Giovani per la Scienza

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Il gruppo Ottico

Attività effettuata durante il periodo settembre 2011-febbraio 2012 sul banco ottico

L’approfondimento teorico

Il gruppo, a seguito dell’acquisto del banco ottico, ha potuto iniziare una serie di esperimenti riguardanti i fenomeni di ottica geometrica ed ondulatoria.

Inizialmente sono state affrontate due lezioni di fisica teorica, in cui il gruppo ha appreso le principali caratteristiche della luce, in particolare si è discusso dei due aspetti, corpuscolare o ondulatorio, che la luce può assumere, citando l’esperimento fotoelettrico effettuato da Einstein, che rimise in discussione la natura della luce e che portò alla conclusione che la luce in certe situazioni si comporta come onda, in altre come un insieme di corpuscoli (definiti “fotoni”). Dopo questa breve introduzione, sono state affrontate le caratteristiche base dell’onda, ovvero la lunghezza, l’ampiezza, la velocità di propagazione, il periodo e la frequenza, e si è cercato di dare un definizione coerente al fenomeno “onda”: un’oscillazione che si propaga nello spazio trasportando energia, ma non materia, distinguendo poi in onde meccaniche, che necessitano di un mezzo di propagazione, ed elettromagnetiche, che possono propagarsi anche nel vuoto; è stata effettuata, inoltre, una differenziazione a seconda della direzione di vibrazione in onde trasversali e longitudinali.

Gli esperimenti di ottica geometrica

I primi esperimenti effettuati sono legati all’ottica geometrica, per esempio i primi due affrontati riguardavano la proprietà della luce di propagarsi in linea retta, proprietà che è stata verifica attraverso alcuni calcoli ed è stata osservata in una riproduzione del sistema Sole-Terra. In seguito sono stati effettuati altri esperimenti sulle proprietà della luce, come per esempio la diffusione e l’irraggiamento, ed è stata affrontata una breve discussione sulla velocità della luce, approfondendo il percorso storico delle scoperte, a partire dal tentativo fallito di Galileo, passando attraverso le stime di Rømer e di Fizeau, per poi giungere infine all’esperimento di Focault, che migliorò il metodo di Fizeau riuscendo a dare una stima una stima più precisa.

La sezione più consistente della parte di ottica geometrica è costituita dai fenomeni di riflessione, rifrazione e riflessione totale; sulla riflessione è stato effettuato un esperimento (il n° 5 del manuale del banco ottico), con relativa spiegazione delle leggi della riflessione. Prima di effettuare gli esperimenti sulla rifrazione e sulla riflessione totale (rispettivamente n° 8 e n° 9) è stato necessario introdurre alcuni elementi di trigonometria, per rendere comprensibili le formule dei due fenomeni a tutti i componenti del gruppo. Dopodiché sono state effettuate delle misurazioni per confermare le nozioni apprese attraverso la teoria e, in merito alla rifrazione, si è approfondito il fenomeno della dispersione della luce, effettuando alcuni esperimenti con l’ausilio di un prisma di vetro.

L’ultima parte dello studio dell’ottica geometrica riguarda le lenti e gli specchi; dopo una breve precisazione sulle diverse caratteristiche di lenti convergenti e divergenti, si sono affrontati due esperimenti, i n° 12 e 13, per osservare le proprietà di queste e lenti e, attraverso l’esperimento n° 14, si è studiato il funzionamento dell’occhio umano, in particolare del cristallino (il quale funziona appunto come una lente convergente), e i suoi difetti (miopia e presbiopia). Per quanto riguarda gli specchi, il gruppo ha studiato le proprietà degli specchi piani, con una breve digressione sul lavoro dello scorso anno (il caleidoscopio), degli specchi parabolici e degli specchi sferici, che sono stati distinti in specchi concavi e convessi. Grazie all’esperimento n° 7, si sono osservate le caratteristiche di questi due tipi di specchio, in rapporto alla distanza fra lo specchio e l’immagine riflessa, arrivando a determinare la formula della legge dei punti coniugati.

Gli esperimenti di ottica ondulatoria

Prima di iniziare la parte di ottica ondulatoria è stato effettuato un breve ripasso delle caratteristiche delle onde ed è stato effettuato un approfondimento sul laser a diodo, per capire meglio il suo funzionamento (è stata quindi necessaria una precisazione sulle orbite quantizzate e sul comportamento degli elettroni eccitati), e per fare ciò, il gruppo si è basato sulle informazioni trovate sul manuale del banco ottico e su Internet. Il primo esperimento di ottica ondulatoria (il n° 20 del manuale) effettuato è quello sull’interferenza, di cui prima è stata fatta un’introduzione teorica, presentando la differenza tra interferenza distruttiva ecostruttiva, per poi procedere con l’esperimento vero e proprio, che ricalca quello eseguito nel 1801 da Thomas Young e prevede l’interferenza attraverso due fenditure. Sono state eseguite delle misurazioni con entrambi i laser del banco ottico e si è riscontrata una differenza di lunghezza d’onda, infatti i dati ottenuti sono stati utilizzati per calcolare la lunghezza d’onda dei due laser; i risultati sono stati confrontati con quelli dell’esperimento n° 19, che prevedeva la misurazione della lunghezza d’onda attraverso un altro metodo.

I progetti futuri

Fino ad oggi, il gruppo ha affrontato questi argomenti; il prossimo oggetto di studio sarà il fenomeno della diffrazione (con un approfondimento sul reticolo di diffrazione), a cui seguirà una breve introduzione alla spettrometria ed un interessante studio sulla polarizzazione della luce. Con questi ultimi esperimenti si conclude così il programma del gruppo di ottica, che sta meditando di continuare il suo lavoro con la costruzione di alcuni apparecchi ottici, come una macchina fotografica o un microscopio, oppure la costruzione di un interferometro (come è stato suggerito dalla professoressa Ferrari); la questione è però ancora oggetto di discussione ed il gruppo non ha raggiunto una decisione univoca.