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La luce in laboratorio

Percorso educativo a cura dell'UNIVERSITÀ DI ROMA LA SAPIENZA

 

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APPROFONDIMENTI

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Obiettivo generale

 L’obiettivo di questo laboratorio è quello di far conoscere i principali fenomeni luminosi, ma anche, e sopratutto, illustrare come il progresso scientifico sia il frutto di interpretazioni, a volte audaci, dei fatti sperimentali.

Contrariamente a quel che si crede, gli scienziati non considerano le loro teorie come verità assolute e immutabili. Al contrario, cercano sempre di mettere alla prova quelle teorie per verificarne l’adeguatezza in tutti gli ambiti di applicazione.

È proprio questo continuo ricorso alla verifica sperimentale che permette l’avanzamento del progresso scientifico e la storia dell’interpretazione della natura della luce è uno degli esempi più eclatanti di come si possa modificare la propria visione del mondo.

Obiettivo specifico

Attraverso il percorso proposto il visitatore scoprirà da quali fenomeni scaturisce la prima interpretazione della natura della luce come formata di particelle puntiformi in moto lungo linee rette.

Grazie agli esperimenti di Young e alla loro interpretazione teorica di Fresnel sarà costretto a modificare la sua interpretazione giungendo a quella secondo cui la luce sarebbe un’onda (la cui natura elettromagnetica sarà frutto dell’interpretazione delle Leggi di Maxwell).

Infine, l’esecuzione di un esperimento come l’effetto fotoelettrico, convincerà i fruitori del percorso della necessità d’interpretare i fenomeni come dovuti alla natura corpuscolare della luce.

Dovendo riconciliare le osservazioni di Young con quelle dell’effetto fotoelettrico nascerà quindi l’interpretazione quantistica del fenomeno.

Modalità di conseguimento dell’obiettivo

La modalità di conseguimento dell’obiettivo consiste nell’esecuzione diretta di esperimenti accompagnati da spiegazioni fornite attraverso apposita pannellatura, schermi con animazioni e App per Smartphone.

Nel progetto è prevista l’osservazione sperimentale diretta di fenomeni luminosi come la riflessione e la rifrazione, attraverso strumenti moderni, con al fianco gli analoghi strumenti conservati presso il Museo (esempio: specchi piani e sferici, prismi, disco di Newton, mirascopio).

La riflessione e la rifrazione sono spiegati, dall’operatore e/o dalla documentazione fruibili attraverso pannelli o App per Smartphone, in termini di flusso di particelle che urtano sulle superfici di separazione tra due mezzi.

Si passa quindi a una seconda sezione nella quale si mette in discussione l’interpretazione data precedentemente attraverso l’esecuzione di esperimenti che mettono in evidenza la natura ondulatoria della luce. Un esperimento molto efficace consiste nel far passare la luce di due laser di colori diversi attraverso reticoli di diffrazione con passi diversi. I ragazzi possono modificare il passo del reticolo e accendere e spegnere i laser. Possono misurare la posizione dei massimi e dei minimi d’interferenza attraverso scale ben visibili su uno schermo e osservare animazioni che spiegano il fenomeno mentre eseguono l’esperimento.

Ancora una volta la spiegazione del fenomeno è affidata a pannelli esplicativi da usare congiuntamente ad App per Smartphone oppure con l’ausilio di un operatore.

Nella terza sezione il visitatore può osservare direttamente il fenomeno dell’effetto fotoelettrico, accendendo una lampada ultravioletta e osservando la scarica degli elettroscopi caricati opportunamente.

Animazioni e postazioni interattive permettono al visitatore di sperimentare in prima persona come sia possibile spiegare il fenomeno alla luce della teoria corpuscolare e come, al contrario, risulti impossibile da spiegare usando la teoria ondulatoria.

Così s’introduce la meccanica quantistica e le sue conseguenze.

Metodo

1. Domanda: in che modo è possibile conoscere i principali fenomeni luminosi? Secondo quale percorso il progresso scientifico, attraverso la verifica sperimentale, è giunto ad interpretare la natura della luce?
2. Ipotesi: con l’osservazione diretta dei fenomeni luminosi secondo i principi dell’ottica geometrica, dell’ottica ondulatoria e della meccanica quantistica il visitatore scoprirà in quale modo scaturì la prima interpretazione della natura della luce come formata di particelle puntiformi in moto lungo linee rette.
3. Ricerca ed esperimenti: è prevista una prima fase con l’osservazione sperimentale diretta di fenomeni luminosi coma la riflessione e la rifrazione, illustrati dagli operatori in termini di flusso di particelle che urtano sulle superfici di separazione tra due mezzi; con l’ausilio di smartphone e schermi tattili si possono seguire e controllare animazioni che spiegano i fenomeni ammettendo la natura corpuscolare della luce. Si passa successivamente ad una seconda fase che mette in discussione l’interpretazione data precedentemente attraverso l’esecuzione di esperimenti che mettono in evidenza la natura ondulatoria della luce. Nella terza ed ultima fase il visitatore può notare direttamente il fenomeno dell’effetto fotoelettrico, accendendo una lampada ultravioletta e osservando la scarica di alcuni elettroscopi caricati opportunamente. Le animazioni e le postazioni interattive permettono al visitatore di sperimentare in prima persona come sia possibile spiegare il fenomeno alla luce della teoria corpuscolare e come, al contrario, risulti impossibile da spiegare usando la teoria ondulatoria.
4. Dati e conclusioni: Il laboratorio si propone come finalità la nascita del senso critico come metodologia per l’interpretazione dei fenomeni osservati, e come le ipotesi mutino nel tempo con il progredire della scienza e della tecnologia. In ultima analisi i ragazzi comprenderanno, l’essenza del Metodo scientifico, ovvero che nella ricerca scientifica quello che può sembrare in un determinato momento la verità assoluta, è suscettibile in seguito di revisioni anche sostanziali.
5. Condivisione: i ragazzi che parteciperanno al laboratorio con l’ausilio di app, smartphone e operatori qualificati, acquisiranno le capacità non solo di riprodurre i fenomeni osservati con l’ausilio di materiale a basso costo e di semplice reperibilità, ma saranno in grado di saper dimostrare attraverso le varie teorie come si è giunti all’interpretazione quantistica del fenomeno luminoso.

Articolazione percorso

Il percorso si sonda attraverso tre sezioni di cui la prima dedicata all’ottica geometrica, la seconda all’ottica ondulatoria e la terza alla meccanica quantistica. Per ognuna delle sezioni vengono illustrate installazioni interattive che permettono l’esecuzione di esperimenti diretti, la fruizione di animazioni o di simulazioni ottenute sia attraverso applicazioni al computer sia per mezzo di dispositivi elettromeccanici che permettono di illustrare i concetti illustrati dall’operatore o sui pannelli esplicativi.

Restituzione

Gli esperimenti proposti all’interno del laboratorio sono riproducibili con mezzi semplici e facilmente reperibili sul mercato, e permettono ai fruitori di imparare le tecniche per la realizzazione casalinga degli stessi. In linea di principio una classe in visita presso l’esposizione potrebbe imparare a eseguire una parte degli esperimenti da mostrare ad altre classi della stessa scuola o ad altre scuole.

Bibliografia

Ugo Amaldi, L’Amaldi per i licei scientifici. blu, Bologna, Zanichelli, 2012.

Gerardo Troiano, FISICA –per la scuola superiore – Creative Commons BY SA – ISBN 9788896354421.

James S. Walker, Fondamenti di Fisica, Milano ; Torino : Pearson, 2015.

Richard P. Feynman, QED. La strana teoria della luce e della materia, Milano : Adelphi, 2010.

http://www.phys.uniroma1.it/IYL2015/home.html