Fenomeni della Luce: Esperimenti e Concetti Chiave di Ottica

Riflessione della Luce

La riflessione si verifica quando la luce viaggia attraverso un mezzo e incontra una superficie che lo separa da un altro mezzo. Parte della luce si riflette e continua a propagarsi nello stesso mezzo, cambiando direzione e soddisfacendo le leggi della riflessione:

1. Il raggio incidente, la normale alla superficie e il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano.
2. L'angolo di incidenza e l'angolo di riflessione sono uguali.

Il Caleidoscopio

Un caleidoscopio (dal greco kalós eidos scopéo, che significa "osservare belle immagini") è un tubo che contiene tre specchi, i quali formano un prisma triangolare con la parte riflettente rivolta verso l'interno. All'estremità del tubo, ci sono due fogli trasparenti tra i quali sono posti diversi oggetti di varie forme e colori.

La Nostra Immagine negli Specchi

Esperimento: Due Specchi a 90 Gradi

Tutti noi ci siamo guardati in uno specchio, ma... Cosa succede quando ci troviamo di fronte a due specchi posti a 90 gradi? Con due specchi a 90 gradi, si produce un'immagine per doppia riflessione.

Esperimento: Immagini Infinite con Specchi Paralleli

Cosa succede quando due specchi sono posti paralleli uno di fronte all'altro? In uno specchio vediamo la nostra immagine frontale e nell'altro appare la nostra immagine dorsale, che a sua volta si riflette nel primo, e così via, producendo una successione senza fine di immagini alternate (anteriore, posteriore, ecc...).

Esperimento: Quante Riflessioni si Verificano?

Con due specchi uniti da una cerniera piana, si possono osservare diverse immagini a seconda dell'angolo formato. Posiziona gli specchi su un foglio che traccia una linea e chiediti quale poligono si formerà per ogni angolo:

• Angolo di 120°: Triangolo
• Angolo di 90°: Quadrato
• Angolo di 72°: Pentagono
• Angolo di 60°: Esagono

Il Corpo Nero

Esperimento: L'Interno di una Scatola Nera

L'esterno è nero, ma cosa succede all'interno? Guarda all'interno attraverso un foro e poi apri la scatola. Puoi spiegare cosa succede? Dall'interno non viene emessa luce. Le riflessioni multiple fanno sì che la luce che torna verso l'esterno sia molto debole. Pertanto, vediamo il nero.

Rifrazione della Luce

La rifrazione si verifica quando la luce viaggia attraverso un mezzo e incontra una superficie che lo separa da un altro mezzo. Parte della luce si propaga nell'altro mezzo, cambiando direzione, poiché si propaga a velocità diverse in ogni ambiente. Quando entra in un mezzo più denso, rallenta e il raggio si avvicina alla normale; quando passa a un mezzo meno denso, la velocità aumenta, allontanandosi dalla normale. Solo in quest'ultimo caso può verificarsi una riflessione totale, che si ha quando l'angolo di rifrazione è di 90°.

L'indice di rifrazione di un mezzo è una sua proprietà ed è direttamente correlato alla velocità di propagazione della luce in quell'ambiente: minore è la velocità di propagazione nel mezzo, maggiore è l'indice di rifrazione. La rifrazione segue la legge di Snell, la quale giustifica il fatto che se l'indice del mezzo in cui passa si riduce in valore, il raggio si allontana dalla normale; altrimenti si avvicina.

Esperimento: Vedere o Non Vedere

Metti una moneta al centro di una ciotola e allontanati, fino a quando non riesci più a vedere la moneta nella ciotola. Poi chiedi a un amico di versare molto lentamente un po' d'acqua nel contenitore. Cosa è successo?

L'operazione viene ripetuta in un'altra ciotola con un'altra moneta, ma aggiungendo una soluzione di CaCl2 (cloruro di calcio) invece di acqua, che ha un indice di rifrazione più alto, e si osserva che la moneta sarà visibile con l'aggiunta di meno liquido. Quando la luce proveniente dalla moneta passa dall'acqua all'aria, si verifica un cambiamento nella direzione della luce (un fenomeno chiamato rifrazione della luce) che ci fa vedere l'oggetto in una posizione diversa dalla sua reale.

Alla Ricerca dell'Invisibilità

Quando due mezzi trasparenti hanno lo stesso indice di rifrazione, la luce non subisce deviazioni significative passando da uno all'altro, rendendo l'oggetto immerso quasi invisibile.

Sabbia Asciutta, Sabbia Bagnata

Si dimostra che la sabbia bagnata con diverse sostanze appare più o meno scura. Le sostanze utilizzate sono: acqua distillata, soluzione di cloruro di calcio, solfuro di carbonio e toluene. La sabbia fine è più luminosa e più chiara della sabbia grossolana, e questo perché, nel mezzo, i fotoni (particelle di cui è composta la luce) hanno maggiori probabilità di essere assorbiti. La dispersione del fotone non dipende solo dalla dimensione del grano, ma anche dalla sostanza che lo circonda e dal suo indice di rifrazione. Maggiore è l'indice, minore è l'angolo di dispersione e quindi la luce rimane più a lungo all'interno della sostanza. Questa spiegazione può essere fatta anche considerando la luce come un'onda.

La Camera Oscura e le Lenti

La Camera Oscura

La camera oscura, precursore della macchina fotografica, di origine araba e riscoperta da Leonardo da Vinci, ha un foro che agisce come una lente convergente e proietta sulla parete opposta l'immagine esterna, invertita sia in verticale che in orizzontale.

Vasi di Vetro come Lenti Convergenti

Un vaso di vetro o di forma cilindrica, se riempito con acqua, può essere utilizzato come una lente convergente. L'indice di rifrazione del liquido in ogni contenitore conferirà alla lente proprietà diverse. Quando si colloca un oggetto di fronte a una lente, le caratteristiche delle immagini formate dipendono dalla distanza a cui si trova l'oggetto.

Perché le Parole in Blu sono Invertite e quelle in Rosso No?

Seguendo la pratica del passato, si può rispondere alla domanda di cui sopra. Infatti, tutte le parole sono invertite, ma quelle scritte in rosso con simmetria orizzontale (come C, H e I) appaiono meno alterate.

Interazione Luce-Materia

Esperimento: Di Che Colore è la Macchia d'Olio?

Abbiamo messo un foglio di carta su un tavolo e lasciato cadere al centro qualche goccia d'olio per formare una piccola macchia. Quando esposta alla luce, sarà una macchia scura su uno sfondo bianco. Ma se si illumina il foglio da dietro, si vedrà una macchia bianca su uno sfondo scuro.

La carta impregnata d'olio diventa più trasparente. Se la carta è esposta alla luce, la macchia appare scura perché, essendo trasparente, permette alla luce di passare e non la riflette. Se invece si illumina il foglio da dietro, la macchia appare bianca e luminosa, perché la luce non viene assorbita dalla carta. Cosa succede se si illumina la macchia dai lati?

Esperimento: Cellophane Magico

Basta mettere un pezzo di cellophane sul vetro smerigliato per renderlo improvvisamente più trasparente.

Tali vetri hanno una superficie ruvida che fa disperdere la luce in tutte le direzioni, impedendo la formazione di un'immagine nitida dall'altro lato. Applicando il nastro adesivo su un lato, si riempiono le irregolarità della superficie, "lucidandola" e rendendola più trasparente.

Luce e Colore

Lo Spettroscopio

Uno spettroscopio è un dispositivo progettato per separare le diverse componenti di uno spettro ottico. Per produrre la scomposizione di una luce composta in diversi colori (frequenze), Newton utilizzò un prisma. Nel nostro caso, si utilizza un reticolo di diffrazione, come un CD, in cui per ogni pollice ci sono oltre 500 scanalature che causano la dispersione in tutte le direzioni di tutti i colori del fascio di luce incidente.

Daltonismo: Test e Spiegazione

Se non hai fatto il test... questo è il momento. Si tratta di un difetto genetico che si manifesta con l'incapacità di alcune cellule fotorecettrici della visione di distinguere alcuni colori. Prende il nome dal chimico inglese John Dalton (1766-1844), che soffriva di questo difetto che gli rendeva impossibile visualizzare alcuni colori. Come nel caso dell'emofilia, il daltonismo è collegato al sesso (cromosoma X).

La retina è responsabile della trasmissione di qualsiasi informazione luminosa che raggiunge il cervello attraverso il nervo ottico. In essa ci sono cellule chiamate coni, di cui esistono 3 tipi, che distinguono le diverse lunghezze d'onda associate ai colori. L'anomalia di questi coni è la causa della cecità ai colori. La cecità ai colori più comune riguarda il rosso e il verde.

Fluorescenza e Fosforescenza

Quando gli elettroni di alcuni atomi sono eccitati a livelli energetici più elevati, non sempre tornano direttamente al loro stato fondamentale. Se il processo di de-eccitazione è quasi istantaneo (meno di 10^-7 s), si parla di fluorescenza; la fosforescenza, invece, dura più a lungo. Questi processi sono meglio percepiti illuminando gli atomi con luce ultravioletta (in questo caso, viola), che possiede la maggior parte dell'energia, e quindi gli atomi, nel processo di spegnimento, emettono una luce di frequenza inferiore, quindi visibile.

Non è Sempre il Colore che Sembra

(In un ambiente scuro) I colori che conosciamo sono identificati con la luce bianca; quando la luce cambia, cambia anche il colore di un oggetto. Quando un oggetto è illuminato da luce bianca, ha un certo colore perché assorbe tutti i colori tranne quello che riflette (se il materiale è opaco) o che trasmette (se è trasparente, come il cellophane). Questo processo è chiamato assorbimento selettivo. Le ombre sono prodotte da miscele additive, per le quali dobbiamo tenere a mente che bianco = rosso + blu + verde. Il cellophane giallo assorbe il blu e lascia passare il rosso e il verde, il che cambia il colore dei palloncini.

Altri Fenomeni Ottici e Percezione Visiva

L'Occhio Dominante

Tutti noi abbiamo un occhio dominante o "direttore", con una maggiore acuità visiva, che è responsabile della visione della profondità, mentre l'altro è responsabile della visione periferica e spaziale, estendendo l'immagine bidimensionale al nostro cervello.

Lo Stereogramma

Lo stereogramma è un'illusione ottica basata sulla capacità dell'occhio di catturare immagini da diversi punti di vista. Queste diverse prospettive vengono elaborate dal cervello in modo tale da far apparire un'immagine tridimensionale.

L'Effetto Moire

L'effetto Moire è un effetto ottico prodotto dalla sovrapposizione di due griglie di linee con un certo angolo o quando sono di dimensioni diverse. L'origine della parola deriva da una nota tecnica della seta e della tessitura.

La Polarizzazione della Luce

La polarizzazione è un fenomeno unico per le onde trasversali, e la luce, essendo un'onda elettromagnetica, ne è un esempio, in cui i campi elettrici e magnetici sono perpendicolari alla direzione di propagazione. Attraverso opportuni filtri, si può far sì che la luce si propaghi su un piano particolare (polarizzazione piana) e, se si ostacola la trasmissione su quel piano, si ottiene il buio.