Relatore: Antonella Archidiacono (1)

Autori: Antonella Archidiacono (1), Bruno Brandolin (1), Daniele Buongiorno (2), Marisa Michelini (2), Patrizia Troncon (1)

(1) Liceo Scientifico Leonardo da Vinci, Treviso

(2) Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine

58° CONGRESSO NAZIONALE A.I.F. Brescia 16 -19 ottobre 2019 “Didattica della fisica: quali orizzonti?”

Una sfida sulle APP di Ottica e Spettroscopia per attività in Alternanza Scuola Lavoro (PCTO)

Alternanza scuola-lavoro

rinominata P.C.T.O. (Percorsi per le Competenze Trasversali e per l’Orientamento)

risponde all’esigenza di consentire agli studenti

di esplorare vocazioni e opportunità, di capire le proprie attitudini

di approfondire gli apprendimenti curriculari, contestualizzando conoscenze e acquisendo nuove competenze in compiti di realtà e in contesti di impegno diretto

Pluriennale collaborazione tra UniUD e Liceo da Vinci su vari piani

Implementazione di metodologie didattiche

basate sul saper fare, sulla ricerca - azione

strumento di orientamento su cui impostare una riflessione sulla base di esperienze reali

Docente Classe Indirizzo N. studen

ti

Archidiacono A. 4I Sportivo 28

Brandolin B. 4G Scienze A. 20

Troncon P. 4D Tradizionale 23

Formatori esterni

Marisa Michelini

Professore universitario di Fisica Presidente di GIREP Direttore di GEO Capo di URDF dell’Università di Udine

Buongiorno Daniele

Ricercatore presso l’Università di Udine Collaboratore di URDF

Numero studenti: 71

METTERE A PUNTO ESPERIMENTI PER COLLAUDARE APP E PER CAPIRE MEGLIO L’OTTICA

Le fasi del progetto: collaborazione con l’Università di Udine

6 INCONTRI AL LICEO

24 novembre 2018

I formatori esterni presentano il progetto agli studenti e ai tutor interni, descrivono i principali sensori esemplificando la loro modalità di impiego in esperimenti di ottica.

Primo compito: scaricare le App, esplorarne i sensori, progettare e implementare semplici esempi d’uso

10 gennaio 2019

I gruppi descrivono i sensori esplorati e commentano gli esempi d’uso realizzati analizzando e discutendo i risultati ottenuti.

Secondo compito: interpretazione dei fenomeni studiati secondo i modelli: raggio luminoso, onde, fotoni; eseguire un esperimento quantitativo tra quelli proposti

4 febbraio 2019

I gruppi presentano l’indice e alcune parti elaborate del manuale; viene condiviso il criterio generale di organizzazione e sviluppo del manuale, scelti gli esempi d’uso più significativi e proposti altri nuovi.

Terzo compito: realizzazione del manuale con gli esempi significativi d’uso rivisti e ampliati

12 marzo e 29 marzo 2019

Ogni gruppo presenta il lavoro realizzato. I formatori esterni descrivono le principali caratteristiche delle sorgenti luminose e degli spettri, suggerendo altri esperimenti da progettare.

Quarto compito: costruzione di uno spettroscopio, progettazione e implementazione di nuovi esperimenti

10 maggio 2019

Presentazione ai tutor esterni e discussione sui lavori svolti, suggerimenti di modifiche da apportare

Quinto compito: completare gli esperimenti, realizzare la presentazione

7 giugno

Gli studenti presentano i lavori realizzati

Lo smartphone come strumento didattico

È un “laboratorio tascabile” (dispone di sensori capaci di misurare diverse grandezze)

Riconfermato il suo impiego a scuola, nella progettazione e realizzazione di esperimenti di Ottica (usato il precedente anno per esperimenti di Meccanica)

Esplorare un fenomeno usando un dispositivo d’uso quotidiano

• rende più motivante l’attività soprattutto per gli studenti più deboli

• offre contesti d’uso concreti e reali migliorando la capacità interpretativa

• stimola la verifica di leggi in svariate situazioni anche a casa

• favorisce la capacità di problematizzazione e di modellizzazione

Migliora l’apprendimento della Fisica

Semplifica la gestione della pratica laboratoriale perché permette di fare misure anche a casa o non possibili nei nostri laboratori

Ricercare e analizzare APP

All’interno di ciascun gruppo, ogni studente ha prima individualmente

• ricercato in Internet le APP funzionanti sul proprio smartphone • scaricato alcune APP, studiato le caratteristiche tecniche, rilevato potenzialità e limiti • esplorato i principali sensori delle APP scaricate Successivamente ogni studente ha confrontato, discusso le informazioni e i risultati con i compagni

Principali APP più analizzate

Light Meter Esposimetro Light Spectrum Analyzer

Recensione 1 di Light Meter da parte di alcuni studenti di 4I

Ricercare e analizzare APP

Sviluppatore My Mobile Tools Dev

Peso 3,38 MB

Disponibilità Ogni dispositivo

Sensori utilizzati Sensore di intensità luminosa

Caratteristiche principali: - Calibra il dispositivo con il moltiplicatore

- Mostra il valore minimo, massimo e medio

- Mostra i dati del sensore

- 100% gratuita

Difficoltà d’impiego Nessuna

Incerto di accuratezza ma è uno

strumento comparativo utile. Precisione

derivante dalla marca del telefono e dalla

qualità dei componenti piuttosto che dal

software, quindi quelli con telefoni AAA

probabilmente troveranno prestazioni e

accuratezza maggiori.

Recensione 2 di Light Meter da parte di un altro gruppo di studenti di 4I

FUNZIONI Si possono sperimentare gli usi di diversi sensori, anche se in minore quantità rispetto a molte altre applicazioni usate nello studio dei fenomeni luminosi. A differenza di altre applicazioni simili, vengono a mancare sensori importanti e questo rende l'applicazione un po' meno utile e difficile da comprendere. Ad esempio non vi sono il righello, la bussola, lo spettrogramma, il giroscopio, il barometro e il misuratore di colore, utile in presenza di diverse variazioni di colore.

NOTE Non è possibile elaborare i dati o salvarli all'interno dell'applicazione, così come allo stesso modo non sono presenti le funzioni di esportazione e condivisione dei dati. L'applicazione presenta anche altre problematiche: infatti, oltre all'unica disponibilità in lingua inglese, vi sono frequenti interruzioni pubblicitarie che disturbano le misurazioni. Il problema dei pochi sensori disponibili è risolvibile tramite l'acquisto della versione a pagamento, molto più completa ed interessante. L'applicazione è disponibile ed ampiamente funzionabile anche in modalità offline.

Ricercare e analizzare APP

Ricercare e analizzare APP

Alcuni studenti di 4D hanno sviluppato il seguente

MANUALE OPERATIVO DI LIGHT METER

BREVE DESCRIZIONE: App che prende misurazioni sul livello di intensità luminosa presente in un determinato ambiente, con elaborazione dei dati molto rapida (quasi istantanea) con valori però non molto precisi. Utile comunque a rendersi conto delle differenze di luminosità nella luce che ci circonda INSTALLAZIONE E REQUISITI: Come si scarica: facilmente reperibile su play store o app store, disponibilità gratuita Installazione ed apertura: rapida installazione, essendo un’app di dimensioni ridotte, apertura immediata e interfaccia molto basica e semplice Requisiti sistema: Requisiti hardware:

Sensori necessari: sensore di luminosità (e fotocamera) Accessori necessari: non è richiesto l’utilizzo di particolari accessori per lo svolgimento di tutte le funzioni dell’app Requisiti software: Compatibilità: sistema operativo e versioni: IOS 7.1 o versioni successive e compatibile con tutti i dispositivi Spazio richiesto/occupato: 5,9 mb

FUNZIONI E RELATIVA ATTIVAZIONE: ASPETTI TECNICI: applicazione molto facile da aprire ed utilizzare, presenta un’unica schermata, in cui appare la visione della fotocamera esterna con al centro un valore di luminosità in lux, la cui precisione si ferma all’unità fondamentale, senza scendere nei decimali SETTAGGI E SPECIFICHE: è un applicazione decisamente semplice, non presenta alcun settaggio o specifica, l’applicazione si apre, effettua la misurazione in tempo reale e si chiude, risulta impossibile qualsiasi altra operazione MODALITÀ DI LAVORO: a seconda della tipologia di misurazione che si vuole effettuare, spostare il telefono in modo da misurare l’intensità nei vari punti di interesse e trascriverla, per poi utilizzare tali dati nella realizzazione dell’esperimento LIMITI E POTENZIALITÀ: l’applicazione presenta una misurazione molto grossolana e non permette di identificare in modo chiaro la fonte di luce, tuttavia risulta utile la fine di comparare l’intensità luminosa in vari punti di una stanza, pur senza dati precisi ESEMPI DI IMPIEGO: un modo per utilizzare l’applicazione per la realizzazione dell’esperimento può essere ad esempio quella di fissare una sorgente luminosa non troppo dispersiva e considerabile come uniforme (ad esempi la torcia di un altro telefono) e posizionare il telefono con l’app aperta a distanza crescente in modo da osservare la variazione di intensità in funzione della distanza, per poi ricavarne un grafico e una legge generale; potrebbe inoltre essere utile come app ausiliaria in altri esperimenti, in cui però sarà necessario anche l’utilizzo di altre applicazioni

Ricercare e analizzare APP

Recensioni degli studenti di 4I di Science Journale

SENSORI DISPONIBILI: accelerometro giroscopio sensori di prossimità luxometro fonometro orientamento barometro magnetometro inclinometro bussola misuratore di colore oscilloscopio spettrogramma generatore di colori

Funzioni Possibilità di configurare progetti ed esperimenti per organizzare i dati e confrontare i risultati. Prendere appunti e scattare foto per documentare i tuoi esperimenti scientifici Registrazione in tempo reale delle misurazioni. Possibilità di aggiungere note e immagini durante la registrazione delle misure in modo da contestualizzare meglio i dati. Possibilità di collegare il dispositivo a sensori esterni tramite Bluetooth. Possibilità di esportare i dati dei sensori registrati come file CSV.

NOTE: è un’applicazione molto facile, intuitiva ed immediata da utilizzare, che consente di aggiungere descrizioni e annotazioni dell’esperienza e collegare dispositivi esterni tramite Bluetooth per effettuare rilevazioni con altri dispositivi.

Alcuni gruppi di 4I hanno progettato e realizzato una tabella di confronto e di sintesi per diverse APP, analizzando la presenza o meno di sensori

Nome

applicazione Phisics Toolbox

Sensor Suite

Sensor Kinetics

Science Journal

LightMeter Free

AndroSensor Sensori multi-

strumento sensori

accelerometro si si si no si si

giroscopio si si si no si si

sensori di prossimità si no si si si si

luxometro si no si si si si

fonometro si si si no si si

orientamento si no si no si si

barometro si, ma non supportato

no si no si si

temperatura no no no no si si

magnetometro si si si no no si

inclinometro si no si no no si

righello si no no no no si

bussola si no si no no si

misuratore di colore si no si no no si

oscilloscopio si no si no si si

spettrogramma si no si no no si

generatore di colori si no si no no si

gps si no no no si si

Sintesi e confronto delle funzionalità di APP

Alcuni gruppi di 4I hanno progettato e realizzato una tabella di confronto e di sintesi per diverse APP esplicitandone le caratteristiche

Nome applicazione Phisics Toolbox Sensor Suite

Sensor Kinetics Science Journal LightMeter Free AndroSensor Sensori multi-strumento

peso (MB) 11,8 3 MB 49,7 5,9 varia in base al

dispositivo 33

sviluppatore Chrystian Vieryra, Innovations Inc. Google LLC Nipakul Buttua Fiv Asim Wired software

versione 1.3.4 2.1.1 2.2 non fornita 1.9.6.3

categoria utility istruzione istruzione utility utility

disponibilità su IOS si si si si no no

disponibilità su Android si si si no si si

versione gratuita si si no si si si

versione a pagamento si si no si no

acquisti in app no no no no no

italiano no no si no no no

lingue disponibili inglese inglese 41 inglese inglese inglese

elaborazione dati automatica

si si si no si si

salvataggio dati si no si no no si

esportaziione dati si no si no no si

condivisione dati si no si no no si

disponibilità offline si si si si no

Sintesi e confronto delle funzionalità di APP

Come gli studenti hanno testato le APP?

Esplorando i principali sensori per lo studio dell’Ottica

Il luxometro è stato il sensore più esplorato ed usato: misura l’intensità luminosa in lux

Imparando prima

• a fare misure con i sensori • a esportare i valori misurati dal cellulare in un foglio di calcolo elettronico per la relativa

elaborazione e analisi

Gli studenti, in gruppi, hanno poi

• Individuato un fenomeno

• Progettato un esperimento significativo con l’uso dei sensori esplorati

• Elaborato i dati e interpretato i fenomeni secondo modelli diversi

• Redatto relazioni sulle esperienze di laboratorio svolte

I docenti universitari e i tutor interni hanno fornito indicazioni essenziali agli studenti che hanno lavorato soprattutto in orario extracurricolare e spesso autonomamente a casa

Gli esiti sono risultati diversificati a secondo delle classi e dei gruppi

Primo esempio d’uso proposto: tutti gli studenti hanno verificato la Legge di Lambert

Esperienza semplice nell’uso del sensore e nell’esecuzione ma significativa perché sono emerse difficoltà anche inaspettate nell’elaborazione dei dati

Come usare il sensore di intensità luminosa

Principali difficoltà : • Riconoscere dal grafico la relazione tra grandezze • Linearizzare consapevolmente le relazioni

matematiche

Osservazioni: • Tutti i gruppi hanno individuato la relazione

ma senza corredare le misure d’incertezza • 10% dei gruppi ha verificato la legge in casi

limite

Esperimento di caduta libera

Un esperimento semplice ma non banale con gli smartphone

Grafico 1

Risultati ottenuti

Esempio descritto dalla classe 4D

Legge di Lambert

PROCEDIMENTO: Oscurata la stanza, attivare l’APP dal telefono sensore e registrare il primo valore riscontrato ad una distanza prossima ai 2 metri; successivamente avvicinarsi gradualmente alla fonte luminosa e registrare i valori ottenuti ad ogni intervallo di spazio prestabilito (in questo caso 10cm)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25

I d

lux

d (dm)

Legge di Lambert

distanza (cm)

intensità (lux)

35 3920 45 1350 55 695 65 420 75 290 85 225 95 180

105 140 115 120 125 100 135 74 145 64 155 57 165 52 175 47 185 42 195 38

DISCUSSIONE DATI: Dal grafico 1 si può notare un andamento dell’intensità rapidamente decrescente con la distanza.

Esperimento di caduta libera

Un esperimento semplice ma non banale con gli smartphone

Grafico 2

Dipendenza di I dall’inverso della quarta potenza di I per distanze piccole

Esempio descritto dalla classe 4D

Legge di Lambert

DISCUSSIONE DATI: Nei grafico 2 è stata verificata la legge di Lambert , intensità proporzionale all’inverso del quadrato della distanza per d >65 cm, mentre nel grafico 3 è stata messa in evidenza la dipendenza di I dall’inverso della quarta potenza della distanza per valori di d< 65 cm. Per distanze piccole l’approssimazione di considerare la sorgente puntiforme non è più accettabile.

0

5

10

15

20

25

30

35

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

I d

òu

x

1/d^2 dm^(-2)

I vs 1/d^2

I I lu

x

1/d^4 cm^(-4)

I per d< 65 cm

I lux 1/d^4 39,2 6,66 13,5 2,44 6,95 1,09

4,2 0,56

Legge di Lambert

Altro fenomeno comune studiato: trasmittività

Esperimenti diversi condotti nelle tre classi 4G: studiato il fenomeno della trasmissione attraverso diversi corpi solidi senza

arrivare al concetto di trasmittanza 4I: studiato il fenomeno della trasmittanza prima attraverso liquidi diversi poi

in funzione dello spessore di uno stesso liquido

4D: studiata la trasmittanza in funzione del colore

Esiti diversi 4G, 4I: analisi dell’interazione luce materia solo attraverso la misura di I0 e IT

senza un adeguato approfondimento, descrizione solo qualitativa della relazione individuata

4D: costruito anche i grafici ma senza giungere ad una relazione analitica

Trasmissione attraverso materiali diversi

Esperimento di un gruppo della classe 4G descritto dagli studenti

Scopo: Misura della variazione dell’intensità di un fascio luminoso che attraversa filtri opachi, trasparenti o traslucidi.

Procedura dell'esperimento 1) Scelta di tre filtri diversi: • Trasparente (lastra di vetro)

• Traslucido (copertina per libri in plastica)

• Opaco (un libro)

2) Misura dell’intensità della luce prodotta da una sorgente fissata a due distanze diverse (13cm e 26cm) dal dispositivo di misura 3) Misura dell'intensità della luce con interposizione di un filtro alla volta.

Applicazioni per smartphone utilizzate:

1. Lux Light Meter

2. Esposimetro

Applicazioni per smartphone utilizzate: Light Meter

Distanza fissata tra sorgente e strumento: 13cm

DISPERSIONE:

Bisogni di sostegno e approfondimento: Trasmissione dipendente anche dallo spessore Definizione di «dispersione» e l’indicazione di come calcolarla Indicazione delle incertezze nelle misure Analisi del concetto di trasmittanza

Tipo di filtro Intensità (lux)

No filtri 598 lux

Copertina quaderno 472 lux

Vetro 525 lux

Libro 0 lux

Copertina quaderno 21,0 %

Vetro 12,0 %

Trasmissione attraverso materiali diversi

Analisi dei dati dal precedente gruppo di lavoro:

Trasmissione attraverso liquidi diversi

Esperimento 1 della classe 4I descritto dagli studenti

Scopo Vedere come cambia l’intensità luminosa in base al liquido presente tra sorgente e sensore calcolandone anche la trasmittanza cioè il rapporto tra l’intensità trasmessa e quella incidente

Applicazioni su smartphone usate: Light Meter, Androsensor

Sostanza Intensità (lux)

Light Meter

Intensità (lux)

Andro Sensor

Errore (lux)

Aria 910 915 ±1

Acqua 905 897 ±1

The 560 557 ±1

Coca-Cola 2 2 ±1

Latte 3 3 ±1

Trasmittanza

Light Meter

Trasmittanza

percentuale

Light Meter

Trasmittanza

Andro Sensor

Trasmittanza

percentuale

Andro Sensor

1 100,00 1 100,00

0,99 99,45 0,980 98,03

0,62 61,54 0,608 60,87

0,002 0,22 0,002 0,22

0,003 0,33 0,003 0,33 Conclusioni «L’intensità luminosa trasmessa varia in base a colore e trasparenza infatti con il latte e la coca-cola che sono rispettivamente il più opaco ed il più scuro abbiamo valori molto bassi cosa che non capita con altri liquidi quali acqua e the».

Procedimento: In una stanza buia, posizionare la sorgente luminosa sotto il contenitore trasparente e lo smartphone avente l’app di ottica con il sensore rivolto verso la sorgente sopra il contenitore. Misurare l’intensità luminosa inserendo nel recipiente la stessa quantità dei vari liquidi.

Bisogni di sostegno e approfondimento: corretto utilizzo delle cifre significative nelle misure

Trasmissione al variare dello spessore

Esperimento 2 della classe 4I descritto dagli studenti

Scopo Vedere come cambia l’intensità luminosa in base all’altezza della colonna d’acqua tra sorgente e sensore calcolandone la trasmittanza.

Applicazioni usate: Light Meter, Androsensor

Osservazioni degli studenti L’intensità luminosa trasmessa diminuisce all’ aumentare dell’altezza della colonna d’acqua tra la sorgente luminosa e il sensore del cellulare. Questo avviene perché quando la luce attraversa un mezzo come l’acqua, questa assorbe parte della stessa, fenomeno che avviene anche in aria ma in modo trascurabile.

altezza acqua

(cm)

EA altezza

(cm)

Light Meter

(lx)

Andro sensor

(lx)

EA

intensità

(lx)

trasmittanza

(LM)

trasmittanza

percentuale

(LM)

trasmittanza

(AS)

trasmittanza

percentuale (AS)

0 ±0,1 910 915 ±1 1 100 1 100,00

5 ±0,1 903 909 ±1 0,992307692 99,23 0,993442623 99,34

10 ±0,1 898 902 ±1 0,986813187 98,68 0,98579235 98,58

15 ±0,1 891 891 ±1 0,979120879 97,91 0,973770492 97,38

20 ±0,1 888 886 ±1 0,975824176 97,58 0,968306011 96,83

25 ±0,1 881 884 ±1 0,968131868 96,81 0,966120219 96,61

Bisogni di sostegno e approfondimento: descrizione quantitativa della relazione individuata corretto utilizzo delle cifre significative indicazione completa dell’unità di misura coerenza tra precisione sperimentale e scrittura della misura

Procedimento In una stanza buia, posizionare la sorgente luminosa sotto il contenitore trasparente e lo smartphone avente l’app con il sensore rivolto verso la sorgente sopra il contenitore. Misurare l’intensità luminosa senza acqua e successivamente compiere altre misurazioni aggiungendo ogni volta una quantità d’acqua costante.

Trasmissione attraverso filtri colorati

Esperimento della classe 4D descritto dagli studenti

Scopo Verificare come varia l’intensità di una medesima fonte luminosa (una luce fredda come la torcia del proprio telefono) a seconda del filtro colorato utilizzato.

Applicazione usata: Light Meter

RISULTATI: I0=175 lux

COLORE I lux

Sorgente 175

Magenta 75

Blu 38

Ciano 63

Verde 100

Giallo 142

Rosso 35

COLORE ( nm) I/I0 *10^(-1)

Blu 478 4,29

Ciano 500 2,17

verde 515 3,60

Giallo 5,8 5,71

Magenta 600 8,11

Rosso 650 2,00

Grafico del rapporto tra intensità in funzione della lunghezza d’onda

Trasmissione attraverso filtri colorati

Esperimento della classe 4D descritto dagli studenti

Applicazione usata: Lux Light Meter

RISULTATI: I0=175 lux

Osservazioni degli studenti Il filtro colorato “blocca” tutte le lunghezze d’onda diverse da quelle caratteristiche del filtro stesso. Lo spettro della trasmittanza, vista come rapporto dell’ intensità trasmessa con l’intensità della sorgente, in funzione della lunghezza d’onda media associata a ciascun filtro, ci fornisce una indicazione sulle proprietà dell’interazione della luce della torcia dello smart-phone con il materiale del filtro stesso.

COLORE E=hc/lamda I/I0 *10^(-1)

Blu 2,59 4,29

Ciano 2,48 2,17

verde 2,41 3,60

Giallo 2,15 5,71

Magenta 2,07 8,11

Rosso 1,91 2,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00I/

I0

Energia eV

Trasmittanza vs Energia

Grafico del rapporto tra intensità trasmessa dal filtro e intensità della sorgente in funzione del colore caratterizzato dall’ energia E=hf

Trasmissione attraverso polaroid

Esperimento della classe 4D descritto dagli studenti

Scopo Misurare la variazione dell’intensità luminosa posizionando i filtri polaroid con diverse angolazioni.

Applicazioni usate: Light Meter, “Science Journal”

Osservazioni degli studenti Si notano delle variazioni rispetto all’assorbimento dei filtri che dipendono dall’angolazione che è presente tra i due. Infatti, se i due filtri sono disposti parallelamente l’assorbimento è minimo e a mano a mano che vengono ruotati e l’angolo si avvicina ai 90 gradi vi è un notevole aumento dell’assorbimento.

Procedimento • posizionare due filtri polaroid sulla lavagna luminosa • misurare l’angolo presente tra i due filtri servendosi di

un goniometro • con all’apposita applicazione rilevare l’intensità

luminosa prodotta • ripetere le due operazioni ruotando il filtro superiore • osservare la variazione di intensità luminosa e

annotarla

Trasmissione attraverso polaroid

Esperimento della classe 4D descritto dagli studenti

ELABORAZIONE DEI DATI RACCOLTI CON “SCIENCE JOURNAL”

Angle (degrees) Angle (radians) Intensity (lux) Cosine squared Theoretical intensity

value (lux) Diff %

0 0,00 16681,0 1,000 16681 0

18 0,31 11901,0 0,905 15088 21

36 0,63 8419,0 0,655 10918 23

54 0,94 3800,0 0,345 5763 34

72 1,26 209,0 0,095 1593 87

90 1,57 1,0 0,000 0

108 1,88 258,0 0,095 1593 84

126 2,20 3653,0 0,345 5763 37

144 2,51 8495,0 0,655 10918 22

162 2,83 12677,0 0,905 15088 16

180 3,14 14354,0 1,000 16681 14

La legge di Malus L'intensità luminosa di un raggio di luce che

attraversa un filtro polarizzatore, il cui asse di

polarizzazione forma un angolo θi con il piano di

vibrazione dell'onda luminosa, è calcolabile secondo

la relazione: 𝐼 = 𝐼0 ∙ cos

2 𝜃𝑖 -5000,0

0,0

5000,0

10000,0

15000,0

20000,0

INTENSITY

Intensity (Lux)

Theoretical intensity value

Poli. (Intensity (Lux))

Poli. (Theoretical intensity value)

Trasmissione attraverso polaroid

Esperimento della classe 4I descritto dagli studenti

Scopo Misurare la variazione dell’intensità luminosa posizionando i filtri polaroid con diverse angolazioni. Applicazioni usate: Light Meter

Osservazioni degli studenti L’intensità della luce dopo aver oltrepassato il primo filtro polaroid è circa la metà rispetto a quella iniziale; con un secondo polaroid disposto perpendicolare al primo l’intensità luminosa è 0; se invece in mezzo a questi 2 filtri ne disponiamo un terzo in modo che non vi sia più un angolo di 90° tra 2 filtri consecutivi un po’ di luce riesce a passare.

Procedimento Porre 2 filtri attivi uno sopra l’altro con angolo 0° e segnare il valore misurato dell’intensità come i0. Variare l’angolo tra i due filtri, dopo averlo misurato e annotato misurare l’intensità nella zona di intersezione dei 2 filtri attivi.

n

filtri

α (°) I (lux) E. I. (lux) I teorico

(lux)

0 1700 1

1 667 1 850 Legge di dimezzamento

2 90 3 1 0

Legge di Malus 2 52 212 1 253

3 72 1 96

Bisogni di sostegno e approfondimento: descrizione quantitativa della relazione individuata, indicazione delle misure degli angoli nel caso dei tre filtri.

Abbiamo così potuto verificare che : «Se si toglie il disco centrale tra due dischi disposti perpendicolarmente non si vede nulla. Viceversa, se esso viene reintrodotto il sandwich diventa trasparente. Aggiungendo un ostacolo riusciamo a far passar più luce». David Mermin

Modelli di luce per interpretare la polarizzazione:

Gli studenti di 4D e di 4I hanno interpretato la polarizzazione secondo diversi modelli:

Se la luce segue il modello rettilineo, come posso spiegare il fenomeno? • Risulta impossibile spiegare il fenomeno della polarizzazione, in quanto,

essendo la luce composta da particelle che viaggiano in linea retta, queste ultime, in base all’inclinazione del filtro polarizzatore, o passano o non passano, non presentando comunque, dopo averlo attraversato, alcuna proprietà particolare, come invece risulta dall’osservazione sperimentale. Il modello rettilineo risulta quindi incompatibile con il fenomeno della polarizzazione e esso è pertanto insufficiente per descrivere in modo completo la natura della luce (4D).

• La polarizzazione non è spiegabile con la natura rettilinea della luce dato che se con 2 ostacoli non passa luce non si spiega come mai aggiungendone un terzo in mezzo ne riesca a filtrare (4I).

Modelli di luce per interpretare la polarizzazione:

Gli studenti di 4D e di 4I hanno interpretato la polarizzazione secondo diversi modelli:

Se la luce segue il modello ondulatorio, come posso spiegare il fenomeno? La luce è un’onda composta da un campo elettrico e da un campo magnetico che si propagano come onde trasversali e oscillano su piani perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione. La luce é polarizzata linearmente quando il campo elettrico (e quindi il campo magnetico ad esso perpendicolare) oscilla in un piano. Una sorgente di luce emette radiazioni che variano continuamente nello spazio e nel tempo: il fascio di luce non è polarizzato. E’ possibile polarizzare il fascio facendogli attraversare un filtro polaroid che consente solo alla radiazione con una precisa direzione di polarizzazione di attraversarlo. Se un fascio di luce naturale attraversa un disco polaroid con asse di polarizzazione verticale, il raggio trasmesso viene attenuato in intensità ma risulta polarizzato verticalmente. Accostando due polaroid con gli assi fra loro perpendicolari, non passa nessun raggio luminoso. (4I)

In generale, un'onda con direzione di polarizzazione parallela all'asse del polaroid passerà in tutta la sua intensità, una con direzione perpendicolare sarà bloccata ed una con una orientazione diversa passerà con un’intensità attenuata secondo la legge di Malus. (4I)

Modelli di luce per interpretare la polarizzazione:

Gli studenti di 4D e di 4I hanno interpretato la polarizzazione secondo diversi modelli:

Se la luce segue il modello corpuscolare, come posso spiegare?

Il fenomeno della polarizzazione è spiegabile attraverso le diverse caratteristiche assunte da ogni singolo fotone. Infatti, considerando la luce come non polarizzata di suo, ogni singolo fotone che la compone risulta polarizzato in maniera differente e per questo motivo, a seconda dell’inclinazione del filtro polarizzatore (verticale, orizzontale o a 45°), a passare oltre tale “ostacolo” saranno solo i fotoni polarizzati nella stessa maniera. (4D)

Esperimenti con i polaroid: hanno avvicinato gli studenti al modo di pensare della fisica quantistica

I risultati sono stati interpretati introducendo il concetto di stato di polarizzazione del fotone

Gli studenti di 4D hanno eseguito semplici esperimenti con cristalli bi-rifrangenti

Interazione della luce con cristalli birifrangenti In questo esperimento sono stati utilizzati: un laser a luce rossa, un cristallo di Spato

d’Islanda, schermo bianco, foglio di carta

Per prima cosa il laser è stato puntato al centro approssimativo del cristallo e si è potuto vedere il puntino luminoso più intenso sullo schermo, con relative chiazze di luce meno intensa attorno.

Successivamente, con vari tentativi, si è girato il cristallo fino a trovare la giusta inclinazione, per permettere al raggio del laser di diffrangersi in più raggi, visibili sullo schermo e su tutto il tracciato sul piano di lavoro.

Conclusioni degli studenti: Un fascio luminoso monocromatico che incide su un cristallo dà origine quindi ad un fascio che viene trasmesso e a vari fasci diffratti ad angoli che dipendono dal rapporto fra la composizione del cristallo e la lunghezza d'onda della luce Le distanze delle varie scanalature nel cristallo svolgono il ruolo delle fenditure in un reticolo di diffrazione

Esperimento n.1 Cristalli birifrangenti e punto

Parte 1: facendo ruotare il cristallo di 360°, si può notare come uno dei due punti rimanga fermo, mentre l’altro ci giri attorno.

Parte 2: si pone un filtro Polaroid attivo sopra al cristallo e si osserva che con diverse angolazioni si notano punti diversi.

Parte 3: si pone un cristallo birifrangente sopra l’altro e ruotando quello superiore si vede come i due punti si allontanano e si avvicinano fino a sovrapporsi.

Interazione della luce con cristalli birifrangenti

Esperimenti eseguiti e descritti dagli studenti di 4I

Sono stati utilizzati: Due cristalli birifrangenti Un foglio di carta con sopra disegnato un punto

Interazione della luce con cristalli birifrangenti

Esperimento n.2 Cristalli birifrangenti e luce rossa

Sono stati utilizzati: Due cristalli birifrangenti Filtri polaroid Puntatore laser rosso

Esperimenti eseguiti e descritti dagli studenti di 4I

Si indirizza il fascio luminoso su uno schermo e tra il laser e lo schermo si pone un cristallo birifrangente; si osservano quindi sulla superficie due punti distinti. Si aggiunge successivamente un filtro Polaroid tra il cristallo e la superficie: a seconda dell’orientazione di quest’ultimo si nota un solo punto o due punti.

Interazione della luce con cristalli birifrangenti

Gli studenti di 4I hanno così interpreto i risultati

La birifrangenza è il fenomeno fisico che avviene quando un fascio di luce attraversa un cristallo birifrangente: si formano due raggi distinti, uno chiamato ordinario, non spostato rispetto al raggio incidente, e l’altro chiamato straordinario, parallelo ma deviato rispetto a quello incidente.

Se il raggio incidente sul cristallo è polarizzato in una certa direzione esso procede senza essere deviato (un solo punto), se è polarizzato nella direzione a essa perpendicolare viene deflesso verso l’alto (un solo punto), se è polarizzato secondo un angolo diverso si suddivide in due raggi (due punti).

Come i filtri polaroid anche i cristalli birifrangenti agiscono attivamente sulla luce ma con un vantaggio: i polaroid lasciano passare solo la componente della luce con una certa polarizzazione e assorbono l’altra; i cristalli salvano entrambe le componenti producendo due fasci di intensità ridotta.

Gli studenti di 4D e 4I hanno studiato alcune sorgenti di luce sotto vari aspetti

Analisi di sorgenti luminose Hanno costruito spettroscopi

Hanno osservato e descritto gli spettri

lampada fluorescente lampada al fluoro

Hanno usato lo spettrometro digitale dell’Università di Udine che consente di registrare gli spettri della luce emessa e misurare l'energia associata all'emissione dominante

Spettro della lampada al sodio

Light Spectrum Analyzer

Recensione degli studenti

Disponibile solo su dispositivi iOS, permette di analizzare lo spettro di una qualsiasi fonte di luce. È possibile scattare una foto con il dispositivo o importare una foto dalla galleria.

Verrà creato il grafico dello spettro, che potrà essere salvato ed esportato.

Analisi di spettri attraverso APP su cellulare

Due gruppi di studenti di 4I hanno scaricato e usato un’applicazione molto comoda

Gli studenti 4I hanno studiato lo spettro di alcune sorgenti di luce

Analisi di sorgenti luminose

SOLE FARI ABBAGLIANTI FARI ANABBAGLIANTI

Gli studenti di 4D hanno così riassunto l’analisi effettuata

Analisi di sorgenti luminose

Sorgente Fonte di energia Tipo di spettro Colore

Fiamme Termica ( combustione)

Continuo Diversi colori a seconda della sostanza

Lampada Incandescenza Forte riscaldamento del filamento

Continuo Bianco

Lampada alogena Termiche : il gas alogeno consente temperature più alte

Continuo Bianco

Lampada a fluorescenza Fluorescenza delle pareti attivata da una scarica elettrica nel gas nobile contenuto all’interno

Discreto Bianco

Lampada a scarica di gas Processo di eccitamento- diseccitamento degli elettroni causato da una scarica elettrica

Discreto Bianco-verde

Chemioluminescenza Emissione di luce in seguito ad una reazione chimica esotermica

Discreto Vari colori

Led Diodo emittente: rilascia energia per il ri-combinamento delle cariche

Discreto Rosso, giallo, verde, blu

Sorgente Costo euro

Durata h Potenza W Costo energetico annuo euro

Fiamme Lampada Incandescenza

4-10 1000 40-120 42

Lampada alogena 5-25 2000-6000 60-100 57-96 Lampada a fluorescenza

5 8000 12 4,38

Led 10 32000 6 3,27

Gli studenti di 4D e di 4I hanno studiato altre caratteristiche delle sorgenti

La rassegna delle sorgenti ha aiutato ad identificare la natura

di una sorgente di luce a caratterizzarla in

termini di colore e intensità

a riconoscere i problema della necessità di interpretare il meccanismo di emissione

Esperimento progettato da alcuni studenti di 4I e così descritto

Scopo Verificare che la luce non ha massa

Osservazioni degli studenti Si è potuto notare come l’intensità di un raggio prodotto da un laser rimanga costante anche se nel percorso rettilineo compiuto da esso, viene posto un ulteriore raggio laser tale che sia incidente con il primo. Inoltre è stata verificata l’indipendenza dell’intensità dall’angolo formato tra i due fasci luminosi

Procedimento Misurare l’illuminamento dei singoli laser utilizzando le due applicazioni. Misurare l’illuminamento del raggio del laser 1 quando questo è attraversato da quello del laser 2 Misurare i vari angoli di intersezione del raggio 1 con il raggio 2

Idea originale: «luce senza massa»

Materiali • 2 laser • Smartphone • Sensore intensità luminosa nello smartphone (App

Science Journal, Physics Toolbox Suite e Sensor Lab) • Sensore righello iPhone 7

Illuminamento laser (lux)

Distanza sorgente-rilevatore (cm)

Illuminamento ambiente (lux)

Angolo d’intersezione (°)

Illuminamento con intersezione (lux)

19000 22000

47,2 47,2

313 287

90 45

18000

19000

APP Science Journal

Idea originale: «luce senza massa»

APP Physics Toolbox Suite

Illuminamento laser (lux)

Distanza sorgente-rilevatore (cm)

Illuminamento ambiente (lux)

Angolo d’intersezione (°)

Illuminamento con intersezione (lux)

19893 20764

47,2 47,2

245 254

90 45

19363 20028

Bisogni di sostegno e approfondimento: Fornire un intervallo di errore per le misure per poter valutare se c'è effettiva

variazione tra le intensità dei fasci con e senza intersezione

Obiettivo: Verificare la legge di Snell-Cartesio Applicazioni per smartphone utilizzate: ● Angulus e Protractor (sistema operativo Android) ● Angle Meter (sistema operativo iOS) Procedimento -puntamento di un laser sulla superficie dell’acqua contenuta in un becher da quattro posizioni diverse -scatto di una foto per ogni angolazione del laser -con applicazioni come Angulus, Protractor e Angle Meter misurazione dell’angolo di incidenza e rifrazione -calcolo dell’indice di rifrazione dell’acqua

L'esperienza sulla rifrazione della 4G

Esempio di misura con Angle Meter

Angolo di incidenza (i) = 90° - 76,4° =

13,6°

Angolo di rifrazione (r) = 90° - 82,2° =

7,8°

Indice di rifrazione dell’acqua = sin i /

sin r = sin 13,6 / sin 7,8 = 1,7326… =

1,73

Esempio di misura con Protractor

Angolo di incidenza (i) = 90° - 75,7° = 14,3°

Angolo di rifrazione (r) = 90° - 82,1° = 7,9°

Indice di rifrazione dell’acqua = sin i / sin r

= sin 14,3 / sin 7,9 = 1,7995… = 1,80

Esempio di misura con Angulus

Angolo di incidenza (i) = 90° - 77,2° = 12,8° Angolo di rifrazione (r) = 90° - 79,8° = 10,2° Indice di rifrazione dell’acqua = sin i / sin r = sin 12,8 / sin 10,2 = 1,2510… = 1,25

APP USATA Misure dell'Indice di rifrazione dell'acqua con il Primo angolo scelto

Misure dell'Indice di rifrazione dell'acqua con il Secondo angolo scelto

Angulus 1,25 1,34

Protractor 1,80 1,36

Angle-Meter 1,73 1,49

Media indice di rifrazione

1,59 1,40

Gli studenti hanno effettuato le seguenti osservazioni: • l’app Angle Meter rispetto alle altre due ha una maggiore sensibilità poichè fornisce la misura

dell’angolo in gradi, primi e secondi • in alcune condizioni di misura si rileva una maggiore incertezza dovuta alla forma del

contenitore utilizzato, con pareti curve, che creano il cosiddetto “effetto lente”

L'esperienza sulla rifrazione della 4G

Conclusioni e osservazioni

Bisogni di sostegno e approfondimento:

differenza tra modello ideale e fenomeno concreto il modello prevede una superficie di separazione piana tra i due liquidi, il

grado di curvatura potrebbe modificare il risultato

Obiettivo: Verificare le leggi sulla riflessione e analizzare le intensità dei raggi incidente e riflesso

Procedura: Puntare il fascio di luce verso

lo specchio e misurare con lo smartphone l’intensità della luce del raggio incidente e del raggio riflesso effettuando più volte la misurazione e utilizzando entrambe le applicazioni. Osservazioni: Si verifica subito la seconda legge della riflessione, misurando gli angoli di incidenza e di riflessione e verificandone l'uguaglianza.

Bisogni di sostegno e approfondimento:

Significato di uguaglianza tra i risultati di una misura

L'esperienza sulla riflessione della 4^G

Applicazioni per smartphone utilizzate: ● Light meter ● Esposimetro

Tramite l’app “Light Meter”

Angolo Intensità raggio incidente (lx)

Intensità raggio riflesso (lx)

% di luce dispersa

60.8° 5055 ± 0.5 169 ± 0.5 96.7%

47.2° 5462 ± 0.5 189 ± 0.5 96.5%

28.0° 2585 ± 0.5 198 ± 0.5 92.3%

Tramite l’app “Esposimetro”

Angolo Intensità raggio incidente (lx)

Intensità raggio riflesso (lx)

% di luce dispersa

60.8° 3647 ± 0.5 141 ± 0.5 96.1%

47.2° 4786 ± 0.5 214 ± 0.5 95.5%

28.0° 2462 ± 0.5 369 ± 0.5 85.0%

Analisi delle misure ottenute

Bisogni di sostegno e approfondimento:

Confronto tra risultati ottenuti e quelli previsti Attendibilità dei dati sperimentali Interpretazione dei dati e individuazione delle cause di errori

Punti di forza

Ciascuno studente ha utilizzato i concetti appresi per interpretare i fenomeni proposti e

per ideare esperimenti significativi per il loro studio

Ogni studente ha interpretato spesso uno stesso fenomeno usando modelli diversi

Il processo implementato di “progettazione degli esperimenti” è stato particolarmente utile per far emergere i punti nodali della fisica legata alla luce

Progettando e realizzando esperimenti gli studenti:

si sono resi conto di non aver sempre compreso a fondo certi concetti e di come la discussione e il confronto con la realtà possano aiutare a costruire un sapere più autentico

hanno potuto cogliere l’importanza della misura, con tutte le incertezze ad essa collegate, per cercare di verificare le previsioni formulate

hanno riflettuto sui limiti di validità di certe leggi ( legge di Lambert) hanno cercato di interpretare certe differenze tra i dati raccolti e di dati attesi (verifica

della legge di Malus o della legge di Snell)

L’utilizzo delle App ha consentito di effettuare misurazioni altrimenti impossibili nel nostro laboratorio, consentendo agli studenti di gestire autonomamente gli esperimenti senza dover ricorrere a simulazioni o filmati dimostrativi.

Ulteriori elementi ben centrati

Realizzata l’integrazione

• di sistemi: scuola, università

• delle metodologie: approccio tutoriale, laboratorialità, didattica per competenze, apprendimento cooperativo, problem posing&solving

Coinvolte diverse fasi di processo

• ideazione e innesco relazione con struttura esterna

• co-progettazione, verifica aderenza curricolare, inserimento nella programmazione didattica

• realizzazione dei percorsi

Percorsi coerenti con il profilo dell’ indirizzo di studio; hanno favorito lo sviluppo di competenze chiave per la cittadinanza europea:

• Imparare ad imparare • Competenze sociali e civiche • Spirito di iniziativa e di intraprendenza • Comunicazione nella madrelingua

Coinvolto un elevato numero di studenti: 71

I percorsi hanno valorizzato le eccellenze ma, motivando gli studenti a trovare spiegazioni e interpretazioni con le loro stesse parole, hanno aiutato molto anche gli studenti con atteggiamento passivo nello studio della fisica e poco inclini a linee di ragionamento astratto.

Gli studenti «deboli» hanno anche trovato modi alternativi per esprimere le proprie capacità

L’utilizzo dei dispositivi elettronici ha consentito a tutti di mettersi in gioco e sentirsi maggiormente coinvolti nel processo di apprendimento.

Si richiedono ulteriori interventi didattici che possano migliorare il livello di abilità degli studenti nel saper riconoscere correttamente la relazione matematica tra grandezze

nell’interpretare correttamente i grafici che rappresentano relazioni tra dati

nell’analizzare statisticamente i dati

nell’interpretare in termini probabilistici una misura specie se fornita da un sensore (la tendenza degli studenti è quella di pensare che la misura del sensore sia precisa e che si possano attribuire tutte le cifre indicate)

nel saper organizzare in modo efficace la presentazione del lavoro realizzato selezionando gli elementi più significativi

Competenze da potenziare

E’ necessario migliorare la comprensione della differenza tra «dimostrare» e «verificare»

Il percorso seguito per l’apprendimento dell’ottica richiede un tempo molto lungo e un grosso impegno sia per il docente che per gli studenti.

Le attività del progetto sono state aggiunte a quelle curriculari e ad altre

extracurricolari progettate dalla scuola

I tempi non sono stati sempre compatibili con le attività curriculari della scuola

Necessità di maggior tempo per le fasi di monitoraggio e di verifica

Criticità del progetto

Bibliografia- Sitografia

• Smartphones as Experimental Tools: Different Methods to Determine the Gravitational Acceleration in Classroom Physics by Using Everyday Devices, Jochen Kuhn, University of Kaiserslautern, Department of Physics/Didactics of Physics, Erwin-Schrödinger-Str. 46, 67663 Kaiserslautern, Germany

• ALCUNI ESEMPI DI BASIC EXPERIMENTS WITH SMARTPHONES , Tommaso Tabarelli de Fatis Università di Milano Bicocca e INFN Milano-Bicocca

• http://didamatica2016.uniud. it/proceedings/dati/articoli.html, DIDAMATICA 2016, ISBN: 9788898091447 (2016).

• Un percorso di Spettroscopia Ottica a cura di Marisa Michelini • Avvicinarsi al nuovo modo di pensare della fisica quantistica con una proposta didattica basata

sugli esperimenti con i polaroid, Marisa Michelini • Un’occhiata alle carte di Dio, Ghirardi

GRAZIE PER L’ATTENZIONE