Elementi di fisica e didattica della fisica

Elementi di fisica e didattica della fisica

Barbara Pecori
21-09-2015
Aula c – Viale Berti Pichat 6 – Domani e mercoledì le lezioni si svolgeranno in questa aula.

Programma

Le lezioni teoriche riguarderanno i seguenti argomenti di fisica:

• Il comportamento della luce, la luce e la visione
• I cambiamenti climatici
• L'educazione al rischio sismico e idrogeologico

Questi argomenti saranno presentati da un punto di vista disciplinare e discussi da un punto di vista didattico.

Laboratori

I laboratori riguarderanno ciascuno un tema a scelta fra i seguenti:

• Come leggere un testo di fisica
• Come utilizzare le risorse extrascolastiche per l'educazione scientifica
• Esperienze con la luce fra arte e scienza
• Esperienze di fisica con materiale povero
• Educazione al rischio sismico e idrogeologico

Esame

Una parte scritta obbligatoria: un test a scelta multipla. Chi lo supera può fare un’orale per migliorare ed è tutto a carattere didattico. Non c’è il salto d’appello, ma chi fa il preappello non può iscriversi al primo appello. Anche se due appelli sono troppo vicini il salto d’appello vale.

Cos'è la luce?

È difficile rispondere alla domanda “cos’è la luce?”, ma è più facile rispondere alla domanda “cosa fa la luce?”. Alcuni esperimenti sul comportamento della luce:

• Ombre
• Camera oscura

Esperimento sulle ombre

Un cartoncino viene illuminato con due lampadine a filamento lungo leggermente distanziate tra di loro. Dietro al cartoncino c’è uno schermo, dove si formerà una parte illuminata e una parte di ombra. Se accendo la lampada a destra ottengo una situazione in cui ci sono due zone illuminate (ai lati) e una di ombra al centro. Se invece accendo quella di sinistra l’ombra è uguale a prima, ma leggermente spostata verso destra. Se poi accendo entrambe le lampade c’è una zona centrale scura, due zone più luminose e altre due zone più esterne ancora più illuminate. La zona intermedia viene chiamata penombra.

Questo esperimento ci fa capire che le ombre non possono né sommarsi né sottrarsi. L’ombra non ha una sua natura intrinseca (= non esiste la luce e l’ombra), ma è soltanto una mancanza di luce. Per studiare le ombre io devo inseguire la luce, quindi dovrò trovare un modo in cui descrivo questo. Questo processo avviene perché la zona di penombra di destra è illuminata dalla lampada di sinistra, mentre la zona di penombra di sinistra è illuminata dalla lampada di destra. La parte centrale, invece, rimane in ombra perché non è illuminata dalla luce.

I bambini fanno tante osservazioni sull’ombra e scopo dell’educazione scientifica è far evolvere queste idee affinché gradualmente si avvicinino ai concetti scientifici accreditati.

Come spiega la fisica quello che abbiamo visto? Osserviamo due situazioni analoghe: un cartoncino parallelo/obliquo al tavolo e lo illuminiamo con una lampada. Nel primo caso la dimensione è più grande, nel secondo caso non solo cambia la dimensione, ma anche la forma del cartoncino. È importante fare previsioni e vedere poi il risultato.

Facciamo delle ipotesi secondo l’ottica geometrica:

• La luce si propaga in linea retta;
• Da ogni punto della sorgente (esempio: la nostra lampada) escono raggi di luce in tutte le direzioni.

La figura è dunque una rappresentazione schematica che illustra come sia possibile spiegare la forma delle ombre sul tavolo ipotizzando la propagazione rettilinea della luce. Poi confronto la rappresentazione con le ipotesi.

Riprendendo il primo esperimento, possibili schematizzazioni mediante il modello a raggi sono due: l’esperimento visto dall’alto e quello visto lateralmente, ma sono entrambe incomplete, per questo abbiamo bisogno di entrambe. Nella sola schematizzazione dall’alto avremo un cono d’ombra, una sezione piana d’ombra e una zona illuminata se accendiamo solo una lampada. Se accendiamo entrambe le lampade, si aggiunge anche la penombra. Lateralmente si vede solo una lampada, per tutta la sua lunghezza. Qui si può notare una zona d’ombra, una zona illuminata, un raggio limite e la penombra.

[Mai usare il termine “raggio luminoso”, al suo posto si può utilizzare “raggio di luce”]

Abbiamo trascurato un dettaglio: nella visione orizzontale, il bordo in alto dell’ombra è sfumato, mentre i bordi laterali appaiono molto più netti. Perché? Se aumentiamo il numero delle sorgenti, l’ombra definita diventa sempre più sfumata.

Per controllare le ipotesi su cui si basa questa rappresentazione dobbiamo metterla alla prova con un altro fenomeno: quello della camera oscura.

Esperimento sulla camera oscura

Il fenomeno della camera oscura era utilizzato dagli artisti nel passato per rappresentare dei paesaggi. Abbiamo due lampade disposte a forma di croce, uno schermo e un cartone con un foro. Utilizziamo il modello a raggi per fare previsioni. Nella visione laterale avremo dei raggi di luce che entrano nel foro. Sullo schermo la lampada dovrebbe apparire rovesciata e poco luminosa. Questo perché la sorgente è molto più estesa del foro considerato. Ma sarà davvero rovesciata l’immagine sullo schermo?

Per controllare meglio le nostre previsioni, teniamo ancora accesa la lampada verticale e guardiamo il fenomeno dall’alto. Utilizziamo il modello della propagazione rettilinea. Se consideriamo che il filamento illuminato equivale ad un numero altissimo di sorgenti una di fianco all’altra, sullo schermo prevediamo di vedere una riga luminosa verticale, cioè l’immagine del filamento. Accendiamo solo la lampada orizzontale e guardiamo il fenomeno dall’alto. Se consideriamo che il filamento illuminato equivale ad un numero altissimo di sorgenti una di fianco all’altra, sullo schermo prevediamo di vedere una riga luminosa orizzontale, cioè l’immagine del filamento.

Ma sarà davvero rovesciata l’immagine sullo schermo? Controlliamo accendendo anche l’altra lampada: l’immagine sullo schermo risulta essere rovesciata.

Che cosa succede se faccio un altro foro? Si hanno due proiezioni sempre ribaltate della lampada. E se ho un foro più grande? Sullo schermo apparirà una zona illuminata di forma circolare che è la somma di un gran numero di immagini del filamento.

La luce non la vediamo, non la tocchiamo…

I raggi di luce in realtà non esistono, ma ci interessa avere una rappresentazione del percorso della luce per capire i suoi effetti e, per poi, prevederli.

Perché vedo?

Le sorgenti di luce sono di due tipi:

• Quelle che producono luce (= sorgenti primarie) ESEMPIO: esperimento della camera oscura
• Quelle che ricevono e deviano la luce (= sorgenti secondarie) ESEMPIO: la luna

Esperimento – La luce può rimbalzare?

Ho una sorgente che produce luce (= una torcia) e davanti ho un oggetto che può essere intercambiabile. Si può notare che a seconda dell’oggetto la luce si comporta in maniera diversa. Per capire meglio la situazione selezioniamo un fascio sottile di luce. Nell’oggetto 1 la luce si comporta in modo diverso rispetto all’oggetto 2: la luce non rimbalza nel primo caso, ma ciò accade nel secondo caso.

Se rappresentiamo i raggi incidenti, questi sono uguali in tutti e due gli oggetti; mentre i raggi riflessi sono diversi. Che tipo di oggetto sarà? Dobbiamo guardare sia il colore sia la ruvidezza. Il primo oggetto è un cartoncino bianco e liscio; il secondo, invece, è uno specchio. L’oggetto 1 noi lo sentiamo liscio, non tanta differenza rispetto allo specchio, ma in realtà le due superfici sono differenti.

Nel primo caso parliamo di diffusione perché la luce arriva concentrata e si diffonde su una superficie più grande. Nel secondo caso parliamo di riflessione. Gli oggetti su cui incide la luce possono diventare a loro volta sorgenti secondarie rimandando indietro (almeno in parte) la luce che ricevono da un’altra sorgente.

La possibilità di vedere è legata all’interazione tra una sorgente, gli oggetti che ho davanti e la persona che sta guardando. Se manca uno di questi elementi non ci può essere la visione.

Nella riflessione i raggi diversi che partono dalla sorgente formano angoli diversi nell’oggetto, però c’è una regolarità di comportamento: l’angolo formatosi dalla luce che raggiunge l’oggetto sarà sempre uguale all’angolo della luce che lascia l’oggetto.

• I legge sulla riflessione: il raggio incidente, il raggio riflesso, la normale (= la perpendicolare) alla superficie dello specchio passante per il punto di incidenza giacciono sullo stesso piano
• II legge sulla riflessione: l’angolo di incidenza (angolo fra il raggio incidente e la normale alla superficie dello specchio) è uguale all’angolo di riflessione (angolo fra il raggio riflesso e la normale alla superficie dello specchio)

Queste son leggi fenomenologiche, ovvero leggi che dipendono dal fenomeno.

Esperimento

Proviamo a stare dietro alla sorgente e quindi guardando “in faccia” la riflessione. La superficie dello specchio è praticamente invisibile, vediamo il contorno, ma lo specchio in quanto tale no. Se faccio una foto, cosa vede la macchina fotografica?

Costruiamo il percorso di 2 raggi che delimitano il fascio di luce che raggiunge la macchina fotografica e possiamo notare il fenomeno della riflessione. La macchina fotografica non sa che c’è uno specchio: riceve un segnale luminoso e lo registra nella sua memoria. Per la macchina fotografica tutto avviene come se ci fosse una sorgente dietro allo specchio, in posizione simmetrica (= distanze uguali e il segmento che unisce S e S1 è perpendicolare rispetto allo specchio) rispetto alla sorgente reale. Si tratta di un’immagine virtuale, perché in realtà non c’è niente dietro allo specchio.

Nella visione c’è una parte fisica-ottica e un’interpretazione del segnale che ho ricevuto (tale interpretazione avviene nella nostra mente, la quale rielabora il messaggio ricevuto). Anche noi se guardiamo un oggetto riflesso in uno specchio vediamo la sua immagine nello spazio dietro lo specchio dove in realtà l’oggetto non c’è. Per rispondere è necessario approfondire l’idea di visione.

La conoscenza comune è quella che deriva dall’esperienza e può essere differente da una cultura ad un’altra, proprio perché dipende dall’esperienza. Secondo l’idea comune:

1. Ovunque ci si trovi, guardandosi attorno si distinguono oggetti stagliati contro uno sfondo (al chiuso, le pareti dell’ambiente; all’aperto, il cielo e una sezione dell’orizzonte locale) e si notano zone diversamente illuminate (zone “in luce” e zone “in ombra”). La “direzione dello sguardo” seleziona volta a volta la porzione di spazio visibile (campo visivo).
2. Oggetti che si trovano nel campo visivo non possono essere visti se:
   • L’illuminazione è insufficiente
   • Sono troppo piccoli in relazione alla loro distanza da chi osserva
   • Sono “nascosti” dietro altri oggetti
   • Non “attirano l’attenzione” di chi guarda
   • Si mimetizzano

La conoscenza scientifica sostiene sulla visione:

1. L’organo di senso preposto alla visione è l’occhio. Per il processo della visione è necessario che dall’ambiente esterno arrivi nell’occhio uno stimolo che raggiunge appositi recettori e viene da questi trasformato in segnali inviati al cervello che li analizza e li elabora. Il risultato di questo complesso processo è la costruzione mentale delle rappresentazioni visive del mondo esterno in cui consiste “il vedere”. Quindi quello che diciamo di vedere ce lo siamo costruiti noi.
2. La fisica interpreta le diverse situazioni relative alla visione introducendo un ente, la luce, che viene emesso nello spazio da corpi chiamati sorgenti, raggiunge gli oggetti che a loro volta lo rimandano nello spazio circostante, entra negli occhi e arriva ai recettori.

Che percorso fanno i fasci luminosi che noi vediamo? La pupilla dell’occhio è in grado di ingrandirsi o meno per far entrare più o meno luce, quindi per regolare la trasmissione alla mente. La pupilla è un foro nero che assorbe la luce, nel senso che di tutta la luce che entra poi non esce più. Nell’occhio è presente la pupilla, il cristallino e la retina.

Il contributo della fisica allo studio della visione consiste quindi nello studio delle proprietà della luce e della interazione luce-oggetti (compresa l’interazione luce-occhio) che determinano le diverse caratteristiche dello stimolo visivo. I raggi che arrivano nella nostra pupilla sono uguali a quelli che arrivavano alla macchina fotografica, ma in più vediamo una sorgente nel punto I, che si trova prolungando all’indietro i raggi riflessi.

Se guardiamo un oggetto riflesso in uno specchio vediamo la sua immagine nello spazio dietro lo specchio dove in realtà l’oggetto non c’è. I fasci luminosi riflessi dallo specchio arrivano al nostro occhio esattamente come se venissero da una sorgente posta dietro lo specchio. Ma la nostra mente è in grado di interpretare l’immagine e riconoscere che dietro lo specchio l’oggetto non c’è.

Mentre con lo specchio che riflette la luce otteniamo un’immagine chiara della sorgente (= riflessione), con il cartoncino bianco che diffonde la luce incidente non abbiamo un’immagine chiara della sorgente (= diffusione). Adesso siamo in grado di spiegarci come mai vediamo il fascio di luce incidente e riflesso?

Che cosa succede se alzo il fascio proveniente dalla sorgente rispetto al piano di appoggio? Noi vediamo la luce se la luce incontra qualcosa. Se alzo un po’ la torcia, in modo che la luce non illumini più il tavolo, non vedo più il fascio di luce. Per renderlo ancora visibile posso far cadere del borotalco, le cui particelle sono diffusori, sparpagliando la luce, che arriva ai miei occhi. Vedo il percorso della luce solo se devio il percorso della luce. La polvere soffiata tra la sorgente e lo specchio rende visibile, oltre al fascio, anche la superficie dello specchio (grazie ai granelli di borotalco sullo specchio).

La luce è bianca? Esperimento di Newton

Se interpongo davanti a una sorgente un prisma trasparente ottengo sullo schermo due effetti: una linea bianca e una linea formata da una serie di colori (che è spostata rispetto alla precedente). Quando Newton fece l’esperimento le conoscenze sulla luce non erano così approfondite e ragionava con un modello che faceva un po’ fatica a spiegare questo effetto. Succede questo perché il prisma modifica la luce o in realtà la luce è piena di colori e il prisma li mette solo in ordine? Newton dice che se la luce è stata modificata allora non è più lei, è diventata qualcosa di diverso. Se invece ha solo separato qualcosa che prima era insieme (= dispersione).