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Big idea: Strumentazione – Tools and instrumentations


“Vedere gli atomi!“: ciò che sembrava un sogno è oggi possibile grazie a nuovi e potenti strumenti di indagine: lo sviluppo di questi mezzi ha condotto la ricerca verso un nuovo livello di conoscenza della fisica della materia. Per gli scienziati è ora possibile vedere, manipolare e isolare gli atomi, persino crearne di nuovi; fabbricare oggetti alla nanoscala, progettare e realizzare materiali mai esistiti prima, ciò apre scenari e settori applicativi completamente nuovi.”

L’ottica, geometrica ed ondulatoria, rappresentano un capitolo della fisica fondamentale per la comprensione dell’infinitamente piccolo: il microscopio ottico è stato il primo e fondamentale strumento di indagine mentre l’esperimento di diffrazione di Young può rappresentare la porta di accesso alle leggi della meccanica quantistica .

I laboratori

1 – Ottica geometrica

Semplici esperimenti consentono di toccare con mano le leggi dell’ottica geometrica “vedendole”; concetti di base quali raggio luminoso, raggio riflesso e rifratto, fuoco di una lente, convergenza e divergenza ed immagine reale o virtuale diventano tangibili guidando lo studente nella costruzione della propria immagine mentale. Attraverso misure di angoli e distanze è possibile verificare la legge di Snell e l’equazione di Gauss per le lenti sottili. Questi laboratori, in gran parte già diffusi in molte scuole, rappresentano l’introduzione ideale per i successivi esperimenti, soprattutto in classi che incontrano l’ottica per la prima volta.

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2 – Microscopio con lo smartphone

Note le leggi fondamentali dell’ottica geometrica gli studenti possono capire il funzionamento di un microscopio composto, l’attività è proposta come caso pratico da sviluppare in gruppo e coinvolge diverse competenze: l’utilizzo di app e simulazioni per la comprensione del problema, il reperimento dei materiali, le attività di problem solving e team-working finalizzate a realizzare il prodotto funzionante. la fase finale prevede la taratura dello strumento e lo svolgimento di alcune misure. L’attività si presta in modo particolare ad essere svolta in autonomia dai ragazzi, anche al di fuori dell’orario scolastico e l’utilizzo del cellulare aumenta l’interesse e la motivazione.

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3 – Diffrazione ottica

a diffrazione ottica è uno esperimento che coniuga l’estrema semplicità di realizzazione con l’elevata accuratezza dei valori misurati: con un reticolo di diffrazione, facilmente reperibile anche su internet a meno di euro, è possibile misurare la lunghezza d’onda della luce di un puntatore laser con la precisione della decina di nanometri. Nota la lunghezza d’onda della luce laser è poi possibile misurare distanze micrometriche come quelle delle tracce dei DVD e dei CD

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4 – Diffrazione e misura della costante reticolare

L’esperimento precedente di diffrazione viene realizzato utilizzando il Gecko-Tape ®, un nastro in silicone la cui superficie è presenta una microstrutturazione con geometria esagonale, con circa 29000 elementi su cm2, ciascuno di essi può essere visto come un elemento di u reticolo esagonale bidimensionale; la distanza fra gli elementi del Gecko Tape ®è circa 50 µm e costituisce un reticolo di diffrazione bidimensionale per la luce visibile.

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5 – Diffrazione su “reticoli flessibili”

Si ripete l’esperimento di diffrazione su Gecko-Tape ®, sfruttando però la deformabilità del silicone che offre l’opportunità di modificare la distanza reticolare stirando il materiale; si osserva così la la corrispondente modifica della figura di diffrazione, che per la geometria esagonale si realizza lungo una direzione ruotata di 30 ° rispetto a quella di deformazione del reticolo reale. Questo esperimento, pensato per lo più per i primi anni di università, consente di avere accesso diretto al concetto di reticolo reciproco. Nel caso di studenti della scuola secondaria questo esperimento può essere mostrato a livello qualitativo mentre gli studenti universitari avranno la possibilità di sperimentare un’applicazione di cristallografia senza la necessità di utilizzare i pericolosi raggi x. E’ possibile fare una stima degli angoli e delle deformazioni delle figure di diffrazione.

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