OCCHIO...
ALLA FISICA
ESPERIENZE IN LABORATORIO
I ESPERIENZA: L'indice di rifrazione
OBIETTIVO: ricavare l'indice di rifrazione di un olio di semi, attraverso l'applicazione della legge di Snell.
MATERIALE OCCORRENTE:
- base di cartone;
- spilli sottili e lunghi;
- foglio bianco formato A3 sul quale è stampato un goniometro circolare;
- pennarello nero a punta fine;
- vaschetta di plastica trasparente contenente olio di semi.
PROCEDIMENTO:
Sappiamo che l'indice di rifrazione dell'olio di semi è all'incirca 1,47. Questo costituisce il valore atteso di questo esperimento.
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Fissiamo il foglio con goniometro circolare sulla base di cartone.
Posizioniamo la vaschetta sul foglio con goniometro, facendo coincidere un lato con la linea tra i 90° e i 270°, e ne tracciamo il perimetro per poter riporre la vaschetta nell'esatta posizione nel caso in cui capiti di spostarla.
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Infiliamo uno spillo (spillo C) nel centro del goniometro circolare, a contatto con il bordo della vaschetta e, successivamente,
posizioniamo un altro spillo (spillo I1) in corrispondenza di 10°.
Ponendosi dalla parte opposta dello spillo I1 rispetto alla vaschetta,osserviamo attraverso di essa e posizioniamo uno spillo (spillo P1) a contatto con la parete della vaschetta in modo che gli spilli C, I1, P1 risultino allineati.
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A questo punto possiamo togliere gli spilli e segnare le loro posizioni con il pennarello (è utile segnare a fianco anche i le corrispondenti lettere).
Ripetiamo questo procedimento fino ad ottenere cinque coppie di punti Ii e Pi.
Ora possiamo rimuovere la vaschetta.
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Tracciamo, quindi, i segmenti che congiungono i punti Ii con C. Abbiamo evidenziato, in questo modo, il cammino ottico di un raggio di luce che da Ii è entrato nella vaschetta nella posizione indicata da C.
Proiettiamo, poi, il punto I1 sul diametro del cerchio del goniometro, in modo da formare un triangolo rettangolo, e segniamo il corrispondente punto H1 (notiamo che H1 non sta sulla circnferenza, ma sul diametro verticale).
Misuriamo la lunghezza del segmento I1H1 e la riportiamo la misura in una tabella.
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A questo punto, indichiamo con R1 il punto in cui la retta che passa per C e P1 interseca la circonferenza del goniometro.
In seguito proiettiamo il punto R1 sul diametro del cerchio del goniometro, in modo da formare un triangolo rettangolo e chiamiamo tale punto S1.
Misuriamo la lunghezza del segmento R1S1 e riportiamo la misura in una tabella.
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Ripetiamo le operazioni per tutte le coppie di punti.
Possiamo costruire una tabella come la seguente:
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Per ogni raggio incidente (IiC) e rifratto (CRi) possiamo individuare gli angoli che essi formano con la retta perpendicolare alla vaschetta, ovvero l'angolo d'incidenza e l'angolo di rifrazione.
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Possiamo quindi ricavare l'indice di rifrazione utilizzando la legge di Snell – Cartesio:
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Infatti possiamo assumere che l'indice di rifrazione dell'aria sia pari a 1 e, inoltre, supponendo che r sia il raggio del cerchio del goniometro, possiamo scrivere:
e
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Di conseguenza, possiamo scrivere:
-
Raccogliamo nella tabella i valori trovati:
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Da qui possiamo ricavare il valore medio dell'indice di rifrazione dell'olio e il suo errore, calcolando lo scarto quadratico medio.
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Supponendo di avere M misurazioni otteniamo:
e
-
Quindi il risultato della nostra misura è .
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Si ottiene che il valore teorico giace all'interno dell'intervallo della misurazione sperimentale si può concludere che, entro gli errori sperimentali, l'intervallo di rifrazione ottenuto sperimentalmente è corretto.
II ESPERIENZA: l'immagine riflessa da uno specchio piano
OBIETTIVO: Costruire l’immagine di un oggetto riflesso da uno specchio piano e verificare che oggetto e immagine sono simmetricamente disposti rispetto allo specchio.
MATERIALE OCCORRENTE:
- specchio piano;
- spilli sottili e lunghi;
- piano di legno o cartone ricoperto di carta bianca;
- riga millimetrata.
PROCEDIMENTO:
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Incolliamo il foglio di carta bianca sopra il piano di cartone e su di esso tracciamo un segmento AB. Fissiamo lo specchio piano lungo questa traccia, in modo che risulti perpendicolare alla tavola.
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Per determinare la posizione dell'immagine speculare dello specchio, utilizziamo come punto-oggetto uno spillo (P) infilato sulla tavola, davanti allo specchio.
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Ponendoci all'altezza del piano, osserviamo da una direzione a nostra scelta l'immagine dello spillo P nello specchio (chiamiamo tale immagine P') e fissiamo due spilli (Q1 e Q2) in modo che P', Q1 e Q2 risultino tutti allineati. Dopo aver rimosso momentaneamente lo specchio tracciamo, quindi, sul foglio di carta la linea di vista Q1Q2 che unisce i due spilli.
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Ripetiamo le stesse operazioni osservando da un'altra direzione e fissiamo altri due spilli R1 e R2 allo stesso modo di prima, così da ottenere la linea di vista R1R2.
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Poichè l'immagine si trova sulle due linee di vista disegnate sul foglio, il punto P' sarà proprio la loro intersezione.
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Ora possiamo, con il righello, misurare le distanze di P e P' dalla retta AB che rappresenta lo specchio. Possiamo notare che tali distanze sono uguali. In altre parole, l'oggetto e la sua immagine riflessa giacciono su una retta perpendicolare al piano dello specchio e sono simmetriche rispetto a questo.
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A questo punto è possibile proseguire con un'altra parte dell'esperienza, volta a mostrare che un oggetto e la propria immagine riflessa dallo specchio sono specularmente ribaltati.
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Consideriamo Il triangolo P1P2P3, come in figura, e disegniamolo sul foglio di carta bianco fissato al tavolo. Infiliamo, quindi, tre spilli nei tre vertici e, con il metodo delle linee di vista utilzzato nella prima parte dell'esperienza per determinare la posizione dell'immagine di un punto, costruiamo le immagini dei tre punti.
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Confrontando l'oggetto e la sua immagine possiamo concludere che:
- le dimensioni dell'immagine sono uguali a quelle dell'oggetto;
- la figura geometrica del'immagine risulta ribaltata rispetto alla figura geometrica dell'oggetto.
Di seguito vengono presentate alcune esperienze da fare in laboratorio con gli studenti per mostrare i concetti esposti nella parte teorica da un punto di vista pratico. In questo modo è possibile chiarire eventuali dubbi e consolidare i concetti teorici.
Le esperienze trattano i eguenti argomenti:
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I ESPERIENZA: l'indice di rifrazione.
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II ESPERIENZA: l'immagine riflessa da uno specchio piano.
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III ESPERIENZA: la distanza focale di una lente.
Infine, nell'ultimo riquadro è presente una proposta per una possibile uscita didattica nell'ambito della gita scolastica di fine anno.
III ESPERIENZA: la distanza focale di una lente
OBIETTIVO: ricavare la distanza focale di una lente sottile convergente, misurando le distanze tra lente ed oggetto, do, e tra lente ed immagine, di ed utilizzando l'equazione dei punti coniugati.
MATERIALE OCCORRENTE:
- una candela;
- uno schermo bianco;
- una lente convergente;
- un binario ottico metrato.
PROCEDIMENTO:
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Innanzitutto posizioniamo sul binario, sugli appositi supporti, la candela, la lente e il cartoncino, il quale fungerà schermo, in questo ordine.
Eseguiamo, poi, 5 misurazioni con l'obiettivo di verificare che, lasciando la lente ferma nella stessa posizione e modificando le posizioni di candela e schermo, la distanza focale rimane invariata, entro l'incertezza di misura.
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Consideriamo C1, la posizione della candela nella prima misurazione; L, la posizione della lente e S1, la posizione dello schermo nella prima misurazione.
Misuriamo, quindi, le distanze do (pari a L-C1) e di (pari a S1 – L).
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Attraverso la formula ricaviamo .
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Nel caso della prima misurazione otteniamo un valore f1.
NB: Nel nostro caso consideriamo posizioni e distanze in centimetri.
A questo punto cambiamo la posizione della candela e dello schermo e determiniamo, quindi C2 e S2. Ripetiamo il procedimento ed il calcolo eseguiti per la prima misurazione.
Allo stesso modo, eseguiamo in totale cinque misurazioni (ottenendo, quindi, alla fine C5 ed S5) e calcolando 5 valori di f.
Se l'esperimento è stato svolto correttamente, si dovrebbero ottenere valori uguali di f, entro l'incertezza di misura. Infatti la distanza focale è una caratteristica della lente, indipendente dalla distanza dell'oggetto e della sua immagine.
A questo punto, è anche possibil effettuare un'esperienza per determinare la distanza focale di una lente divergente attraverso un procedimento analogo a quello utilizzato nella seconda esperienza: le linee di vista.
MATERIALE OCCORRENTE:
- piano di legno cartone ricoperto di carta bianca;
- lente sottile divergente;
- spilli sottili e lunghi;
- riga millimetrata.
PROCEDIMENTO:
Posizioniamo sul piano di legno ricoperto di carta bianca una lente divergente e infiliamo su di esso quattro spilli P1, P2, P3 e P4, allineati in modo che le due rette P1P2 e P3P4 rappresentino due raggi paralleli entranti nella lente divergente.
Osservando oltre la lente, fissiamo altri due spilli P1'P2' in modo che risultino apparentemente allineati con il raggio P1P2. Otteniamo in questo modo la linea di vista P1P2P'1P2'.
Ripetiamo le stesse operazioni al fine di ottenere anche la linea di vista P3P4P3'P4'.
Dopo aver rimosso la lente, tracciamo le linee relative ai prolungamenti P1'P2' e P3'P4', come in figura.
La loro intersezione determina la posizione del fuoco F della lente.
Misurando, quindi, la distanza del punto F otteniamo la distanza focale della lente divergente.
Proposta uscita didattica
Di seguito viene proposta un'uscita didattica nell'ambito della gita scolastica di fine anno. Se la meta fosse la città di Milano, oltre alle meraviglie architettoniche ed artistiche, potrebbe essere interessante partecipare ad un laboratorio didattico organizzato dal Museo Nazionale Scienza e Tecnologia Leonardo Da Vinci di Milano.
Dal sito è possibile scegliere due percorsi della tipologia i.lab, ovvero laboratori interattivi che coivolgono l'intera classe, sul tema della luce e dei fenomeni ad essa connessi.
Il primo è il laboratorio i.lab Luce "raggi e miraggi", il quale tratta dei fenomeni di propagazione della luce, come riflessione e rifrazione.
Il secondo, invece, è il laboratorio i.lab Luce "Lumi sulla materia", il quale si occupa della propagazione della luce attraverso specchi, vetri e altri materiali di uso quotidiano.
Cliccando sul tasto sottostante è possibile aprire direttamente la pagina del museo dedicata a questi laboratori.