Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
AZIONI E CONCETTI:
raggi e immagini
“Catturare” la luce
• il concetto di “raggio”
• propagazione rettilinea della luce
• inclinazione dei raggi
Lo gnomone “origami”
Misurare l’ombra
• propagazione rettilinea della luce
• solido d’ombra
• lunghezza e distanza
L’insolatiera
Visualizzare il
“cammino” del Sole
L’acchiapparaggi
L’acqua che spezza
La moneta di Tolomeo
Visualizzare il cammino
dei raggi in acqua
Apparire e
scomparire
D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2003 – 2004”
• la posizione del Sole sull’orizzonte
• la “geometria” del modello Terra Sole
• mezzi opachi e trasparenti
• propagazione della luce nei mezzi
trasparenti
• mezzi opachi e trasparenti
• propagazione della luce nei mezzi
trasparenti
Raggi e immagini 1
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Raggi e immagini
Consegna:
tutto quello che si può fare con tubi di cartone, bacchette, metro a nastro e … . insalatiere!
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”).
Raggi e immagini 2
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
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
sen i nr

sen r ni
OH OP sen i nr


OK OQ sen r ni
i
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.
P
K
O
H
r
Q
Raggi e immagini 3
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Raggi e immagini: l’acchiapparaggi
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, riesce a vedere 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
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
Aspetti didattici:
• il concetto di raggio luminoso
• 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
Interdisciplinarietà e continuità:
- geografia astronomica
- geometria piana
Sicurezza
Attenzione: MAI fissare il Sole a occhi nudo!
Riferimenti (dove, come e per chi):
- P. Guidoni, Università di Napoli, Progetto ESPA (A)
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio,
Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C)
- S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di
Laboratorio Scientifico (A)
- www.iapht.unito.it (L)
Raggi e immagini 4a
Raggi e immagini: l’acchiapparaggi
La fisica:
• 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
Contesto:
- la conduzione dell’attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli anche in previsione di un
raccordo con la scuola elementare e dell’infanzia
- è importante che ogni ragazzo costruisca il proprio acchiapparaggi, perché l’appropriazione dell’oggetto
favorisce l’appropriazione del concetto
- si consiglia una sistematica raccolta dei dati, in ambiente aperto e soleggiato
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media
- osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della
luce, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola
secondaria superiore
Raggi e immagini 4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Raggi e immagini:
lo gnomone “origami”
Oggetti: un foglio di carta da disegno, formato F4
Attività:
• costruire lo gnomone seguendo le istruzioni per tagli e piegature;
(allegate)
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
Aspetti didattici:
• propagazione rettilinea della luce
• il solido d’ombra
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
Interdisciplinarietà e continuità:
• geografia astronomica
• geometria piana
• attività ludiche (giochi con le ombre)
Sicurezza
Attenzione: MAI fissare il Sole a occhio nudo!
Riferimenti (dove, come e per chi):
- P. Mascheretti, Università di Pavia, Progetto ESP/A (A)
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale
Scienza, Trieste, 1994 (C)
- S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio
Scientifico (A)
- www.iapht.unito.it (L)
Raggi e immagini 5a
Raggi e immagini: lo gnomone origami
La fisica:
• 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
• l’ombra non si forma solo sul piano ma riempie tutto lo spazio che sta dietro l’oggetto (solido d’ombra)
Contesto:
- la realizzazione di attività dello gnomone origami è consigliata a tutti
i livelli (a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare),
allo scopo di favorire e potenziare le abilità manuali e di
comprensione delle istruzioni di lavoro
- è importante che ogni ragazzo costruisca il proprio gnomone, perché
l’appropriazione dell’oggetto favorisce l’appropriazione del concetto
( in questo caso “solido d’ombra”)
- si consiglia una sistematica raccolta dei dati, in ambiente aperto e
soleggiato
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i
livelli, a partire dalla prima media
Raggi e immagini 5b
20 cm
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.
Raggi e immagini:
come costruire lo
gnomone “origami”
2) Tagliare via due "orecchie" a 45o circa partendo da C.
3) Piegare lungo le rette CD e CD' (è utile "sfibrare" prima il
cartoncino usando il dorso di una forbice guidata da una riga).
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).
5) In questa figura lo gnomone è visto dalla parte dello spigolo CB.
Raggi e immagini 5c
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.
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Raggi e immagini: l’insolatiera
Oggetti: un’insalatiera trasparente, corredata da una base
d’appoggio su cui sono indicati i punti cardinali e da un
“mirino” (per fissare la posizione del Sole).
Attività:
• esporre l’insolatiera ai raggi solari in un certo momento della
giornata
• puntare con un “mirino” la posizione del Sole (quando la macchia di
luce prodotta dal mirino è centrata rispetto al cerchio di base)
• verificare come essa cambia al trascorrere del tempo
Concetti:
- individuare l'inclinazione dei raggi solari associandola alla
posizione del mirino sulla calotta sferica,
- riconoscere il legame tra la posizione del mirino e la posizione del
Sole sull’orizzonte,
- collegare tale posizione con il tempo (ora)
Aspetti didattici:
• il cammino apparente del Sole
• simulazione della volta celeste
Interdisciplinarietà e continuità:
• geografia astronomica
• geometria solida
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
Sicurezza
Attenzione: MAI fissare il Sole a occhio nudo!
Riferimenti (dove, come e per chi):
- M.L.Scillia – Quaderno AIF n°6 (A)
- B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio,
Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C)
- S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di
Laboratorio Scientifico (A)
- www.iapht.unito.it (L)
Raggi e immagini 6a
Raggi e immagini: l’insolatiera
La fisica:
• individuare l'inclinazione dei raggi solari associandola alla posizione del mirino
sulla calotta sferica,
• riconoscere il legame tra la posizione del mirino e la posizione del Sole
sull’orizzonte,
• collegare tale posizione con il tempo (ora) e la stagione
Contesto:
- è importante che ogni ragazzo “agisca” sull’ acchiapparaggi,
perché l’utilizzo dell’oggetto favorisce l’appropriazione del
concetto
- si consiglia una sistematica raccolta dei dati, in ambiente
aperto e soleggiato
-osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un
modello che rappresenti la propagazione della luce e il
sistema Terra/Sole, sono particolarmente indicate per una
terza media, anche in previsione di un raccordo con la
scuola secondaria superiore
Raggi e immagini 6b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Raggi e immagini: l’acqua che spezza
Oggetti: puntatore LASER, vaschetta, due stecchini da spiedini, pongo, nastro adesivo,
righello, fotocopia su carta di un goniometro, filo, acqua
Attività:
• fissare il LASER all’estremo di uno stecchino con il nastro adesivo, infilare la punta dello
stecchino nel pongo, accendere il LASER e controllare che lo spot luminoso si formi accanto
alla punta dello stecchino
• versare acqua nella vaschetta, osservare che lo spot si sposta e lo stecchino appare “spezzato”
• attaccare il goniometro di carta all’estremo dell’altro stecchino, fissare al centro il “filo a
piombo” ottenuto con un pezzo di filo con attaccato all’estremo una pallina di pongo
• puntare lo stecchino con goniometro sullo spot, farlo emergere dall’acqua in corrispondenza
del punto di immersione dell’altro stecchino e misurare l’angolo del raggio rifratto
• misurare in modo analogo l’angolo del raggio incidente, che è parallelo al primo stecchino
• riprodurre in scala su un foglio il percorso del raggio LASER in aria e in acqua
Concetti:
- raggio incidente e raggio rifratto
- indice di rifrazione
Interdisciplinarietà e continuità:
- geometria piana
Aspetti didattici:
per il fenomeno che viene chiamato
“rifrazione” gli oggetti immersi in acqua
appaiono spezzati nel punto di immersione
Riferimenti (dove, come e per chi):
- www.iapht.unito.it (L)
Sicurezza
Attenzione: il LASER non va dato in mano ai ragazzi!
Raggi e immagini 7a
Raggi e immagini: l’acqua che spezza
La fisica:
• gli oggetti trasparenti 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
• come conseguenza della deviazione dei raggi, lo spot luminoso al fondo dello
strato di acqua si sposta verso punti più vicino alla perpendicolare
• la deviazione del raggio dipende da una proprietà caratteristica del mezzo detta
indice di rifrazione n
• noto l’indice di rifrazione (per l’acqua n=1,33) si può calcolare lo spostamento
dello spot usando la costruzione geometrica di diapositiva 2
• viceversa, misurando lo spostamento e l’altezza dello strato di acqua, si può
calcolare l’indice di rifrazione usando la costruzione geometrica di diapositiva 2
Contesto:
- la conduzione dell’attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli anche in previsione di un
raccordo con la scuola elementare
-osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della
luce, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola
secondaria superiore
Raggi e immagini 7b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Raggi e immagini: la moneta di Tolomeo
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” avvisi 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
Aspetti didattici:
• per il fenomeno chiamato “rifrazione” gli oggetti immersi in acqua
appaiono spezzati nel punto di immersione,
Interdisciplinarietà e continuità:
- geometria piana
Riferimenti (dove, come e per chi):
- www.iapht.unito.it (L)
Raggi e immagini 8a
Raggi e immagini: la moneta di Tolomeo
La fisica:
• gli oggetti trasparenti si lasciano attraversare dalla luce senza bloccarla
• quando il raggio di luce proveniente dalla moneta passa dall’acqua a un mezzo trasparente
meno denso come l’aria, la sua direzione cambia e si allontana di più dalla direzione
della retta perpendicolare alla superficie di separazione
• come conseguenza, la posizione della moneta al fondo dello strato di acqua appare
spostata verso punti più lontani dalla perpendicolare e verso l’alto
• la deviazione del raggio dipende da una proprietà caratteristica del mezzo detta indice
di rifrazione n
• noto l’indice di rifrazione (per l’acqua n=1,33) si può calcolare lo spostamento della
moneta usando la costruzione geometrica di diapositiva 2*
* in blu parole da cancellare?
• viceversa, misurando lo spostamento e l’altezza dello strato di acqua, si può calcolare
l’indice di rifrazione usando la costruzione geometrica di diapositiva 2*
Contesto:
- la conduzione dell’attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli facendo leva sull’effettosorpresa
-osservazioni più impegnative, nonché l’elaborazione di un modello che rappresenti la propagazione della
luce, sono particolarmente indicate per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola
secondaria superiore
Raggi e immagini 8b