Progetto Lauree Scientifiche

Laboratorio di

Ottica, Spettroscopia, AstrofisicaAntonio Maggio

INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo

con la collaborazione di Salvo Massaro

Perché un laboratorio di ottica

È un argomento di grande interesse perchè la luce è uno dei principali strumenti di

indagine fisica comprende fenomeni per i quali sono stati

sviluppati modelli fisici a vari livelli di complessità: raggi di luce, onde, fotoni

ne facciamo esperienza continuamente è fondamentale per comprendere

tecniche di fotografia e cinema, è basilare per l’astronomia, è di interesse anche per studi di biologia

Percorso didattico classico(seguendo il Walker, Fisica, vol II)

Onde– Definizione e descrizione matematica, modi di propagazione,

riflessione, interferenza, onde sonore, effetto Doppler

Ottica geometrica– Riflessione, rifrazione, lenti, dispersione

Strumenti ottici– Occhio, macchina fotografica, lenti di ingrandimento,

microscopio, telescopio, fenomeni di aberrazione

Ottica fisica– Sovrapposizione e interferenza, esperimento con la doppia

fenditura (natura ondulatoria della luce, principio di Huygens)

– Interferenza di onde riflesse (cambiamenti di fase)

– Diffrazione (da singola fenditura), risoluzione angolare (criterio di Rayleigh, limite di diffrazione), reticoli di diffrazione

Problemi di insegnamento L’ottica è solitamente prevista come ultima parte dei

corsi di Fisica– può mancare il tempo per insegnarla bene

Si presuppone la conoscenza delle “onde” e dei fenomeni connessi– la descrizione formale non è intuitiva

– La doppia natura ondulatoria e corpuscolare della luce limita l’analogia con il suono

L’apprendimento dei principi dell’ottica è ostacolato da preconcetti legati all’esperienza della visione– L’approccio sequenziale ai concetti di ottica può rendere la

materia troppo astratta

Le esperienze “classiche” di laboratorio possono essere di difficile realizzazione

Preconcetti

L’insegnamento dell’ottica deve “vedersela” con preconcetti molto diffusi e spesso fisicamente del tutto errati– Quello della visione a raggi X di Superman e’ un esempio– Alcuni preconcetti possono essere ricondotti al modello della

visione proposto dalla scuola pitagorica

Soluzioni alternative

Risorse disponibili in rete– Vi è molto materiale disponibile in rete, per lo più

orientato all’insegnamento dell’ottica tramite simulazioni Java (mezzo suggerito per superare i “preconcetti”)

– Alcune proposte didattiche sono valide come ausilio all’insegnamento dell’ottica, ma non possono sostituire un’attività sperimentale

– Nell’ambito del laboratorio PLS sono state utilizzate come suggerimenti di semplici esperienze e/o come test di ingresso/verifica

Laboratorio PLS(nostra proposta didattica)

Un percorso didattico dai principi base dell’ottica geometrica all’osservazione di sorgenti astronomiche, basato su attività di laboratorio

I concetti vengono introdotti man mano che si rendono necessari per la comprensione di fenomeni fisici sperimentati (utilizzando materiale povero e non)

Utilizzo di uno schema di apprendimento basato su previsione, sperimentazione, interpretazione

Risorse didattiche

Materiale povero per esperienze in classe– Sorgenti di luce: il Sole, lampadine elettriche,

lampadine tascabili, puntatori laser

– Strumenti ottici: foro stenopeico (pinhole), lente di ingrandimento, lenti correttive, l’occhio, binocoli, macchine fotografiche digitali

– Strumenti per esperienze di ottica fisica: due dita o due matite (effetti di diffrazione), bolle di sapone (interferenza), CD-ROM (interferenza, diffrazione)

Risorse didattiche

Materiale da laboratorio– Banco ottico con corredo di lenti, fenditure,

reticoli, lampade spettroscopiche

– Sunspotter (un piccolo sistema ottico per l’osservazione del Sole)

– Coronado (uno spettroscopio per l’osservazione della cromosfera solare)

Laboratorio PLS(percorso già realizzato nel 2006-2007)

1. Formazione di una immagine da una apertura di grandi dimensioni (ad es. di forma triangolare)– Ottica geometrica, con qualche complicazione

2. Costruzione di un pinhole-scope (telescopio a foro stenopeico)– Effetti geometrici (orientazione e grandezza

dell’immagine), effetti fisici (luminosità dell’immagine, nitidezza), test di ipotesi ed esperimenti (due buchi?)

3. Esperienze con una lente– Lente d’ingrandimento, lente correttiva (costruzione

delle immagini con penna laser), effetti fisici (focalizzazione, aberrazioni), esperienze (mezza lente coperta, ecc.)

Laboratorio PLS(percorso già realizzato nel 2006-2007)

4. Esperienze al banco ottico– Una lente, due lenti (immagini reali e virtuali,

equazione delle lenti sottili ricavata sperimentalmente), concetto di telescopio (quali sono i parametri importanti? Area di raccolta della luce, lunghezze focali, ingrandimento, risoluzione spaziale)

5. Un telescopio sui generis per esercizio– Il Sunspotter, uno strumento per l’osservazione del

Sole (come funziona lo dovrete scoprire voi)

6. Esperienze di spettroscopia da laboratorio– Dispersione da un prisma, esperienze con fenditure

al banco ottico (caratteristiche ondulatorie della luce, indentificazione di righe di emissione da lampade spettroscopiche)

Laboratorio PLS(nuova proposta didattica per il 2009)

7. Strumenti astronomici– Configurazioni ottiche di diversi telescopi,

caratteristiche, utilizzo

8. Realizzazione– Costruzione di uno specchio parabolico per un

riflettore Newtoniano e misura delle sue caratteristiche

9. Osservazioni astronomiche– Osservazioni dirette e tramite rivelatore CCD

(seeing, limite di diffrazione, fotometria a banda larga)

Progetto Lauree Scientifiche: Laboratoriodi Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Progetto Didattica e Divulgazione della Fisica: La Scuola Adotta un Esperimento

Progetto PalermoScienza (Insegnamento delleScienze Sperimentali), coordinato dal LiceoScientifico S. Cannizzaro di Palermo

A spasso per l’Universo : Laboratorio diastronomia per le scuole elementari

IYA2009: Laboratori di Astronomia nelle scuole