Cosa osservi? Descrizione Schema Quando il fascio è perpendicolare alla superficie? Quando non è perpendicolare? Tutto il fascio entra nell oggetto o una parte viene riflessa? L intensità della parte riflessa dipende dall inclinazione del fascio rispetto alla superficie? Considerazioni iniziali 8
1.6.2 Misure quantitative relative al fenomeno di rifrazione a) Prendi il semicilindro di plexiglas (sc) e sovrapponi il suo diametro a quello del cerchio goniometrico, facendo coincidere i due centri. Invia il fascio luminoso perpendicolarmente alla superficie piana del sc e poi ruota il cerchio per cambiare l angolo di incidenza. Misura, rispettivamente, l angolo di incidenza i del fascio e l angolo di rifrazione r (gli angoli vanno riferiti alla normale alla superficie di separazione tra i due mezzi). NB. Per ottenere misure più precise è opportuno dirigere il fascio sempre verso il centro del semicilindro. Per quale motivo? E legato alla forma geometrica dell oggetto che stai utilizzando? angolo incidenza i angolo rifratto r sen i sen r sen i / sen r b) Rifare lo stesso esperimento precedente utilizzando il contenitore cavo riempito d acqua. Usa un foglio di carta lucido tra il goniometro e il contenitore d acqua per segnare i punti di passaggio aria- scatola, scatola- aria del raggio luminoso. Utilizza poi questi punti per disegnare le traiettorie e misurare gli angoli. angolo incidenza i angolo rifratto r sen i sen r sen i / sen r 9
Sulla base di quanto hai visto, scrivi le tue conclusioni nel riquadro sottostante: Cosa succede quando la luce passa dall aria al plexiglass o dall aria all acqua? Confrontiamo il rapporto sen i/sen r nei due esperimenti. E indipendente dalle caratteristiche dei mezzi in cui passa il fascio di luce? 1.7 Rifrazione multipla Quando un raggio di luce attraversa più sostanze, su ogni superficie di separazione di due mezzi contigui si verifica una rifrazione. Per osservare quantitativamente tale fenomeno usiamo il corpo ottico trapezoidale di plexiglass, i cui lati maggiori sono paralleli; la successione dei mezzi di propagazione sarà pertanto: aria- plexiglas, con superfici di separazione rispettivamente aria- plexiglass e plexiglass - aria. Poniamo un foglio bianco sotto il corpo di plexiglass. Schema dell'apparato: α P Fig. 2 Apparato Sperimentale per la misura della rifrazione multipla Variare l'angolo d incidenza partendo da α=0 o, 20 o in seguito 40 o, 60 o, avendo cura che il fascio incida sempre nello stesso punto. Segnare ogni volta sia il percorso dei raggi luminosi incidenti ed emergenti dal corpo 10
ottico trapezoidale. Alla fine dell esperimento ai vari angoli, spegnere la lampada. Riprodurre con un righello il percorso dei raggi luminosi, compreso il tratto interno al corpo ottico di plexiglass. Misura lo spostamento P del raggio emergente dalla retta di propagazione del raggio incidente (vedi Fig. 2) e l angolo di rifrazione all interno del corpo ottico. angolo incidenza α angolo rifratto Spostamento P 0 o 20 o 40 o 60 o Con semplici considerazioni geometriche, puoi ricavare lo spessore della lastra di plexiglass utilizzata. Quanto misura? Con quale precisione? Paragona quello che hai appena calcolato, con la misura che puoi fare utilizzando, per esempio, il righello. 11
1.8 Riflessione totale Posizionare ancora il semicilindro di plexiglas e ruotare il disco di 180 rispetto al caso discusso in precedenza, per studiare il comportamento della luce nel passaggio dal plexiglas all aria. Misurare gli angoli rispetto alla normale alla superficie piana. NB - Il fascio luminoso deve sempre essere diretto verso i centri coincidenti del sc e del cerchio goniometrico. angolo incidenza i angolo rifratto r sen i sen r sen i / sen r Riporta nella tabella sottostante le tue osservazioni: Cosa osservi? Descrizione Schema Quando il fascio è perpendicolare sia alla superficie sferica che a quella piana della sc. Quando non è perpendicolare alla superficie piana. (In questo caso è ancora perpendicolare alla superficie sferica? Perché?) 12
Cosa osservi? Descrizione Schema Si osserva lo stesso comportamento per qualunque angolo di incidenza compreso tra 0 0 e 90 0? Determina l angolo limite, oltre al quale il fascio non passa dal plexiglas all aria. 13
Conclusioni Basandoti sui risultati precedenti, quale sarà la relazione che descrive il comportamento dei fasci di luce nel passaggio tra due mezzi trasparenti di struttura diversa? Questa legge prevede l esistenza di situazioni in cui la luce viene completamente riflessa? Secondo te, quale caratteristica propria della luce viene modificata nell interazione con il mezzo materiale? Riporta altre considerazioni per te rilevanti in relazione al fenomeno osservato. 14
Esperienze a casa 1. Osserva una matita contenuta in un bicchiere pieno d acqua. Spiega quanto vedi utilizzando le leggi della rifrazione. 2. Metti una moneta sul fondo di un bicchiere di plastica opaco e guardando la moneta dall alto, spostati fino al punto in cui non riesci più a vederla. Chiedi a una persona di versare dell acqua nel bicchiere e osserva cosa succede. Interpreta quanto hai osservato. 3. Sai cosa sono e come funzionano le guide di luce? Cerca altri esempi di illusioni ottiche. Ricorda che il nostro cervello assume che il percorso seguito dai raggi di luce sia rettilineo e quindi le parti degli oggetti immerse nell acqua ci sembrano in un punto diverso da quello in cui effettivamente sono. 1.9 Deviazione di particelle Materiale: superfici piane rettangolari, fogli per spessore, cuneo di lancio, sfere. Lascia cadere la pallina da una certa altezza del cuneo sopra il tavolo e osserva cosa succede. Cosa osservi? Descrizione Schema Come è la traiettoria? La velocità si mantiene costante? Disponi le due superfici orizzontalmente in modo che siano unite da un breve piano inclinato. Assicurati che siano perfettamente orizzontali. Lascia cadere la pallina dal cuneo posto sul piano più alto e osserva cosa succede quando la pallina passa al piano inferiore. Cosa osservi? Descrizione Schema Come è la traiettoria? La velocità si mantiene costante? 15
Fissa con nastro adesivo un foglio di carta bianca su ciascuna di esse, in modo che i fogli abbiano un lato sugli orli del piano inclinato. Poni un foglio di carta- carbone su ognuno dei fogli già disposti. Lascia cadere la pallina e misura l angolo tra la traccia lasciata sul foglio bianco e la direzione normale agli spigoli del piano inclinato sui due piani orizzontali, prima e dopo la discesa. angolo α angolo β sen α sen β sen α / sen β Riporta nella tabella sottostante le tue osservazioni e spiegazioni: Quali dei valori riportati nella tabella risultano confrontabili entro gli errori di misura? Il cambiamento di direzione dopo la caduta (indicato dall angolo β) è legato a una variazione della velocità della sferetta? Spiega. C è qualche analogia tra la rifrazione della luce e la deviazione delle particelle.? 16
Se si ipotizza che la luce sia costituita di corpuscoli, cosa ci dice l esperienza fatta con le particelle sulla velocità della luce nell aria e nel plexiglas? In quale mezzo la luce si muove con maggiore velocità? Con considerazioni analoghe a quelle che hai visto in questa esperienza, i sostenitori della teoria corpuscolare della luce prevedevano nel sedicesimo e diciassettesimo secolo che la velocità della luce fosse maggiore nell acqua che nell aria. Nel 1850 Foucault mostrò invece che la velocità della luce è maggiore nell aria (298 000 km/s) che nell acqua (221 000 km/s). Nelle prossime esperienze vedremo altri fenomeni luminosi che non possono essere spiegati con il modello corpuscolare. Nella tua esperienza avrai sentito parlare di fotoni: qual è l immagine che associ al fotone di luce? Descrivila e rappresentala con un disegno. 17