La camera di luce 

L’arcobaleno è un fenomeno naturale che da sempre affascina per la sua bellezza e “inafferrabilità”. La “Camera di luce” ripropone uno dei più famosi esperimenti di Newton: la scomposizione della luce bianca nei sette colori fondamentali; quindi, consente di riprodurre “l’arcobaleno” attraverso la corrispondenza tra una goccia d’acqua e il prisma di Nicol. I ragazzi costruiscono la camera di luce con un lavoro cooperativo e inclusivo, affrontando sia problematiche di tipo strettamente matematico che pratico, sperimentano ipotesi sul corretto posizionamento della strumentazione e studiano geometricamente il percorso della luce. Infine, formalizzano ed espongono i risultati raggiunti. Si potrà verificare la reversibilità della scomposizione della luce con il disco di Newton, oppure, in una versione più complessa del progetto, facendo entrare il raggio scomposto in una seconda “camera di luce” contenente un prisma rovesciato. 

Scheda sintetica delle attività 

Preparazione “stanza” in miniatura: 

• Scegliere tre/quattro alunni 
• Dotare ognuno di matita, gomma, temperamatite, due squadre, un pastello bianco per la parete nera 
• Consegnare ad ognuno le misure di una parete e le indicazioni di base per realizzarla 
• Per la parete nera e per una delle due lunghe bianche fornire anche le misure per il disegno rispettivamente della fenditura e della finestra di inserimento della mano 
• Procedere alla costruzione dello sviluppo 2D e controllare le misure 
• Procedere allo sviluppo 3D 
• Ricoprire le scatole scelte come basi di appoggio del prisma di Nicol 
• Ricoprire il piano del banco (“pavimento” della “stanza”) con foglio bianco A3 
• Posare al centro del “pavimento” le basi di appoggio del prisma di Nicol 

Esperimento

• Tre alunni per volta: due per la sorgente di luce e la lente, un alunno per aiutare i compagni a posizionare il prisma di Nicol e successivamente eseguire le misurazioni 
• Accendere la torcia led o la luce led del cellulare e iniziare con i tentativi di posizionamento sulla fenditura della parete nera 
• Inserire il braccio con la lente in mano e iniziare con i tentativi di posizionamento nella traiettoria del raggio luminoso 
• Posizionare il prisma di Nicol cercando la migliore (più estesa e completa) visualizzazione della scomposizione della luce nei diversi colori sulla parete bianca laterale intera 
• Procedere alle diverse misurazioni del setting dell’esperimento 
• Confrontare tutti i valori di misurazione 

Uno o due alunni possono riassumere e schematizzare l’esperimento alla digital board. 

Risorse

Per la costruzione della “stanza” in miniatura: aula/laboratorio di arte o scienze o aula generica con uno o due banconi 

• 1 cartoncino nero di dimensioni 50×70 cm grammatura 220 g/m2 
• 5 cartoncini bianco di dimensioni 50×70 cm grammatura 220 g/m2 
• 1 tubetto di colla stick 
• Matita 
• Gomma 
• Temperamatite 
• 2 squadre 
• Nastro adesivo largo
• Due scatole di dimensioni pari a circa 24x17x3,5 cm e 6x13x5 cm 
• Prisma di Nicol, h = 10 cm 
• Lente di ingrandimento da 75 mm 
• Torcia led o cellulare 

Prerequisiti

• Conoscere la struttura della materia 
• Conoscere la natura della luce, le sue caratteristiche e i fenomeni luminosi 
• Conoscere i concetti fondamentali della geometria piana e nello spazio 
• Conoscere le modalità di utilizzo del goniometro 

Obiettivi di apprendimento

• Offrire un metodo di indagine che incoraggi la curiosità e stimoli il senso critico 
• Comprendere l’importanza della matematica per interpretare e spiegare i fenomeni naturali 
• Promuovere la capacità di modellizzazione e formalizzazione dei fenomeni 
• Promuovere la manualità 
• Favorire la collaborazione e l’inclusione 
• Creare una rappresentazione che spieghi cosa sono i colori 
• Comprendere il fenomeno della rifrazione della luce 
• Disegnare gli sviluppi dei poliedri 
• Creare un solido in 3D a partire dal suo sviluppo in 2D 
• Risolvere concretamente problemi pratici sfruttando in 3D le proprietà geometriche delle figure 

Dotazioni di sicurezza 

Esperimento inclusivo e sicuro; è bene sia il docente ad eseguire sono i ritagli di finestra e fenditura della “stanza” con il taglierino, allo scopo di aumentare il livello di precisione rispetto all’uso delle forbici a punta stondata. Inoltre, si raccomanda un’attenta osservazione del docente durante la manipolazione del prisma di Nicol da parte degli alunni. 

Svolgimento

Premessa 

Occorre realizzare una stanza in miniatura (figura 1) con cartoncino a forma di parallelepipedo rettangolo avente dimensioni 70x35x41 cm, priva del “solaio”. Tre pareti laterali saranno bianche, una di queste avrà una apertura per il passaggio della mano di uno studente che regge una lente di ingrandimento; la quarta parete sarà nera, in quanto sede di una stretta fenditura che farà da ingresso alla luce. Anche il “pavimento” sarà bianco, al centro di questo verrà posizionato un prisma di Nicol, appoggiato su una base. Quest’ultima ha la funzione di facilitare il movimento del prisma da parte dell’alunno, in quanto avverrà dall’alto. 

Realizzazione 

Fase 1

Costruire la parete nera dimezzando il cartoncino nero in due cartoncini uguali e disegnare su una metà la fenditura e la linea di piega (figura 2).
Costruire la parete lunga bianca non finestrata utilizzando due cartoncini bianchi interi e tracciare sul lato lungo la linea di piega (figura 3). 
Costruire la parete corta bianca, opposta a quella nera, dimezzando il cartoncino nero in due cartoncini uguali e tracciare sul lato lungo la linea di piega (figura 4). 
Costruire la parete lunga bianca fenestrata con cartoncino bianco utilizzando due cartoncini bianchi interi e tracciare sul lato lungo la linea di piega e la finestra per l’inserimento del braccio dell’alunno (figura 5): 

 

Fase 2

Per aumentare la rigidità della struttura, incollare tra loro due cartoncini per le pareti lunghe e le due parti tagliate per le pareti corte insistendo sui margini (figura 6) e lasciando all’esterno le parti disegnate; lasciare agire la colla a qualche minuto appoggiando sopra ogni parete dei pesi.

Fase 3

Attenzione: questa è l’unica azione che è meglio compia il docente, visto che è necessario l’uso del taglierino. 
 
Appoggiare sotto ogni parete da incidere dei giornali vecchi, allo scopo di preservare la superficie del banco. Incidere con il taglierino la fenditura della parete nera (figura 7) e la finestra della parete laterale bianca (figura 8); l’incisione va fatta prima nella parte frontale ove sono disegnate la fenditura e la finestra, poi nella parte retrostante, approfondendo l’incisione qualora non passata sotto. 

Fase 4 

Piegare tutte le basi delle pareti in modo che si veda la linea di piegatura verso l’esterno, facilitante per gli alunni, che dovranno essere in due per piegare le pareti bianche lunghe (figura 9). Ripassare la colla sui bordi eventualmente aperti dopo la piegatura.

Fase 5

Preparare pezzetti di nastro adesivo pronti per avviare il montaggio e iniziare a unire le pareti; si raccomanda solo all’esterno, attaccando prima la base e la cima poi a ¼, a ¾. (figura 10). Coprire poi bene tutto l’angolo tra le pareti e le pieghe solo all’interno aprire, coprendo la piega della parete nera con le pieghe delle pareti laterali bianche. 
Montare prima la parete nera e le laterali ed infine quella bianca opposta alla nera. Quest’ultima parete va attaccata contemporaneamente da ambo i lati. 
Con quattro pezzetti di nastro adesivo messi in obliquo fissare le pieghe della camera di luce internamente, in modo che la camera di luce possa essere autoportante e per la riproducibilità girata e/o spostata. 

Fase 6

Coprire il piano del banco con due fogli di carta A3 e ricoprire con fogli di carta A4 la base composita sopra la quale verrà appoggiato il prisma di Nicol; sono sufficienti allo scopo due scatole qualsiasi purché quella che appoggia al pavimento sia più larga di quella sulla quale appoggerà il prisma di Nicol, ciò per garantire maggiore stabilità. Le due scatole hanno dimensioni di circa la più larga 24x17x3,5 cm, quella di appoggio del prisma di Nicol 6x13x5 cm. 

Figura 11: realizzazione della base composita

Sperimentazione

Una volta pronta la camera di luce saranno tre alunni ottimizzeranno l’esperimento cercando la migliore configurazione. Un alunno tiene la torcia led (o il cellulare) attaccata alla fenditura con luce centrata verso l’interno e un altro alunno inserisce il braccio con la mano che tiene la lente di ingrandimento (figura 12); il terzo alunno posiziona il prisma di Nicol (figure 13). 

Figura 12: uno studente illumina la fenditura con il cellulare
mentre un compagno tiene la lente di ingrandimento

Figura 13: il terzo alunno posiziona il prisma di Nicol

Figura 14: osservazione della scomposizione della luce nei colori fondamentali

Note e storia 

Come efficace introduzione un brainstorming sull’arcobaleno, la luce e i fenomeni luminosi, gli studenti potranno verificare la reversibilità della scomposizione della luce con il disco di Newton, anch’esso costruito da loro stessi, oppure, in una versione del progetto di più complessa realizzazione, facendo entrare il raggio scomposto in una seconda “camera di luce” dove è posizionato un prisma rovesciato. 
L’esperimento è stato realizzato in occasione dei due pomeriggi di Open Day della Secondaria di I grado, quindi è “accessibile” agli alunni della scuola primaria guidati degli alunni della scuola secondaria che lo hanno sperimentato precedentemente. 

Bibliografia 

• Isaac Newton “Opticks: or, A Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light”
• Opticks by Sir Isaac Newton – Sir Isaac Newton Online 

Autori

Giovanna Bergamini, Scuola Secondaria di I grado “F. Montanari”, Mirandola (MO) 
Silvia Bianconi, I.C. Perugia 11, Perugia 
Nicoletta Prosperini, I. C.Perugia 11, Perugia