"IL PROCESSO DI UNA SCOPERTA SCIENTIFICA È, IN EFFETTI, UN CONTINUO CONFLITTO DI MERAVIGLIE"
(ALBERT EINSTEIN)
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Luce


 

Esplorando la Luce propone 4 esperimenti sul tema dell’Arcobaleno, che ricostruiscono il percorso dall’osservazione alla comprensione del fenomeno.

Il Goccia-baleno: l’arcobaleno in una goccia

Per capire il fenomeno dell’arcobaleno, si inizia con l’analizzare ciò che accade in una singola goccia.

Quando la luce del sole colpisce una goccia d’acqua, innanzitutto viene rifratta e dispersa nelle sue componenti monocromatiche. Successivamente ogni radiazione monocromatica viene riflessa sul fondo della goccia e, infine, rifratta una seconda volta mentre ne esce. La goccia d’acqua genera così un cono di luce retrorifratto, caratterizzato da una zona interna luminosa e una zona esterna buia, separate da diversi colori in un preciso ordine.

Nell’esperimento proposto una singola goccia d’acqua, simulata da una sfera di vetro, viene illuminata da un potente faro che imita la luce del sole. Su uno schermo posto tra la sfera e la sorgente osserviamo il cono di luce retrorifratto dalla sfera stessa.

Il Dritto-baleno: da una a tante gocce

L’arcobaleno non è un oggetto situato in una certa posizione nel cielo. Due osservatori, posti ad una certa distanza l’uno dall’altro, non vedono lo stesso arcobaleno. Il colore delle gocce d’acqua che generano l’arcobaleno, può dipendere solamente dall’angolo di visuale rispetto al sole. Ogni goccia retrorifrange un cono di luce, il cui colore dipende dall’angolo di osservazione.

L’osservatore fermo in una certa posizione vede l’intero arcobaleno perché ogni singola goccia apparirà scura, bianca o di un preciso colore a seconda dell’angolo formato tra il sole, la goccia stessa e l’occhio dell’osservatore. Grazie alla grandissima distanza del sole, tutte le gocce allineate su una data direzione appaiono dello stesso colore.

Camminando lungo il dritto-baleno (che rappresenta una simulazione del fenomeno su un piano) è possibile riconoscere una zona chiara (la zona luminosa racchiusa dal GOCCIABALENO), una zona buia (corrispondente all’esterno del GOCCIABALENO) e una zona intermedia colorata. Man mano che ci spostiamo,notiamo che le zone colorate si spostano con noi. Questo esperimento conferma che i diversi colori dell’arcobaleno non dipendono da una posizione fissa, ma dall’angolo sotto cui osservo le gocce d’acqua illuminate, qui simulate da tanti cilindri trasparenti.

Il Laser-baleno: i colori dell’arcobaleno

I colori che si osservano in un arcobaleno, hanno sempre la stessa sequenza. Guardando attentamente, è possibile osservare che all’interno dell’arcobaleno il cielo appare illuminato mentre all’esterno è più buio.

Per spiegare questo fenomeno viene utilizzato il laser baleno, cioè un cilindro trasparente, che riproduce con precisione i processi di riflessione e rifrazione in un solo piano, “colpito” da sottili raggi di luce, ognuno di un solo colore e con caratteristiche diverse. Quello che osservo è che, a seconda del colore, ogni raggio di luce viene deviato dalla goccia in una posizione differente. Se il raggio non è sottile ma esteso, nella posizione in cui viene deviato osservo una zona luminosa molto intensa che più mi allontano più si affievolisce. Per ciascun colore, le zone luminose di maggiore intensità sono distinte una dall’altra, mentre quelle meno intense da un certo punto in poi si sovrappongono. Dal momento che questo accade per ogni radiazione colorata che compone la luce bianca, ci sarà una zona in cui si sovrappongono tutti i colori riottenendo la radiazione bianca di partenza, e una in cui i colori restano separati secondo una sequenza che dipende unicamente dal colore del raggio di luce: l’arcobaleno.

Il Doccia-baleno : l’arcobaleno indoor

Abbiamo descritto e scomposto l’arcobaleno nelle sue varie parti. Ora è arrivato il momento di vederlo dal vivo. Nella stanza della luce è presente una cascata d’acqua, che permette di ricreare un arcobaleno come in natura.

È possibile osservare l’arco di colori che talvolta vediamo in cielo. L’arco separa un cielo nettamente più chiaro (interno) da uno più scuro (esterno). E sopra il buio, esternamente, un secondo arco con i colori invertiti; e fuori ancora, anche se debole, luce. É il secondo arcobaleno, ancora tutto da scoprire.

 


Osserviamo e capiamo un fenomeno comune ma misterioso: proviamo ad essere degli scienziati

La luce del sole e’ data dalla sovrapposizione di tutti i colori che vediamo in natura: scopriamo i colori della luce visibile con l’arcobaleno

Conosciamo l’arcobaleno. Quali sono le sue caratteristiche? Come si forma? Partiamo da una goccia d’acqua: il gocciabaleno

Perche’ si separano i colori nell’arcobaleno?: il laserbaleno.

Da una a tante gocce d’acqua: la scoperta che l’arcobaleno non è un oggetto fisico ma dipende dall’osservatore, il drittobaleno.

Un vero, grande arcobaleno…in casa! Il docciabaleno


 

Dall’osservazione alla comprensione del fenomeno attraverso la simulazione, come metodo di apprendimento scientifico, spiegato attraverso l’indagine del fenomeno dell’arcobaleno.

L’arcobaleno e la scomposizione della radiazione solare nelle sue componenti monocromatiche, il tutto in una goccia d’acqua: il gocciabaleno è questo ma non solo…

L’arcobaleno e i processi di rifrazione e riflessione che avvengono in una singola goccia d’acqua, visti colore per colore: l’esistenza dell’angolo limite, il laserbaleno.

L’arcobaleno e l’azione collettiva delle gocce di pioggia che lo generano: relazione tra posizione della sorgente di luce, delle gocce di pioggia e dell’osservatore. Il drittobaleno.

Colori ma non solo: la banda di Alessandro e la zona luminosa all’interno dell’arcobaleno, visti in un vero grande arcobaleno: il docciabaleno.


 

Dall’osservazione alla comprensione del fenomeno attraverso la simulazione, come metodo di apprendimento scientifico, spiegato attraverso l’indagine del fenomeno dell’arcobaleno.

La dispersione cromatica della radiazione solare. I processi di rifrazione e riflessione, la relazione tra indice di rifrazione e lunghezza d’onda, in una singola goccia d’acqua: il gocciabaleno.

La descrizione del cono di luce retrorifratto da una goccia d’acqua. La zona luminosa interna, la zona buia esterna e l’angolo limite, unico per ciascuna lunghezza d’onda. Il laserbaleno.

L’azione collettiva delle gocce di pioggia nella formazione dell’arcobaleno. L’arcobaleno, oggetto virtuale, che dipende dalla posizione dell’osservatore rispetto al sole. Il drittobaleno.

L’arcobaleno dal vero. Lo spettro della radiazione visibile, la banda scura di Alessandro, la zona luminosa oltre al violetto, l’arcobaleno secondario e gli archi sopranumerari: dall’ottica geometrica all’ottica ondulatoria. Il docciabaleno.