Riflessione e rifrazione nella vita quotidiana, con una introduzione ...
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LABORATORIO<br />
DI<br />
DIDATTICA<br />
DELLA<br />
FISICA<br />
- Anno Accademico 2004/2005 –<br />
LARAVILLE MONICA<br />
S.S.I.S. Classe 59<br />
I°anno<br />
monicalaraville@libero.it
Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
INTRODUZIONE<br />
La luce caratterizza il mondo nel quale viviamo: è infatti attraverso la luce che ricaviamo la<br />
maggior parte delle informazioni su quanto ci cir<strong>con</strong>da. Il <strong>con</strong>cetto della luce è forse uno dei primi<br />
<strong>con</strong>cetti <strong>con</strong> cui i bambini si <strong>con</strong>frontano: ad esempio, già un bambino in tenera età percepisce bene,<br />
seppur a livello intuitivo, la differenza tra <strong>una</strong> camera illuminata e <strong>una</strong> camera buia. Ma in realtà la<br />
luce cos’è<br />
Su questo tema è organizzato questo percorso didattico, il quale sarà suddiviso in due moduli<br />
se<strong>con</strong>do il seguente schema:<br />
‣ nel primo modulo verranno presentati i <strong>con</strong>cetti base sulla luce, le sue proprietà essenziali e<br />
la sua propagazione nei mezzi materiali. Saranno inclusi alcuni semplici esperimenti relativi<br />
alla propagazione della luce nei mezzi materiali;<br />
‣ nel se<strong>con</strong>do modulo verranno analizzate alcune applicazioni in cui intervengono le leggi<br />
fisiche descritte nel precedente modulo.<br />
In merito a quanto verrà sviluppato in seguito, ritengo che l’argomento sia estremamente<br />
interessante da proporre agli studenti: in base al <strong>con</strong>testo specifico ed alla classe in cui si presenta<br />
questo tipo di esperienza, l’insegnante può decidere obiettivi diversi, più o meno approfonditi.<br />
Anche gli esperimenti proposti nel primo modulo li ritengo utili al fine di mostrare “praticamente”<br />
fenomeni che sono frequenti <strong>nella</strong> <strong>vita</strong> <strong>quotidiana</strong> o esplicitamente o implicitamente (magari<br />
strumenti che si basano su queste leggi fisiche). Diciamo che tali esperimenti fanno da<br />
collegamento tra il primo modulo, più teorico, e il se<strong>con</strong>do, più applicativo.<br />
Durante tutto il percorso didattico, sarebbe interessante che l’insegnante creasse lezioni dialogiche,<br />
costruttiviste, che facesse nascere discussioni organizzate sul tema: in tal modo, ad esempio, dagli<br />
alunni stessi potrebbero nascere proposte, per esempio, su come creare un possibile sistema di<br />
riferimento per le misurazioni. Nel caso in cui ciò non si verificasse spontaneamente sarà<br />
l’insegnante a guidare la discussione in modo tale da arrivare ad <strong>una</strong> qualche <strong>con</strong>clusione <strong>con</strong>divisa.<br />
Il dialogo, l’utilizzo di un linguaggio appropriato e la <strong>con</strong>divisione dei risultati vengono ritenuti<br />
fondamentali al fine di un apprendimento <strong>con</strong>tenutistico, non solo nozionistico.<br />
Nel seguito verranno riportati la classe a cui questo percorso didattico è rivolto, gli obiettivi<br />
specifici e gli obiettivi trasversali che l’insegnante si prefigge. Per quanto riguarda i <strong>con</strong>tenuti ed i<br />
requisiti di base necessari per comprendere quanto verrà trattato, questi saranno di volta in volta<br />
presentati all’inizio di ogni modulo.<br />
CLASSE: III MEDIA<br />
OBIETTIVI SPECIFICI:<br />
• Comprendere i fenomeni della riflessione e della <strong>rifrazione</strong><br />
• Saper distinguere raggio incidente, raggio riflesso, raggio rifratto<br />
• Essere in grado di distinguere fenomeni di riflessione da fenomeni di <strong>rifrazione</strong><br />
• Essere in grado di proporre facili esempi di esperimenti per la verifica delle ipotesi e delle<br />
leggi fisiche trattate<br />
• Saper presentare un possibile sistema di riferimento per le misurazioni<br />
• Comprendere il significato fisico di misura e di errore<br />
• Saper rielaborare i dati sperimentali<br />
• Essere in grado di fornire esempi di strumenti che funzionano utilizzando la riflessione/<br />
<strong>rifrazione</strong><br />
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Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
OBIETTIVI TRASVERSALI:<br />
• Le potenze di 10 e gli ordini di grandezza<br />
• Favorire la collaborazione e la discussione fra gli alunni<br />
• Guidare il ragionamento (individuale e della classe) e la rielaborazione dei dati sperimentali<br />
• Stimolare il lavoro di gruppo<br />
• Sviluppare il lavoro manuale<br />
• Utilizzare un repertorio linguistico funzionale<br />
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Laraville Monica<br />
MODULO 1:<br />
“LA LUCE: UNA PARTICOLARE ONDA ELETTROMAGNETICA”<br />
CONTENUTI:<br />
• Le onde e la luce<br />
• Principali proprietà delle onde<br />
• La riflessione<br />
• La <strong>rifrazione</strong><br />
• Esperimenti sulla riflessione e sulla <strong>rifrazione</strong><br />
REQUISITI DI BASE:<br />
• Le misure in fisica e la trattazione elementare degli errori<br />
• Il piano cartesiano<br />
• Proporzionalità diretta ed inversa<br />
• Concetti di forza e di energia<br />
• Nozioni sugli angoli<br />
• Concetto di normale ad <strong>una</strong> superficie<br />
• Concetto di rette parallele e perpendicolari<br />
LE ONDE<br />
Per introdurre l’argomento, porrei agli alunni le seguenti domande: “Cosa succede se fisso un<br />
estremo di <strong>una</strong> corda alla parete e <strong>con</strong> <strong>una</strong> mano muovo l’altro estremo verso l’alto/ basso”, “Cosa<br />
succede quando getto un sasso in acqua oppure quando avvicino e poi rilascio alcune spire di <strong>una</strong><br />
molla” e ancora, <strong>con</strong> un riferimento più pratico e <strong>con</strong>osciuto, “Cosa avviene allo stadio quando i<br />
tifosi fanno la ola”.<br />
Da queste domande nascerà <strong>una</strong> discussione in classe, in cui gli alunni non credo che facciano<br />
esplicito riferimento al fatto che in tutti i suddetti casi si sviluppano onde, magari di natura diversa e<br />
<strong>con</strong> proprietà differenti. Tuttavia, si può proporre praticamente l’esperimento della corda in cui un<br />
estremo è fissato alla maniglia della porta e l’altro estremo, <strong>con</strong> <strong>una</strong> mano, lo muovo verso l’alto/<br />
basso. Gli alunni noteranno che lungo la corda si svilupperà un’oscillazione, in seguito al<br />
movimento che io imprimo <strong>con</strong> la mia mano. In particolare, osservando la Figura 1, si può dire loro<br />
che in a) l’operatore muove gradualmente verso l’alto la corda; tale sollevamento del primo tratto di<br />
corda esercita, a propria volta, <strong>una</strong> forza diretta verso l’alto sopra il tratto appena <strong>con</strong>secutivo, il<br />
quale inizia a sollevarsi. Quando l’estremo della corda ha ripreso la posizione iniziale, il se<strong>con</strong>do<br />
tratto ha assunto la posizione b). Il processo <strong>con</strong>tinua così e la deformazione si propaga lungo la<br />
corda.<br />
A questo punto potremo chiamare onda un’oscillazione (o perturbazione), prodotta da <strong>una</strong> forza<br />
esterna, che si propaga nello spazio trasportando energia senza che vi sia trasporto di materia.<br />
Quest’ultimo fatto è essenziale ed è importante che venga osservato dagli alunni.<br />
Per quanto riguarda il trasporto di energia, potremmo chiarire il <strong>con</strong>cetto agli alunni fornendo<br />
l’esempio, forse più evidente, dello ts<strong>una</strong>mi: quando le onde (di elevate dimensioni!) del maremoto<br />
si abbattono sulla costa, si vede che hanno racchiusa in sé <strong>una</strong> grande quantità di energia, infatti<br />
questa energia porta distruzione. Invece, per quanto riguarda il fatto che le onde non trasportano<br />
materia, potremmo portare i seguenti esempi:<br />
- quando gettiamo un sasso in acqua, nel punto in cui esso cade si forma un’increspatura di<br />
forma circolare, che si allarga <strong>con</strong> il tempo; sulla superficie dell’acqua si è creata proprio<br />
un’onda che si propaga verso l’esterno e trasporta <strong>con</strong> sé energia, senza trasportare materia.<br />
Infatti, basterebbe osservare un pezzo di legno galleggiante presente in prossimità di dove<br />
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Laraville Monica<br />
abbiamo gettato il sasso: questo oggetto non verrà trascinato dall’onda verso l’esterno, bensì<br />
oscillerà attorno al punto in cui si trovava prima che noi gettassimo il sasso;<br />
- quando i tifosi fanno la ola allo stadio, essi si alzano in piedi e si siedono seguendo dei<br />
tempi ben precisi, ma non vi è assolutamente spostamento di persone in altri punti dello<br />
stadio.<br />
Fenomeni molto diversi tra loro, quali il suono, la luce, i segnali radio, i terremoti, hanno in comune<br />
la caratteristica di essere delle onde; si parla, infatti, di onde sonore, di onde luminose, di onde radio<br />
e di onde sismiche.<br />
Un’onda ha sempre origine in <strong>una</strong> sorgente, che produce <strong>una</strong> perturbazione nello spazio che la<br />
cir<strong>con</strong>da.<br />
Le onde si distinguono in onde trasversali ed onde longitudinali in base alla direzione di<br />
propagazione dell’onda stessa. In particolare, un’onda si dice:<br />
- trasversale quando l’oscillazione avviene perpendicolarmente alla direzione di<br />
propagazione;<br />
- longitudinale quando l’oscillazione avviene <strong>nella</strong> stessa direzione di propagazione<br />
dell’onda.<br />
Un esempio di onda trasversale è quello della corda (si veda la Figura 1).<br />
Figura 1<br />
Nella Figura 2, invece, è rappresentata la propagazione di un’onda longitudinale: un colpo di<br />
martello vibrato <strong>con</strong>tro l’estremità di <strong>una</strong> sbarra di acciaio si propaga lungo il materiale, dando<br />
luogo appunto ad un’onda longitudinale. Infatti, ciascun volumetto di acciaio, quando è raggiunto<br />
dalla perturbazione, si sposta leggermente avanti ed indietro <strong>nella</strong> stessa direzione in cui si propaga<br />
l’onda.<br />
Figura 2<br />
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Laraville Monica<br />
In alcune situazioni, un mezzo può sostenere onde sia longitudinali che trasversali: per esempio, le<br />
onde sismiche possiedono <strong>una</strong> componente trasversale ed <strong>una</strong> longitudinale. Le onde sonore<br />
nell’aria, invece, sono solo longitudinali e corrispondono a compressioni e rarefazioni delle<br />
particelle dell’aria stessa.<br />
Focalizziamo ora la nostra attenzione sulla onde trasversali e definiamo alcune grandezze<br />
fondamentali. Come abbiamo già accennato, un’onda trasversale si può ottenere facendo oscillare in<br />
alto ed in basso il primo estremo di <strong>una</strong> corda tesa. La figura seguente rappresenta <strong>una</strong> “fotografia”<br />
della corda (= onda trasversale) ad un istante t fissato.<br />
Figura 3<br />
Osservando la Figura 3, definiamo:<br />
- la lunghezza d’onda è la distanza tra due creste d’onda successive e la indichiamo <strong>con</strong> la<br />
lettera L;<br />
- il periodo è il tempo necessario affinché un punto ritorni nelle stesse <strong>con</strong>dizioni di moto; si<br />
misura in se<strong>con</strong>di e nel seguito verrà indicato <strong>con</strong> la lettera T;<br />
- la frequenza è il numero di periodi in un se<strong>con</strong>do e si indica solitamente <strong>con</strong> f. Dalla<br />
definizione, si capisce che la frequenza è l’inverso del periodo (cioè f=1/T) e si misura in<br />
1 , che si chiama hertz (Hz);<br />
sec<br />
- l’ampiezza è la massima variazione della grandezza oscillante associata all’onda rispetto al<br />
valore di equilibrio ed è uguale sia per spostamenti positivi sia per quelli negativi.<br />
Esiste <strong>una</strong> relazione che lega la frequenza f alla lunghezza d’onda L: se supponiamo che la<br />
perturbazione prodotta all’inizio della corda si propaghi <strong>con</strong> velocità v, allora<br />
L<br />
v = .<br />
T<br />
Ricordando però che f=1/T, la velocità di un’onda è data da<br />
Importante è la seguente classificazione delle onde:<br />
v = L · f<br />
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Laraville Monica<br />
- onde elastiche: si propagano grazie alle proprietà elastiche del mezzo materiale in cui ha<br />
origine la perturbazione. Infatti, l’energia ha bisogno di un mezzo per essere trasmessa.<br />
Esempi di onde elastiche sono: il suono, il movimento della corda raffigurato in Figura 1, il<br />
movimento che si ottiene avvicinando e poi rilasciando alcune spire di <strong>una</strong> molla;<br />
- onde elettromagnetiche: sono variazioni periodiche di proprietà elettriche e magnetiche e<br />
possono propagarsi, oltre che nei mezzi materiali, anche nel vuoto.<br />
NOTA: Quando il suono si propaga, in ciascun punto investito dall’onda, la pressione dell’aria<br />
oscilla, aumentando e diminuendo <strong>con</strong> la frequenza dell’onda stessa. Nel caso dell’onda acustica,<br />
quindi, è la pressione dell’aria che oscilla. Se non vi fosse l’aria, non vi sarebbe né pressione né<br />
suono.<br />
Analogamente, si può dire quando gettiamo un sasso in acqua: l’onda si propaga sulla superficie<br />
dell’acqua e le molecole d’acqua investite dall’onda oscillano su e giù. Questa volta è la posizione<br />
dei volumetti d’acqua che oscilla rispetto alla posizione di riposo.<br />
Pensiamo ora alla luce che ci giunge dal Sole: non vi è materia, quindi non vi è nulla che possa<br />
oscillare, eppure la luce si propaga trasportando energia.<br />
Che cosa oscilla Evidentemente esiste un qualcosa che oscilla anche nello spazio vuoto!<br />
Alla fine del XIX secolo, si è capito che questo qualcosa sono gli effetti elettrici e magnetici che le<br />
cariche elettriche in movimento produ<strong>con</strong>o nello spazio circostante.<br />
Quindi, le onde elettromagnetiche sono onde <strong>con</strong> caratteristiche diverse dalle onde elastiche.<br />
¦<br />
Tutte le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto alla stessa velocità, che è la velocità della<br />
luce c=300000 km/s = 3·10 8 m/s, mentre si propagano nei mezzi materiali <strong>con</strong> <strong>una</strong> velocità v < c.<br />
La seguente relazione lega v e c:<br />
c<br />
n =<br />
v<br />
dove n rappresenta l’indice di <strong>rifrazione</strong> assoluto del mezzo. Essendo la velocità nel mezzo<br />
inferiore alla velocità nel vuoto, n assume sempre valori maggiori di 1.<br />
Per lo stesso motivo, utilizzando quest’ultima formula, possiamo verificare anche che la lunghezza<br />
d’onda nel mezzo è inferiore alla lunghezza d’onda nel vuoto: infatti, poiché l’energia di un’onda è<br />
proporzionale alla frequenza (per motivi che non diremo agli alunni) e, di <strong>con</strong>seguenza, f non varia,<br />
si ha la seguente relazione:<br />
v 1 c l<br />
l<br />
vuoto<br />
mezzo = = =<br />
f f n n<br />
.<br />
Nella tabella seguente sono riportati gli indici di <strong>rifrazione</strong> assoluti di alcune sostanze:<br />
Tabella 1<br />
Le onde elettromagnetiche differis<strong>con</strong>o unicamente per la lunghezza d’onda o frequenza: <strong>nella</strong><br />
tabella seguente riportiamo la diversa classificazione delle onde elettromagnetiche in base alla loro<br />
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lunghezza d’onda nel vuoto e, come esercizio per gli alunni, lasciamo da calcolare le frequenze<br />
corrispondenti alle lunghezze d’onda (colonna più a destra):<br />
Tipologia di onda Lunghezza d’onda (m) Frequenza (Hz)<br />
Onde radio > 1 < 3·10 8<br />
Microonde 1·10 -3 - 1 3·10 8 - 3·10 11<br />
Radiazione infrarossa 7·10 -7 - 1·10 -3 3·10 13 – 4,3·10 14<br />
Luce visibile 4·10 -7 - 7·10 -7 …<br />
Raggi ultravioletti 1·10 -9 - 4·10 -7 …<br />
Raggi x 1·10 -11 - 1·10 -8 …<br />
Raggi < 1·10 -11 …<br />
Tabella 2<br />
E’ importante sottolineare <strong>con</strong> gli alunni la grande varietà di ordini di grandezza che intervengono<br />
<strong>nella</strong> suddetta classificazione e, forse, visivamente è utile osservare la Figura 4.<br />
Figura 4<br />
In dettaglio:<br />
• la luce è la radiazione elettromagnetica che i nostri occhi ries<strong>con</strong>o a percepire. I limiti in<br />
lunghezza d’onda della regione del visibile sono da circa 4·10 -7 m (luce violetta) a circa<br />
7·10 -7 m (luce rossa). L’occhio umano ha massima sensibilità per la luce giallo-verde<br />
caratterizzata da <strong>una</strong> lunghezza d’onda di circa 5,5·10 -7 m:<br />
• la radiazione infrarossa ha lunghezze d’onda maggiori del visibile (da 7·10 -7 m a circa<br />
1mm). La radiazione infrarossa è un importante mezzo di trasmissione del calore e viene<br />
talvolta detta calore radiante (es. i raggi del sole attraverso un vetro …..)<br />
• le microonde possono essere <strong>con</strong>siderate come onde radio corte <strong>con</strong> lunghezza d’onda<br />
tipica nell’intervallo tra 1 mm e 1 m. Vengono generalmente utilizzate per i forni a<br />
microonde e per trasmettere <strong>con</strong>versazioni telefoniche.<br />
NOTA: Poiché i telefoni cellulari funzionano mediante microonde e poiché gli alunni sono<br />
abituati, fin da bambini in tenera età, a “giocare” <strong>con</strong> i telefonini, sarebbe interessante, a<br />
tal proposito, sensibilizzare gli alunni ad un uso più oculato del telefono cellulare. Negli<br />
ultimi anni, talune ricerche stanno studiando i possibili danni, che un uso eccessivo e<br />
scorretto del cellulare potrebbe causare sull’uomo ed, in particolare, sul cervello umano.<br />
Finora non è emerso ancora nulla di definitivo dalle ricerche, da notare che in questo<br />
campo l’influenza delle case produttrici di cellulari è ovviamente molto pesante: esse<br />
sostengono (ovviamente!) che non vi sono effetti negativi delle microonde e naturalmente<br />
finanziano ricerche in questa direzione..<br />
¦<br />
• le onde radio hanno lunghezze d’onda maggiori di 1 m. Sono usate soprattutto in<br />
telecomunicazioni (radio, TV).<br />
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Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
• i raggi ultravioletti hanno lunghezze d’onda più piccole del visibile, da 1·10 -9 m a 4·10 -7<br />
m circa. La nostra atmosfera presenta un forte assorbimento dei raggi ultravioletti e solo <strong>una</strong><br />
piccola parte di questa radiazione proveniente dal Sole raggiunge il suolo. La causa<br />
principale di questo assorbimento è l’ozono atmosferico, la cui quantità in questi ultimi anni<br />
è stata ridotta a causa dell’immissione nell’atmosfera dei fluorocarburi, dei gas di scarico,<br />
dei fumi industriali, ecc.<br />
NOTA: Sebbene oggigiorno i mass-media cerchino di persuadere tutti all’idea che<br />
“abbronzato” significa necessariamente “bello”, bisogna sottolineare che l’esposizione<br />
non protetta, eccessiva ed illimitata ai raggi ultravioletti non fa affatto bene alla nostra<br />
pelle.<br />
A questo proposito, si potrebbe inserire un intervento di sensibilizzazione per far<br />
comprendere agli alunni l’importanza di certe precauzioni quando ci si espone ai raggi<br />
solari. Sotto l’azione dell’irraggiamento del Sole la pelle beneficia di un sistema di<br />
protezione naturale, l’abbronzatura: essa varia se<strong>con</strong>do gli individui ed il loro fototipo. Ma<br />
in caso di esposizione solare eccessiva, le difese della pelle vengono superate e i raggi<br />
ultravioletti hanno effetti nocivi a livello dell’epidermide (strato superficiale della pelle) e<br />
del derma (strato sotto l’epidermide). In particolare:<br />
‣ i raggi UVA provocano colpi di sole, scottature e, a lungo termine, alterazioni del<br />
capitale genetico (DNA);<br />
‣ i raggi UVB sono responsabili dell’invecchiamento cutaneo precoce;<br />
‣ i raggi UVA e UVB sono implicati nello sviluppo dei tumori cutanei.<br />
Pertanto, bisogna utilizzare alcuni accorgimenti molto importanti per la nostra salute:<br />
usare creme solari <strong>con</strong> protezioni elevate ed adeguate al proprio tipo di pelle, e<strong>vita</strong>re le ore<br />
in cui il Sole è più caldo (indicativamente dalle 12 alle 16), indossare cappelli ed indumenti<br />
protettivi, ecc. Particolare riguardo lo meritano anche e soprattutto i neonati e i bambini.<br />
¦<br />
• i raggi x, <strong>con</strong> lunghezze d’onda comprese tra 1·10 -11 m e 1·10 -8 m, vengono utilizzati in<br />
medicina. Infatti, poiché hanno <strong>una</strong> frequenza molto elevata, possono penetrare strati spessi<br />
di tessuti biologici; il diverso assorbimento ad opera di tessuti di diversa <strong>con</strong>sistenza e<br />
densità rende possibile il loro impiego in diagnostica medica (radiografia e radioscopia).<br />
• i raggi sono la radiazione elettromagnetica <strong>con</strong> le lunghezze d’onda più corte (inferiori a<br />
1·10 -11 m) . La loro emissione si accompagna a molti processi nucleari.<br />
Possiamo far misurare agli alunni la lunghezza d’onda L caratteristica dell’onda raffigurata in<br />
Figura 3 e ricavare la tipologia d’onda corrispondente leggendo la Tabella 2: si vede che<br />
corrisponde ad <strong>una</strong> microonda.<br />
L’OTTICA GEOMETRICA<br />
L’Ottica è quella branca della Fisica che studia le proprietà della luce e la sua propagazione<br />
attraverso i mezzi materiali; in particolare, l’Ottica Geometrica assume che la luce viaggi in linea<br />
retta ed in<strong>con</strong>tri ostacoli la cui dimensione sia molto maggiore della lunghezza d’onda della luce.<br />
Chiameremo raggio luminoso la direzione di propagazione di un fascio di luce e lo<br />
schematizzeremo <strong>con</strong> <strong>una</strong> semiretta. Quindi, <strong>una</strong> sorgente luminosa che sia così piccola da poter<br />
essere <strong>con</strong>siderata come un punto (diremo che la sorgente è puntiforme) va pensata come un centro<br />
da cui partono in tutte le direzioni infiniti raggi luminosi rettilinei.<br />
L’Ottica Geometrica comprende lo studio di fenomeni ottici quali la riflessione e la <strong>rifrazione</strong>, che<br />
analizziamo nel seguito.<br />
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Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
• LA RIFLESSIONE:<br />
Possiamo chiedere agli alunni che cosa succede se puntiamo un fascio di luce (per esempio,<br />
prodotto da <strong>una</strong> pila) su uno specchio. Ne nascerà <strong>una</strong> discussione durante la quale i ragazzi<br />
esporranno le loro ipotesi; successivamente, svolgeremo questo semplice esperimento in<br />
classe ed osserveremo due fatti:<br />
- se puntiamo la luce perpendicolarmente ad uno specchio, la luce verrà riflessa e tornerà<br />
indietro verso la pila;<br />
- se puntiamo, invece, la luce sullo specchio <strong>con</strong> un’inclinazione diversa, la luce verrà riflessa<br />
dallo specchio, ma non più verso la pila (ora formalizzeremo meglio).<br />
Chiameremo riflessione il fenomeno ottico per cui un raggio luminoso che colpisce uno<br />
specchio (o, in generale, <strong>una</strong> superficie riflettente) viene rimandato indietro nel semispazio<br />
dove vi è la sorgente luminosa.<br />
Il raggio che colpisce la superficie riflettente prende il nome di raggio incidente, mentre<br />
quello che ritorna indietro prende il nome di raggio riflesso (si veda la Figura 5).<br />
Figura 5<br />
Nel punto in cui il raggio incidente colpisce la superficie, si traccia la normale (ossia<br />
perpendicolare) alla superficie stessa e in tal modo si definis<strong>con</strong>o due angoli: l’angolo di<br />
incidenza i, tra la normale e il raggio incidente, e l’angolo di riflessione r, tra la normale e<br />
il raggio riflesso. Sperimentalmente si osserva che:<br />
• l’angolo di incidenza i è sempre uguale all’angolo di riflessione r;<br />
• il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente nel punto di<br />
incidenza giacciono tutti sullo stesso piano.<br />
Se i = 0, cioè se il raggio incidente cade perpendicolarmente sulla superficie, si ha r = 0, cioè<br />
il raggio incidente si riflette su se stesso.<br />
• LA RIFRAZIONE:<br />
Cosa succede invece se l’onda luminosa passa da <strong>una</strong> sostanza ad un’altra di natura diversa<br />
Proponiamo agli alunni lo stesso esperimento descritto precedentemente, ma, anziché lo<br />
specchio, ora <strong>con</strong>sideriamo un vetro, per esempio. I ragazzi noteranno che in questo caso<br />
<strong>una</strong> parte della luce verrà riflessa e <strong>una</strong> parte <strong>con</strong>tinuerà il suo cammino al di là del vetro<br />
cambiando la sua direzione.<br />
Chiameremo <strong>rifrazione</strong> quel fenomeno ottico che avviene ogni qualvolta un raggio<br />
luminoso attraversa la superficie che separa due mezzi trasparenti di diversa densità, per<br />
esempio, aria e vetro, aria e plexiglas, plexiglas ed acqua, aria e acqua, ecc.<br />
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Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
In<strong>con</strong>trando la superficie di separazione tra aria ed acqua (ad esempio), <strong>una</strong> parte del raggio<br />
incidente si riflette se<strong>con</strong>do le leggi della riflessione appena enunciate e <strong>con</strong>tinua a<br />
propagarsi nell’aria (prende il nome di raggio riflesso), mentre l’altra parte del raggio<br />
penetra nell’acqua e prosegue in <strong>una</strong> direzione diversa rispetto a quella iniziale (prende il<br />
nome di raggio rifratto). Oltre all’angolo di incidenza e di riflessione, ora si definisce un<br />
terzo angolo: l’angolo di <strong>rifrazione</strong> r 2 , tra la normale e il raggio rifratto.<br />
Quanto detto è schematizzato <strong>nella</strong> seguente figura:<br />
Figura 6<br />
In particolare, nell’esempio precedente il raggio rifratto si avvicina alla normale (cioè la<br />
retta perpendicolare alla superficie di separazione tra aria ed acqua) e l’angolo di <strong>rifrazione</strong><br />
r 2 è minore dell’angolo di incidenza i. Se invece la luce compie il percorso inverso (per<br />
esempio, dall’acqua all’aria), il raggio rifratto si allontana dalla normale e l’angolo di<br />
<strong>rifrazione</strong> r 2 è maggiore di quello di incidenza i.<br />
Sperimentalmente si osserva che:<br />
• il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie di separazione dei due<br />
mezzi giacciono tutti sullo stesso piano;<br />
• esiste <strong>una</strong> legge (nota come legge di Snell) che <strong>con</strong>sente di calcolare l’angolo di <strong>rifrazione</strong> r<br />
<strong>con</strong>oscendo la velocità di propagazione della luce nei due materiali e il loro rapporto, che,<br />
per quanto detto a pag. 7, coincide <strong>con</strong> il rapporto fra gli indici di <strong>rifrazione</strong>:<br />
v2<br />
n<br />
=<br />
2<br />
v n<br />
.<br />
1<br />
NOTA: In <strong>una</strong> scuola media inferiore, la Legge di Snell non è ovviamente proponibile<br />
utilizzando il formalismo matematico, in quanto assumerebbe la seguente forma:<br />
sin i n = 2<br />
sin r n1<br />
dove i è l’angolo di incidenza, r è l’angolo di <strong>rifrazione</strong>, n 1 e n 2 sono gli indici di <strong>rifrazione</strong><br />
del mezzo 1 e del mezzo 2 rispettivamente.<br />
¦<br />
Si possono presentare le due seguenti situazioni (rappresentate in Figura 7):<br />
- nel caso in cui n 2 >n 1 , il raggio rifratto si avvicina alla normale;<br />
- nel caso in cui n 1 >n 2 , il raggio rifratto si allontana dalla normale e l’angolo r tende a<br />
diventare sempre più grande fino ad assumere ampiezza 90°. L’angolo di incidenza i per il<br />
quale abbiamo r = 90° si chiama angolo limite.<br />
1<br />
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Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
Per angoli di incidenza maggiori abbiamo solo raggio riflesso e l’intensità dell’onda riflessa<br />
è pari all’intensità dell’onda incidente. Questo fenomeno si chiama riflessione totale.<br />
Figura 7<br />
• ESEMPI:<br />
Ora penserei di proporre agli studenti degli spunti riflessivi prima di procedere <strong>con</strong> alcuni<br />
esperimenti pratici. La <strong>rifrazione</strong>, infatti, <strong>con</strong>sente di capire alcuni fenomeni che capita<br />
spesso di osservare nell’esperienza <strong>quotidiana</strong>.<br />
1. Consideriamo un oggetto posto sul fondo di un recipiente pieno d’acqua: come è<br />
visto questo oggetto da un osservatore esterno Dopo questa domanda lascerei<br />
parlare gli alunni in merito alle loro supposizioni e solo alla fine chiederei loro di<br />
osservare la figura seguente:<br />
Figura 8<br />
Applicando le leggi della <strong>rifrazione</strong>, i raggi luminosi provenienti dal punto P, che si<br />
trova sul fondo del recipiente pieno d’acqua, emergono dalla superficie di<br />
separazione tra acqua e aria allontanandosi dalla normale. Essi giungono all’occhio<br />
dell’osservatore come se provenissero dal punto P’, dove si in<strong>con</strong>trano i loro<br />
prolungamenti. L’osservatore vede così la sorgente luminosa in P’ e non in P. E’ per<br />
questa ragione che gli oggetti nell’acqua appaiono più in alto rispetto a dove<br />
realmente si trovano.<br />
La stessa cosa accade, per esempio, se poniamo un cucchiaio immerso parzialmente<br />
in acqua: alla nostra vista esso risulta piegato!<br />
Infatti, sembra che i raggi che provengono dalla parte di cucchiaio immerso in acqua<br />
siano emessi da punti più in alto rispetto a dove effettivamente sono.<br />
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Laraville Monica<br />
Figura 9<br />
2. Un pesce come vede ciò che lo cir<strong>con</strong>da<br />
Dalla Figura 10 osserviamo che il pesce alla sinistra dello scoglio vede gli oggetti<br />
che lo cir<strong>con</strong>dano in posizioni diverse da quelle reali. L’altro pesce gli sembra<br />
nuotare in aria a causa della riflessione totale; la nave gli appare obliqua invece che<br />
orizzontale, perché i raggi che provengono da essa si rifrangono <strong>con</strong> un angolo<br />
uguale all’angolo limite. Ancora, l’uccello gli sembra leggermente spostato dalla sua<br />
posizione a causa della <strong>rifrazione</strong>. L’unico oggetto che vede dove davvero si trova è<br />
l’aereo, il quale si trova esattamente sulla sua verticale.<br />
Figura 10<br />
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Laraville Monica<br />
ESPERIMENTI SULLA RIFLESSIONE E SULLA RIFRAZIONE<br />
1° ESPERIMENTO:<br />
Materiale utilizzato:<br />
‣ Generatore di raggio laser (o, più semplicemente, <strong>una</strong> pila);<br />
‣ Sbarretta a sezione rettangolare in plexiglas;<br />
‣ Carta millimetrata;<br />
‣ Goniometro <strong>con</strong> sensibilità di 1°.<br />
Obiettivi dell’esperimento:<br />
- verificare le leggi della riflessione - <strong>rifrazione</strong>;<br />
- osservare che i fenomeni di riflessione e <strong>rifrazione</strong> della luce avvengono ogni qualvolta che<br />
il raggio in<strong>con</strong>tra <strong>una</strong> superficie di separazione fra sostanze diverse;<br />
- misurare gli angoli di incidenza e di <strong>rifrazione</strong> che intervengono nell’esperimento.<br />
Una prima volta il raggio incidente, proveniente dall’aria, in<strong>con</strong>tra la superficie di separazione ariaplexiglas<br />
così che <strong>una</strong> parte del raggio incidente viene riflesso e <strong>una</strong> parte passa nel materiale<br />
avente indice di <strong>rifrazione</strong> maggiore rispetto a quello dell’aria per cui il raggio rifratto si avvicina<br />
alla normale (nel punto in cui il raggio cambia mezzo). Una se<strong>con</strong>da volta il raggio rifratto (ora<br />
raggio incidente) in<strong>con</strong>tra la superficie di separazione plexiglas-aria, così che in parte viene riflesso<br />
e in parte“esce” dalla sbarretta e, poiché questa volta passa da un mezzo avente indice di <strong>rifrazione</strong><br />
maggiore ad uno avente indice di <strong>rifrazione</strong> inferiore, il raggio rifratto uscente si allontanerà dalla<br />
normale alla superficie di separazione nel punto in cui il raggio cambia mezzo.<br />
Il raggio incidente iniziale ed il raggio rifratto finale sono paralleli. Tale fatto può essere dimostrato<br />
matematicamente facendo riferimento agli angoli alterni interni <strong>con</strong>gruenti formati dai raggi riflessi<br />
e rifratti <strong>con</strong> le normali alle superfici di separazione.<br />
Figura 11<br />
Nella tabella seguente riportiamo i valori degli angoli misurati relativi a tale esperimento :<br />
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Laraville Monica<br />
i (gradi) i ' (gradi) r (gradi)<br />
32 32 21<br />
21 21 32<br />
Tabella 3<br />
Per la misura di detti angoli è stato utilizzato un goniometro per cui l’errore di misura corrisponde a<br />
1°.<br />
21 °<br />
21 °<br />
<strong>con</strong> n 2<br />
><br />
n 1<br />
n 1<br />
n 2<br />
Figura 12<br />
Si possono osservare essenzialmente due cose:<br />
1. gli angoli di riflessione e gli angoli di incidenza coincidono entro gli errori sperimentali sia<br />
nel passaggio aria-plexiglas che nel passaggio plexiglas-aria, per cui anche in questo caso la<br />
legge della riflessione è rispettata;<br />
2. l’angolo di <strong>rifrazione</strong> del raggio in uscita dalla barra di plexiglas (ossia al passaggio dal<br />
plexiglas all’aria) coincide, entro gli errori di misura, <strong>con</strong> l’angolo di incidenza del raggio<br />
sulla superficie aria-plexiglas, ossia r = i. Ciò significa che il raggio rifratto in uscita dalla<br />
barretta è parallelo al raggio incidente sulla barretta stessa.<br />
n 1<br />
2° ESPERIMENTO:<br />
Materiale utilizzato:<br />
‣ Generatore di raggio laser;<br />
‣ Superficie piana in plexiglas a forma di semicerchio <strong>con</strong> spessore di un paio di centimetri;<br />
‣ Carta millimetrata;<br />
‣ Goniometro <strong>con</strong> sensibilità di 1°.<br />
Obiettivi dell’esperimento:<br />
- verificare le leggi della riflessione - <strong>rifrazione</strong>;<br />
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Laraville Monica<br />
- determinare sperimentalmente l’angolo limite in corrispondenza del quale si osserva il<br />
fenomeno della riflessione totale;<br />
- misurare gli angoli di incidenza e di <strong>rifrazione</strong> che intervengono nell’esperimento.<br />
Durante l’esperimento, poniamo su un foglio di carta millimetrata la superficie piana di plexiglas a<br />
forma di semicerchio <strong>con</strong> spessore di un paio di centimetri e facciamo in modo che il raggio<br />
incidente, prodotto da un laser avente luce monocromatica rossa, incida perpendicolarmente sulla<br />
prima superficie curva di separazione e passi poi per il centro O.<br />
NOTA: Ricordiamo agli alunni che, geometricamente, la normale alla superficie circolare è il<br />
prolungamento del raggio (e quindi passa necessariamente per il centro O).<br />
¦<br />
In questa situazione il raggio incidente in<strong>con</strong>tra la prima superficie di separazione aria-plexiglas<br />
perpendicolarmente, così che <strong>una</strong> parte viene riflesso e torna indietro <strong>nella</strong> medesima direzione ma<br />
verso opposto al raggio incidente e <strong>una</strong> parte passa indeviato per cui i = i’ = r = 0. Il raggio rifratto,<br />
ora raggio incidente sulla se<strong>con</strong>da superficie di separazione plexiglas-aria, arriva in O, ossia in<br />
corrispondenza della superficie di separazione plexiglas-aria, dove viene in parte riflesso e in parte<br />
rifratto e, passando da un mezzo a indice di <strong>rifrazione</strong> maggiore (plexiglas) ad uno a indice di<br />
<strong>rifrazione</strong> inferiore (aria), si allontana rispetto alla normale alla superficie di separazione.<br />
Segniamo sulla carta millimetrata la superficie di separazione dei due mezzi (ossia plexiglas e aria),<br />
il centro O, la normale passante per O alla superficie stessa e i tre raggi rispettivamente incidente,<br />
riflesso e rifratto.<br />
Figura 13<br />
Ripetiamo più volte l’esperimento, lasciando fisso il laser ma ruotando di volta in volta l’oggetto in<br />
plexiglas in modo tale da variare l’angolo di incidenza i, facendo attenzione che il raggio incida<br />
sempre in O, e di <strong>con</strong>seguenza l’angolo di <strong>rifrazione</strong> r. Successivamente misuriamo gli angoli<br />
ottenuti di incidenza, di riflessione e di <strong>rifrazione</strong> utilizzando un goniometro e <strong>con</strong>sideriamo come<br />
errore sulle misure 1°, tenendo <strong>con</strong>to anche delle possibili imprecisioni che si introdu<strong>con</strong>o<br />
tracciando i raggi <strong>con</strong> la matita o muovendo impercettibilmente la lastra di plexiglas.<br />
Iniziamo la serie di misure individuando il caso limite in cui il raggio laser incide<br />
perpendicolarmente sia sulla prima che sulla se<strong>con</strong>da superficie di separazione così che il raggio<br />
riflesso ha la stessa direzione e verso opposto rispetto al raggio incidente (i =i’) mentre il raggio<br />
rifratto prosegue indeviato e alla superficie di separazione plexiglas – aria si ripete nuovamente lo<br />
stesso fenomeno: il raggio riflesso ha la stessa direzione del raggio incidente ma verso opposto e il<br />
raggio rifratto ha lo stesso verso e la stessa direzione del raggio incidente:<br />
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Laraville Monica<br />
Figura 14<br />
Proseguiamo poi l’esperimento variando l’angolo di incidenza, facendo sempre attenzione che il<br />
raggio incida sempre in O, fino ad arrivare ad osservare il fenomeno della riflessione totale.<br />
Figura 15<br />
Figura 16: ANGOLO LIMITE<br />
I risultati numerici ottenuti sono riportati <strong>nella</strong> tabella seguente:<br />
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Laraville Monica<br />
i (gradi) i ' (gradi) r (gradi)<br />
1° caso limite (incidenza<br />
normale)<br />
0 ± 1 0 ± 1 0 ± 1<br />
1° misura 29 ± 1 28 ± 1 45 ± 1<br />
2° misura 31 ± 1 31 ± 1 51 ± 1<br />
3° misura 40 ± 1 40 ± 1 74 ± 1<br />
2° caso limite (riflessione<br />
totale)<br />
43 ± 1 45 ± 1 90 ± 1<br />
Tabella 4<br />
da cui si vede che i e i’ coincidono entro gli errori sperimentali e che l’angolo limite A L , definito<br />
come l’angolo di incidenza per cui r = 90°, è pari a 43° ± 1°.<br />
Attraverso questo esperimento gli alunni possono osservare un altro fatto interessante: l’intensità<br />
del raggio di luce che emerge dal semicerchio di plexiglas è inferiore rispetto a quella del raggio<br />
incidente. Inoltre, c’è un raggio di luce riflesso anch’esso meno intenso del raggio incidente. Infatti,<br />
in corrispondenza della prima superficie di separazione aria-plexiglas il raggio incide<br />
perpendicolarmente, per cui viene in parte riflesso <strong>nella</strong> medesima direzione ma in verso opposto e<br />
in parte rifratto ma prosegue il suo cammino indeviato. Nel passaggio dal plexiglas all’aria, ossia in<br />
corrispondenza della se<strong>con</strong>da superficie di separazione dei due mezzi, <strong>una</strong> parte del raggio di luce è<br />
riflessa e torna indietro mentre l’altra parte attraversa il semicerchio <strong>con</strong> <strong>una</strong> direzione deviata<br />
rispetto a quella iniziale.<br />
Si osserva, inoltre, che all’uscita del semicerchio di plexiglas il raggio rifratto si allontana dalla<br />
normale e, infatti, le misure dimostrano che r > i così come ci si poteva aspettare <strong>con</strong>siderando che<br />
il fascio luminoso passa da un mezzo <strong>con</strong> indice di <strong>rifrazione</strong> maggiore (plexiglas) ad un mezzo<br />
caratterizzato da un indice di <strong>rifrazione</strong> minore (aria) (si veda la Tabella 1).<br />
Facendo questo tipo di misure si verifica sperimentalmente la legge della riflessione, se<strong>con</strong>do la<br />
quale l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione. In effetti si osserva che il raggio<br />
riflesso forma <strong>con</strong> la normale alla superficie di separazione dei due mezzi un angolo uguale a quello<br />
di incidenza, entro gli errori sperimentali.<br />
Per angoli di incidenza superiori all’angolo limite il raggio rifratto scompare e si osserva solo il<br />
raggio riflesso, che è più intenso.<br />
18
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Laraville Monica<br />
MODULO 2:<br />
“LA RIFLESSIONE E LA RIFRAZIONE NELLA VITA QUOTIDIANA”<br />
CONTENUTI:<br />
• Il periscopio<br />
• Le fibre ottiche<br />
REQUISITI DI BASE:<br />
• La riflessione e la <strong>rifrazione</strong><br />
• L’angolo limite e la riflessione totale<br />
• Nozioni sugli angoli<br />
• Concetto di normale ad <strong>una</strong> superficie<br />
Prima di affrontare il <strong>con</strong>tenuto specifico di questo modulo, introduciamo i prismi ottici, sulle<br />
proprietà dei quali funzionano sia i periscopi sia le fibre ottiche.<br />
Si chiama prisma ottico un corpo trasparente avente almeno due facce piane non parallele.<br />
Generalmente, i prismi sono di vetro. Consideriamo un prisma a sezione triangolare, come mostrato<br />
in Figura 18.<br />
Figura 18<br />
Se un raggio luminoso monocromatico colpisce, <strong>con</strong> un certo angolo di incidenza i, <strong>una</strong> faccia<br />
laterale del prisma, esso si rifrange, e la direzione del raggio rifratto si avvicinerà a quella della<br />
normale nel punto di incidenza (essendo il vetro più rifrangente dell’aria). Uscendo dal prisma, la<br />
luce si rifrangerà di nuovo, subendo <strong>una</strong> se<strong>con</strong>da deviazione: in <strong>con</strong>clusione il raggio luminoso avrà<br />
subito due deviazioni e il raggio di luce che emerge dal prisma ha <strong>una</strong> direzione diversa da quella<br />
del raggio incidente. L’angolo delta, formato dalla direzione del raggio emergente <strong>con</strong> la direzione<br />
del raggio incidente, si chiama angolo di deviazione e misura la deviazione del raggio luminoso<br />
corrispondente all’angolo di incidenza i.<br />
Applicando le leggi di Snell si può dedurre che: la deviazione, restando costante l’angolo di<br />
incidenza, aumenta <strong>con</strong> l’aumentare dell’indice di <strong>rifrazione</strong> del materiale costituente il prisma;<br />
essa, inoltre, aumenta <strong>con</strong> l’aumentare dell’angolo formato dalle due facce del prisma (angolo<br />
rifrangente del prisma, indicato <strong>con</strong> alfa <strong>nella</strong> Figura 18).<br />
Esistono dei prismi, detti prismi a riflessione totale, che vengono impiegati in svariati strumenti<br />
ottici per orientare opport<strong>una</strong>mente i raggi luminosi (come vedremo nel seguito per il periscopio e<br />
per le fibre ottiche). Possiamo dire che un prisma a riflessione totale ha la stessa funzione di uno<br />
specchio.<br />
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Laboratorio di Didattica della Fisica<br />
Laraville Monica<br />
Nella Figura 19 osserviamo un prisma che riflette un raggio luminoso di 90°: il raggio penetra nel<br />
prisma normalmente ad <strong>una</strong> delle facce minori, prosegue in linea retta fino a giungere, <strong>con</strong> un<br />
angolo di incidenza uguale a 45°, sulla faccia maggiore. Poiché 45° è superiore all’angolo limite per<br />
il vetro rispetto all’aria (circa 42°), il raggio subisce in I la riflessione totale.<br />
Figura 19<br />
Nella Figura 20, invece, osserviamo <strong>una</strong> riflessione di 180° di un raggio luminoso attraverso un<br />
prisma a riflessione totale: il raggio penetra nel prisma normalmente alla faccia maggiore, quindi<br />
subisce due riflessioni totali di 90°, ciasc<strong>una</strong> sopra <strong>una</strong> delle facce minori.<br />
Figura 20<br />
Introdotto questo <strong>con</strong>cetto, passiamo all’obiettivo di questo modulo, ossia presentiamo il problema<br />
di come possiamo vedere fuori dall’acqua se siamo a bordo di un sommergibile immerso in acqua<br />
(il periscopio) ed analizziamo alcuni casi di utilizzo della <strong>rifrazione</strong> in oggetti ormai entrati nel<br />
linguaggio quotidiano (le fibre ottiche).<br />
• IL PERISCOPIO:<br />
Tutti i sommergibili sono dotati di strumentazioni molto sofisticate per osservare al di sopra<br />
dell’acqua: si tratta dei periscopi. Essi sfruttano il fenomeno della riflessione totale<br />
utilizzando dei prismi ottici.<br />
In particolare, schematizzando, il periscopio può essere immaginato come in Figura 21:<br />
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Laraville Monica<br />
Figura 21<br />
La luce che penetra nel tubo è deviata due volte di 90° da due prismi che hanno la sezione a<br />
forma di triangolo rettangolo isoscele. Dentro ciascun prisma il raggio colpisce la faccia<br />
inclinata <strong>con</strong> un angolo superiore all’angolo limite ed è quindi riflesso totalmente. I prismi<br />
interni al periscopio sono analoghi a quello mostrato in Figura 19.<br />
• LE FIBRE OTTICHE:<br />
Le fibre ottiche sono un’altra applicazione tecnologica della riflessione totale.<br />
L'invenzione delle fibre ottiche è da inquadrarsi nel periodo intorno agli anni '70 a seguito di<br />
un'intensa ricerca scientifica che si svolse in particolare negli USA e nell'URSS<br />
<strong>con</strong>temporaneamente, anche se separatamente, e spesso in <strong>con</strong>correnza per motivi politici e<br />
militari.<br />
Esse sono costituite da lunghi e sottilissimi “fili” di vetro di quarzo (o altri materiali, anche<br />
plastica) molto trasparenti alla luce, flessibili e a sezione cilindrica.<br />
In particolare, sono costituite da <strong>una</strong> parte centrale detta core (nucleo), da <strong>una</strong> parte esterna<br />
detta cladding (mantello) realizzate in silice, che è il costituente principale del comune<br />
vetro, e da <strong>una</strong> guaina protettiva in PVC, come indicato in Figura 22:<br />
Figura 22<br />
Le fibre ottiche sono usate per trasmettere informazioni tramite impulsi luminosi: questi<br />
ultimi vengono immessi <strong>nella</strong> fibra ottica ad <strong>una</strong> estremità e, attraverso riflessioni totali<br />
successive, arrivano all'altra estremità della fibra, <strong>con</strong> intensità sensibilmente uguale a quella<br />
di entrata, come indicato <strong>nella</strong> Figura 23:<br />
21
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Laraville Monica<br />
Figura 23<br />
Per che cosa sono utilizzate le fibre ottiche<br />
Il campo di applicazione delle fibre ottiche è molto vasto: si va dai settori della medicina<br />
alle telecomunicazioni e perfino all'arredamento.<br />
Una delle prime e fondamentali applicazioni si è avuta in medicina: diagnostica ed<br />
operazioni chirurgiche particolari. In molti casi (per esempio, esame della vescica o dello<br />
stomaco) si introduce nell’organo <strong>una</strong> “sonda”: <strong>una</strong> fibra ottica invia all’interno un fascio di<br />
luce e l’immagine della parte illuminata è <strong>con</strong>dotta all’esterno sempre mediante la fibra<br />
ottica. Il medico può quindi, mediante un sistema di lenti, vedere l’interno dell’organo come<br />
se fosse aperto e formulare la diagnosi.<br />
Ad esempio, la Figura 24 rappresenta l’immagine, vista attraverso <strong>una</strong> fibra ottica, del<br />
piloro, passaggio che mette in comunicazione lo stomaco col duodeno, tratto superiore<br />
dell’intestino tenue.<br />
Figura 24<br />
L’utilizzo di questa tecnologia in medicina non si limita a questo: <strong>con</strong> il loro aiuto il<br />
chirurgo può operare senza aprire. In questo caso, la sonda porta all’interno anche un<br />
minuscolo bisturi elettrico che il chirurgo specializzato può manovrare dall’esterno vedendo<br />
perfettamente il campo operatorio.<br />
Nel campo delle telecomunicazioni, sono usate come canali di comunicazione privilegiati<br />
ad alta velocità, in quanto <strong>con</strong>sentono velocità di trasmissione dei dati numerici molto<br />
maggiori di quelle dei loro predecessori, oltre ad innumerevoli ed indiscutibili vantaggi<br />
quali la insensibilità alle interferenze, il basso costo, il volume ridottissimo e la bassissima<br />
attenuazione, per cui possono aversi tratte di più di 100 Km senza necessità di amplificatori.<br />
Per questi vantaggi, in tutti i Paesi, le società telefoniche sostituis<strong>con</strong>o i cavi metallici <strong>con</strong><br />
fibre ottiche.<br />
Si è scoperto, inoltre, che le fibre ottiche sono anche ottimi mezzi per trasportare segnali<br />
elettrici. Come raffigurato in Figura 25, il segnale elettrico originario è trasformato in<br />
segnale ottico (mediante un laser) e così viene trasportato dalla fibra ottica; all’arrivo viene<br />
nuovamente trasformato in segnale elettrico (mediante un fotodiodo). Questo processo viene<br />
utilizzato, per esempio, per le comunicazioni telefoniche.<br />
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Laraville Monica<br />
Figura 25<br />
Addirittura, <strong>una</strong> fibra ottica può trasportare <strong>con</strong>temporaneamente diversi segnali!<br />
Infine, negli ultimi anni, le fibre ottiche si sono diffuse anche nel settore dell’arredamento,<br />
per la fabbricazione di lampadari, soprammobili, ecc. (Figura 26).<br />
Figura 26<br />
23