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.
Vai al laboratorio
2 –Laboratorio virtuale di Ottica geometrica- giocare con i raggi di luce
Gli esperimenti della sezione precedente possono essere simulati con la app della Colorado University. Qui troverete un filmato che guida gli studenti ad utilizzare la app per verificare le leggi della riflessione e della rifrazione partendo dal concetto di raggio.
Rifrazione della luce
Può essere utilizzato come alternativa agli esperimenti:
- nel caso in cui non sia possible la realizzazione degli esperimenti in aula, il docente lo può mostrare passo passo e far compilare alla classe le domande
- come documento di lavoro a casa per l’attività di flipped, abbinata alla lettura di documenti (capitolo del libro, appunti on-line…) su cui i ragazzi dovranno costruire una scheda di comprensione dei fenomeni con domande specifiche sugli argomenti (vedi anche la guida docente del laboratorio ottica geometrica).
3 – 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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4 – 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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5 – 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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6 – 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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