Onde

1. Onde Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 • Concetti • 1) trasferimento di energia • perturbazione sonora • 2) concetto di “raggio” • propagazione della luce • inclinazione dei raggi • 3) propagazione della luce • solido d’ombra • 4) mezzi opachi e trasparenti • propagazione della luce nei mezzi trasparenti • 5) il colore della luce e degli oggetti • lo spettro visibile • 6) La radiazione invisibile • l’energia radiante Attività 1) Urtare per propagare suoni 2) Catturare la luce 3) Misurare l’ombra 4) Apparire e scomparire 5) Comporre i colori 6) Irradiare 1) Le monete in fila 2) L’acchiapparaggi 3) Lo gnomone origami 4) La moneta di Tolomeo 5) Il disco di Newton 6) I raggi infrarossi V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007” Onde - 1

2. Onde Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Consegna:tutto quello che si può fare con tubi di cartone, bacchette, metro a nastro, monete • Occhiello suono • Propagazione del suono: • Il suono è energia che viaggia dalla sorgente che lo emette al rivelatore che lo riceve. • Nella sorgente c’è sempre qualche cosa che vibra e l’energia di moto delle parti dell’oggetto che vibrano si trasforma in energia sonora che viaggia liberamente anche a grande distanza • Ciò che viaggia in un segnale sonoro non è niente di materiale, ma è soltanto una vibrazione • La velocità di propagazione dipende dal mezzo. • Occhiello luce • Come viaggia la luce • i raggi di luce viaggiano in linea retta dalla sorgente all’oggetto illuminato. • i raggi sono paralleli se la sorgente è molto distante, come il Sole, sono invece divergenti se la sorgente è vicina, come una lampadina. • Le ombre • dietro un oggetto opaco, illuminato dalla luce proveniente da una sorgente, si forma un'ombra la cui forma riproduce la forma dell'oggetto. • la lunghezza dell'ombra è tanto maggiore quanto più alto è l'oggetto che la produce e dipende dall'inclinazione dei raggi. Gli oggetti che si lasciano attraversare dalla luce - gli oggetti trasparenti sono quelli che si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla. - quando il raggio di luce passa dall’aria a un altro mezzo trasparente più denso, la sua direzione cambia e si avvicina di più alla direzione della retta perpendicolare alla superficie di separazione. Per questo motivo, gli oggetti immersi in acqua appaiono “spezzati” nel punto di immersione, per cui il fenomeno viene chiamato “rifrazione”. Onde - 2

3. Raggi e immagini Legge della rifrazione (di Snell) ni= indice di rifrazione del mezzo in cui viaggia il raggio incidente nr= indice di rifrazione del mezzo in cui viaggia il raggio rifratto i P O H K r Q Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Costruzione grafica: - si traccia un cerchio con centro nel punto di impatto e raggio OP arbitrario, - dall’intercetta P sul raggio incidente si traccia la perpendicolare PH alla superficie di separazione, - dal lato del raggio rifratto si individua il punto K tale che OH/OK = nr/ni, - si traccia la perpendicolare fino a intercettare il cerchio nel punto Q, - la direzione OQ è quella del raggio rifratto. Onde- 3

4. Le monete in fila Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: alcune monete dello stesso valore e di valori diversi, una pentolina di acciaio inossidabile, plastilina, nastro adesivo • Attività: • mettere in fila su un tavolo due monete una a contatto con l’altra. Lanciare con un pizzicotto la prima moneta contro la seconda; si vedrà che l’ultima moneta si stacca e parte; • ripetere la prova bloccando con del nastro adesivo la seconda moneta: si vedrà che, anche con la moneta bloccata, l’impulso si trasmette fino alla seconda e la fa partire; • ripetere la prova con la prima moneta appesantita con due monete (dello stesso valore) e la seconda scarica; • usare ora la moneta scarica contro quella ferma e appesantita di altre monete; • lanciare una moneta contro la pentolina; • ripetere anche la prima prova dopo aver messo un sottilissimo strato di plastilina fra la due monete: quando si lancerà contro la prima moneta, si vedrà che la seconda moneta non parte più. Provando poi con la pentolina in fondo, non si sentirà più lo schiocco sonoro • ripetere i lanci con l’altra serie di monete Attacco (spunti e continuità): analisi di giochi e giocattoli in cui avvengono urti • Concetti: • onda sonora che viaggia nei solidi; • ciò che viaggia non trasporta materia, ma solo energia e quantità di moto. Riferimenti: - A.A.V.V.- Dimmi come funziona – Edizioni “Il Saggiatore”, 1972 - www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • le proprietà dell’energia; trasferimenti di energia; energia cinetica Onde-4a

5. B D A C Le monete in fila • La fisica: • quando la moneta A, che è in moto, urta la moneta B che è ferma e bloccata, l’energia di moto della moneta A si trasferisce alla moneta B, trasformandosi però in energia di vibrazione elastica che viaggia come un’onda sonora all’interno della moneta. • in modo analogo, l’onda passa dalla moneta B alla moneta C e alla D, fino a quando trova una moneta libera di muoversi, nel qual caso l’energia sonora si trasforma nuovamente in energia di moto. • se alla fine della catena di monete si trova un oggetto di metallo pesante, come una scatola metallica, che amplifica il suono, l’energia sonora viene trasmessa all’aria e percepita nettamente. • mettendo della plastilina fra una moneta e l’altra si blocca il passaggio dell’onda, perché la plastilina non è elastica. Contesto: - la conduzione dell’attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutte le età scolari, fin dalla scuola primaria - le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare). Onde-4b

6. L’acchiapparaggi Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: alcuni tubi di cartone che si possano impugnare facilmente, fogli di carta che si possano arrotolare, cannucce da bibita, stecchini da spiedino, filo, pongo, fotocopia su carta di un goniometro • Attività: • puntare il tubo verso la sorgente di luce (meglio usare inizialmente il Sole, perché la luce è più intensa e i raggi sono ben collimati) • orientarlo fino a quando, per tentativi, si vede nitidamente lo spot luminoso • fissare allo stecchino il goniometro di carta e appendere al centro un pezzetto di filo con all’estremo una pallina di pongo che fungerà da “filo a piombo” • fissare lo stecchino attrezzato col goniometro al tubo “acchiapparaggi”, orientare il tubo in modo da acchiappare il raggio e leggere l’inclinazione • se si sta puntando verso il Sole verificare il parallelismo dei raggi • ripetere la misura in diverse ore della giornata e correlare l’inclinazione con la posizione del Sole nel cielo • se si sta puntando verso una lampada, verificare che l’inclinazione varia con la posizione rispetto alla lampada Attacco (spunti e continuità): -geografia astronomica - geometria piana Sicurezza Attenzione: MAI fissare il Sole a occhi nudo! • Concetti: • i raggi luminosi viaggiano lungo una direzione ben precisa • l’inclinazione dei raggi luminosi provenienti dal Sole porta informazione sulla posizione del Sole nel cielo • i raggi solari viaggiano in direzione parallela, perché la sorgente è molto lontana • i raggi provenienti da una lampada divergono, perché la sorgente è vicina • Riferimenti: • G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • www.funsci.com • Aspetti didattici: • il concetto di raggioluminoso • il parallelismo dei raggi luminosi provenienti dal Sole Dove e quando - preferibilmente l’esperimento si dovrebbe svolgere nel cortile o nel giardino della scuola, in un punto ben illuminato dal sole e possibilmente lontano da alti edifici Onde-5a

7. L’acchiapparaggi  • La fisica: • i raggi luminosi sono emessi in tutte le direzioni; • tuttavia i raggi che, provenendo dalla sorgente, arrivano in un certo punto dello schermo viaggiano in una direzione ben precisa; • l’inclinazione dei raggi luminosi provenienti dal Sole è l’angolo  che il fascio di raggi forma con la verticale; • l’inclinazione dei raggi varia durante il giorno e con le stagioni; • l’inclinazione è minima al mezzogiorno solare • Contesto: • le considerazioni circa la direzione dei raggi solari possono essere condotte a partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare) • - osservazioni più impegnative vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Onde-5b

8. Lo gnomone “origami” Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: un foglio di carta da disegno, formato F4 • Attività: • costruire lo gnomone seguendo le istruzioni per tagli e piegature; • (allegate) • Interdisciplinarietà e continuità: • geografia astronomica • geometria piana • attività ludiche (giochi con le ombre) • Concetti: • dietro un oggetto opaco, illuminato dalla luce proveniente da una sorgente, si forma un'ombra la cui forma riproduce la forma dell'oggetto. • la lunghezza dell'ombra è tanto maggiore quanto più alto è l'oggetto che la produce e dipende dall'inclinazione dei raggi Sicurezza Attenzione: MAI fissare il Sole a occhio nudo! • Aspetti didattici: • propagazione rettilinea della luce • il solido d’ombra • Riferimenti: • - P. Mascheretti, Università di Pavia, Progetto ESP/A • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 • - S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico • www.iapht.unito.it Dove e quando: - preferibilmente l’esperimento si dovrebbe svolgere nel cortile o nel giardino della scuola, in un punto ben illuminato dal sole e possibilmente lontano da alti edifici Onde – 6a

9. Lo gnomone origami (istruzioni) 4) Chiudere "a scatoletta" l'una sull'altra le due alette CDE e CD'E', incollarle e pinzarle. Nel compiere questa operazione, le due facce triangolari CBD e CBD' del futuro gnomone ruotano attorno allo spigolo CB … e lo gnomone prende forma (nella figura è visto di dietro). 1) Prendere un cartoncino formato A4, fare due pieghe fra di loro perpendicolari, come in figura, e tagliare lungo il tratto AB della piega più lunga. 2) Tagliare via due "orecchie" a 45o circa partendo da C. 5) In questa figura lo gnomone è visto dalla parte dello spigolo CB 3) Piegare lungo le rette CD e CD' (è utile "sfibrare" prima il cartoncino usando il dorso di una forbice guidata da una riga). 6) Incollare le due ali BQRD e BQ'R'D' su un cartoncino che formerà la base e chiuderà di sotto lo gnomone. Mentre la colla asciuga, si possono tenere uniti i cartoncini con delle graffette. Alla fine, rifilare le eccedenze della base e appoggiare lo gnomone su una base di cartoncino più spesso Onde-6b

10. La moneta di Tolomeo Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: una moneta, del pongo, un bastoncino da spiedini, una vaschetta non trasparente, un righello, foglio di carta da lucidi con quadrettatura. • Attività: • disporre uno strato di pongo sulla moneta • puntare il bastoncino al centro, avvicinare la moneta al bordo della vaschetta, tenendola però a una certa distanza e appoggiare lo stecchino al bordo • mettere la vaschetta su un banco e chiedere a uno studente, che farà da “osservatore” (al lato del banco in posizione tale che sicuramente non possa vedere la moneta, perché nascosta dal bordo della vaschetta) di guardare lungo la direzione dello stecchino cercando di indovinare che cosa c’è in fondo • versare poi l’acqua nella vaschetta finché, a un certo punto, l’“osservatore” avvisa di cominciare a vedere la moneta • misurare l’altezza h dell’acqua, la posizione della moneta rispetto al bordo della vaschetta, l’altezza della vaschetta, riprodurre in scala il disegno e cercare di ricostruire il cammino del raggio che “esce” dalla moneta e giunge all’occhio dell’osservatore quando deve viaggiare solo in aria oppure quando viaggia in acqua e in aria • Concetti: • gli oggetti trasparenti sono quelli che si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla • quando il raggio di luce passa dall’aria a un altro mezzo trasparente, la sua direzione cambia Interdisciplinarietà e continuità: - geometria piana • Aspetti didattici: • per il fenomeno chiamato “rifrazione”gli oggetti immersi in acqua appaiono spezzati nel punto di immersione, Riferimenti: - www.iapht.unito.it Onde – 7a

11. La moneta di Tolomeo O O raggi che arrivano all’occhio questo raggio non arriva all’occhio stecchino posizione della moneta M stecchino in aria stecchino in acqua posizione apparente della moneta percorso del raggio in aria P percorso del raggio in acqua M O A B P M La fisica: La legge della rifrazione Quando non c’è acqua nella vaschetta i raggi diffusi dai vari oggetti possono essere raffigurati come in figura, dove “O” rappresenta l’occhio del bambino che osserva ed “M” la moneta: in queste condizioni solo la parte dello stecchino che sporge oltre il bordo della vaschetta è visibile perché solo i raggi diffusi che partono da questi punti arrivano in O, dato che tutti i raggi viaggiano in linea retta. Versando acqua nella vaschetta, i raggi si “spezzano” in corrispondenza della superficie dell’acqua, proseguendo in aria in direzione più inclinata. Quando si raggiunge un livello sufficiente, un raggio può seguire una traiettoria come la spezzata MPO che gli permette di superare il bordo della vaschetta e raggiungere l’occhio dell’osservatore; la moneta non compare più alla sua vera profondità, ma alla profondità apparente che si ottiene proseguendo in linea retta il segmento OP. Onde-7b

12. Il disco di Newton Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 blu rosso verde striscia nera coprendo il blu si osserva il colore giallo coprendo il verde si osserva il colore magenta coprendo il rosso si osserva il colore ciano Oggetti: dischi di cartoncino, matite colorate, forbici, motorino elettrico giocattolo • Attività: • sopra ogni disco disegnare tre spicchi da colorare in rosso, verde e blu. Con le forbici praticare un foro al centro del disco e infilarvi l’asse di un motorino giocattolo; • mettere in rotazione il motorino: più veloce sarà la rotazione e meno nitidi saranno i colori degli spicchi, sino ad apparire di un unico colore biancastro. • preparare delle strisce nere di forma circolare che possano coprire uno degli spicchi, come in figura; • sovrapporla a turno a uno dei tre spicchi e osservare il colore che si ottiene nella rispettiva corona circolare motorino • Concetti: • la luce bianca è composta di molti colori • il “bianco” come sovrapposizione di tutti i colori visibili • il “nero” come assenza di colore visibile Attacco (spunti e continuità): richiami ed analisi di situazioni del quotidiano • Riferimenti: • G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it Aspetti didattici: - il colore della luce e il colore degli oggetti Onde-8a

13. Il disco di Newton • La fisica: • la luce bianca è composta da molti colori (spettro visibile) • un oggetto ci appare colorato perché “assorbe” tutti i colori ad esclusione di una certa banda che diffonde prevalentemente (e che noi chiamiamo “rosso” piuttosto che “blu” ecc.); • il bianco è il risultato della sovrapposizione di tutti i colori; vediamo cioè bianco un oggetto che diffonde tutti i colori che compongono lo spettro visibile; • il nero è “mancanza” di colore, cioè un oggetto lo si vede nero perché non diffonde alcun colore, ma li trattiene tutti; • la persistenza delle immagini sulla retina è responsabile della apparente colorazione bianca del disco di cartoncino (si dice che un esperimento analogo venne fatto da Newton sovrapponendo i diversi “colori” dell’arcobaleno); • i recettori di colore contenuti nei coni della retina dei nostri occhi sono di tre tipi, sensibili a tre “colori fondamentali” nella banda del rosso, verde e blu: per questo motivo la sovrapposizione dei tre colori ci dà la sensazione di “bianco”, cioè di presenza di tutti i colori; • coprendo con il nero uno spicchio (ad esempio lo spicchio rosso), noi non percepiamo un colore che è la sovrapposizione del nero con gli altri due colori (blu e verde), ma percepiamo solo la sovrapposizione dei due colori (verde mare o “ciano”, sovrapposizione di blu e verde), perché la striscia nera non diffonde luce visibile. • Contesto: • le considerazioni circa la composizione dei colori possono essere condotte a partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare) • - osservazioni più impegnative sulla diffusione e assorbimento delle diverse bande di colore vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Onde-8b

14. I raggi infrarossi PED Fisica - classe A059 Oggetti: 4 barrette di metallo, un cartoncino di colore nero opaco, una lampada, un blocco di legno di supporto, cinque termometri a contatto, un termometro all’infrarosso • Attività: • dipingere 2 barrette con vernice opaca bianca e 2 con vernice nera e montarle accoppiate, una bianca e una nera, dai lati opposti di un supporto di legno, come nella foto; infilare dietro a ciascuna un termometro in modo che stia ben a contatto con la parete interna; • porre la faccia con due barrette di fronte al cartoncino nero e l’altra dal lato opposto e leggere le temperature dei 4 termometri, aspettando che raggiungano l’equilibrio (eventuali differenze inferiori a 1°C sono possibili, dovute a possibili differenze di taratura); annotare le 4 temperature in condizioni di equilibrio; • porre anche il quinto termometro di fronte al cartoncino e registrare la temperatura; • leggere la temperatura con il termometro all’infrarosso quando è puntato verso il cartoncino nero e quando è puntato verso il lato opposto; • accendere la lampada in modo da illuminare fortemente il cartoncino, lasciando però in ombra tutti i termometri e leggere le temperature a intervalli regolari di tempo, ripetendo anche le misure con il termometro all’infrarosso con i due diversi puntamenti. • Attacco: • vacanze al mare (camminare sulla spiaggia a mezzogiorno) • estate in città (abiti chiari e abiti scuri) • Concetti: • tutti i corpi emettono delle radiazioni invisibili (infrarosse) con una intensità tanto maggiore quanto maggiore è la loro temperatura; • la radiazione invisibile viaggia nello spazio dalla sorgente all’oggetto che la assorbe nello stesso modo della radiazione visibile e trasporta energia Aspetti didattici: - è possibile utilizzare l’energia radiante emessa da una sorgente per riscaldare altri oggetti - l’energia radiante viaggia nello spazio, mantenendo il ricordo della sorgente da cui proviene. • Riferimenti: • www.iapht.unito.it Onde-9a

15. I raggi infrarossi • La fisica: • tutti i corpi emettono delle radiazioni invisibili (infrarosse) con una intensità tanto maggiore quanto maggiore è la loro temperatura; • il filamento della lampada, che è a una altissima temperatura, emette molta energia radiante sia infrarossa che visibile: questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi o invisibili, viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe, • la radiazione viene assorbita in modo molto efficiente dal cartoncino nero e ne fa aumentare la temperatura, • più passa il tempo, più energia radiante colpisce il cartoncino, più cresce la sua temperatura, • il cartoncino nero, a sua volta, emette energia radiante, ma non più nel visibile, perché la sua temperatura è troppo bassa, bensì nell’infrarosso; man mano che la temperatura aumenta, irradia una quantità crescente di energia che, a sua volta, viaggia nello spazio; • le due barrette, poste di fronte al cartoncino, ricevono molta radiazione e quindi si scaldano; la barretta nera si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia della radiazione infrarossa; • gli altri termometri a contatto sentono molto meno l’effetto della radiazione: quello posto di fronte al cartoncino ha una piccola superficie e quindi cattura pochi raggi e sente solo che l’aria intorno si è scaldata, quelli dietro il blocco sono schermati dalla radiazione e sentono solo il piccolo aumento di temperatura dell’aria circostante; • il termometro all’infrarosso è invece in grado di discriminare direttamente la direzione da cui arriva la radiazione Contesto: - l’uso dello strumento di misura (termometro a contatto) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia - ragionamenti più elaborati sull’energia radiante sono più adatti a livelli successivi, anche in vista di un raccordo con la secondaria superiore Onde-9b