Obiettivo

Comportamento della luce (fascio di luce e raggio di luce) quando incontra una superficie piana riflettente (molto levigata).

Materiale

• Torcia a penna (torcia che produce “macchie” di luce ben definite e abbastanza omogenee)

• Laser pointer

• Bastoni di varie dimensioni

• Angolari metallici da fissare ai bastoni per costruire sostegni per le sorgenti.

• Proiettore da diapositive

• Specchi piani di diverse dimensioni

• Carta adesiva a specchio

• Teli bianchi di stoffa sottile (tipo lenzuola) fissati a 2 bastoni (tipo manici di scopa)

• Bottiglie di plastica a sezione circolare da 0,5 e da 1,5- 2 litri.

• Le bottiglie piene d’acqua e legate con lo scotch a gruppi di3- 4 possono essere usate come base per sostenere i bastoni.

• Scotch largo (da pacchi)

• Alluminio (in rotolo, tipo quello da alimenti)

• Telaietti da diapositive

• Talco, gesso, ….. cancellino, piumino da talco

• Scatola di cartone (per esempio da scarpe) con un foro di dimensioni adatte a sostenere il laser o la torcia e con una parete ricoperta da carta a specchio.

•  riflessione/laser/laser1.jpg

• Scatola di materiale trasparente a facce piane e parallele

• Latte

Come procedere

1. Accendere la torcia davanti alla parete di un ambiente oscurato su cui sia posto uno specchio di dimensioni maggiori della sezione del fascio luminoso sulla parete. Puntare la torcia verso lo specchio con orientamenti diversi. In particolare disporre la torcia perpendicolarmente al piano dello specchio e in posizione inclinata rispetto a tale perpendicolare sia lateralmente che verso l’alto e il basso. Osservare lo specchio e le macchie di luce sulle pareti. Esplorare lo spazio tra la torcia e lo specchio e tra lo specchio e le pareti muovendovi il telo bianco, teso tra i due bastoni, in modo da “catturare” le macchie di luce.

2. Ripetere l’esperienza del punto 1 utilizzando un proiettore da diapositive eventualmente inserendovi diapositive contenenti fogli di carta nera o di alluminio che siano stati forati con un foro di forme diverse. Osservare anche cosa succede muovendo lo specchio invece della sorgente.

3. Accendere il laser pointer nella scatola avendo cura di tenerlo orizzontale o inclinato verso il basso (NB il fascio laser non deve mai entrare negli occhi né direttamente né dopo aver colpito superfici riflettenti) e osservare attentamente le pareti e l’interno della scatola dall’alto. 

   Ripetere l’osservazione mentre si fa cadere nella scatola talco o gesso (ad esempio sbattendo il cancellino o un piumino da talco).

4. Mettere dell’acqua nella scatola trasparente fino circa metà della sua altezza, aggiungere all’acqua pochissime gocce di latte e mescolare. Osservare l’acqua dall’alto mentre si punta il laser acceso sulla superficie dell’acqua non in direzione perpendicolare alla superficie dell’acqua né rivolto verso l’osservatore. Muovere il laser avendo sempre l’accortezza di non trovarsi con lo sguardo nella direzione del raggio che dal laser pointer va all’acqua né in quella in uscita dall’acqua.

Cosa si vede

Nel caso della torcia e del proiettore, si vede formarsi sulle pareti una macchia luminosa, la cui posizione cambia cambiando l’orientazione relativa di sorgente e specchio. La macchia si trova sulla parete opposta allo specchio se il fascio di luce iniziale ha asse perpendicolare allo specchio; si trova a sinistra dello specchio se il fascio di luce arriva sullo specchio da destra e viceversa se arriva da sinistra; si trova più in alto dello specchio se il fascio di luce arriva sullo specchio dal basso e viceversa. Disponendo il telo parallelamente allo specchio e muovendolo dalla sorgente verso lo specchio la macchia di luce sulle pareti scompare, mentre sul telo si vede una macchia di luce che si allarga progressivamente mantenendo la stessa forma e che appare più intensa sulla faccia rivolta alla sorgente.

Le macchie sulle pareti scompaiono anche disponendo il telo nello spazio fra specchio e macchia. In questo caso sul telo si vede una macchia che appare più intensa sulla faccia rivolta allo specchio. Le dimensioni della macchia sul telo sono più grandi che nel caso precedente ed aumentano allontanandosi dallo specchio verso la parete su cui si trovava inizialmente la macchia di luce.

Le foto riproducono le diverse situazioni in un ambiente ristretto (scatola da scarpe), ove il telo è sostituito da un foglio di carta bianco.

Il fascio laser nell’aria produce sulle pareti della scatola minuscole macchie luminose di colore rosso. La polvere (di gesso, talco, ….) permette la visualizzazione del fascetto di luce rossa (cilindro molto stretto) che incide sullo specchio e di un fascetto di identiche dimensioni che viene riflesso dallo specchio seguendo le stesse regole di “inversione” alto/basso, destra/sinistra già individuate nel caso del fascio della torcia e del proiettore.

Il fascio laser nell’acqua e latte  si comporta ancora nello stesso modo. Guardando dall’alto si vedono due segmenti rossi che formano una V che, al cambiare della direzione in cui è puntato il laser, si apre e si chiude o ruota nello spazio mantenendosi sempre in un piano perpendicolare al fondo della scatola.

Conclusioni e interpretazione

Dalla sorgente esce un “fascio” di luce di forma e dimensioni che dipendono dal tipo di sorgente. Nel caso del laser si tratta di un fascetto cilindrico che è reso “visibile” in aria dalle particelle di talco o gesso e in acqua dal latte. Esso ci indica cosa accade a ogni singolo raggio di luce di cui possiamo immaginare costituito qualunque fascio che colpisce lo specchio (raggio incidente). Ad ogni raggio incidente corrisponde un raggio riflesso la cui direzione  nello spazio è individuabile seguendo  due regole:

·        Raggio incidente e raggio riflesso si trovano sullo stesso piano, che è il piano perpendicolare allo specchio nel punto in cui il raggio incidente lo colpisce

·        Raggio incidente e raggio riflesso sono ugualmente inclinati rispetto al piano (o rispetto alla perpendicolare al piano). In linguaggio più tecnico angolo di incidenza e angolo di riflessione sono uguali

Nelle tre figure sono rappresentati rispettivamente il comportamento di due fascetti luminosi singoli, ciascuno assimilabile ad un raggio, che incidono su uno specchio con angoli diversi ed il comportamento di tre raggi provenienti da un unico punto sorgente che si propagano nello spazio secondo direzioni che non appartengono ad uno stesso piano.

Lo specchio è azzurro. P è una sorgente luminosa puntiforme. In giallo sono disegnati tre raggi incidenti e i rispettivi raggi riflessi. Sono inoltre disegnati i piani perpendicolari allo specchio contenenti le coppie raggio incidente – raggio riflesso (tale piano non è univocamente definibile per il raggio PH perpendicolare allo specchio) ed i prolungamenti, al di là dello specchio, dei raggi riflessi. Gli angoli PHh ed hHA sono entrambi uguali a zero; i raggi PH, HA coincidono con hH, perpendicolare al piano dello specchio nel punto di incidenza. Gli angoli PH1h1 ed h1H1B sono uguali; i raggi PH1, H1B giacciono sullo stesso piano della perpendicolare al piano dello specchio nel punto di incidenza, h1H1 Gli angoli PH2h2 ed h2H2C sono uguali; i raggi PH2, H2C giacciono sullo stesso piano della perpendicolare al piano dello specchio nel punto di incidenza, h2H2 I prolungamenti (ideali!) dei raggi riflessi al di là dello specchio si incontrano nel punto Q, simmetrico di P rispetto allo specchio.

Se il fascio tra torcia e specchio si apre a cono, il fascio riflesso si apre ulteriormente perché corrisponde al "ribaltamento", da parte della superficie riflettente, della parte di fascio luminoso che si sarebbe propagata nello spazio al di là dello specchio. In figura questo comportamento della luce è simulato da un cono di carta tagliato in due: una parte rappresenta il fascio incidente, l'altra il fascio riflesso.