Ottica geometrica

Percorso collegato al Capitolo 6 del volume FISICA. Modelli teorici e problem solving - Primo biennio, di James S. Walker.

Capitolo 6 Ottica geometrica

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 6 Ottica geometrica mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per gli studenti sia sotto forma di libro digitale statico (ITE), sia sotto forma di libro liquido (ITE plus) e costituisce una solida base dalla quale partire per condividere sia le pagine da studiare, sia le risorse digitali correlate.
Per semplificare il lavoro, i link qui forniti consentono l’attivazione diretta di tutti i materiali, che sono reperibili anche accedendo a My Pearson Place con il codice associato al volume.

Per cominciare: preparare i materiali

Da questo link è possibile scaricare la lezione in Power Point, un unico file relativo all’intero capitolo, organizzato per paragrafi, che può essere adattato e modificato a proprio piacimento, eventualmente estrapolando i contenuti relativi a uno o più paragrafi.
Facciamo presente che le slide contengono, oltre a un’esposizione sintetica della teoria, anche l’intero testo dei Problem solving, nell’ordine in cui compaiono nel volume.

Ricordiamo che è possibile registrare la propria voce sulle slide in PPT (scarica il PDF per vedere come fare) ed esportare un video da condividere con gli studenti nella modalità concordata con la scuola per erogare le lezioni a distanza.

Consigliamo di prevedere dei momenti di “lezione frontale” in formato video (in diretta o registrati), della durata massima di 10-15 minuti, intervallati da momenti esercitativi o di confronto, come proposto di seguito per i paragrafi considerati.

Paragrafo 1 I raggi luminosi

Questo primo paragrafo chiarisce che cosa si intende per ottica geometrica: è breve e discorsivo e si può proporre ai ragazzi in modalità di didattica capovolta, affidandone loro lo studio e chiedendo poi a un piccolo gruppo di illustrarlo ai compagni.
Uno degli incaricati si può occupare in particolare di leggere ed esporre l'Approfondimento PLUS Le eclissi,integrandolo eventualmente con video didattici disponibili in rete; a titolo di esempio si segnala Eclissi totale di sole Isole Svalbard, girato nel 2017 in occasione dell'eclissi totale di Sole, ed Eclissi solare, che spiega il fenomeno con efficaci animazioni.

Nel corso della lezione tenuta dai ragazzi, l'insegnante potrà rinforzare al bisogno i punti importanti:

• la distinzione tra il modello ondulatorio e quello corpuscolare;
• la natura della luce così come concepita oggi, cioè costituita da fotoni e caratterizzata da un comportamento in parte ondulatorio e in parte corpuscolare;
• la sua velocità, riconosciuta da Einstein come una costante universale, limite superiore di tutte le velocità.

Se lo si ritiene utile e praticabile, si possono inoltre invitare i ragazzi a riprodurre in casa i semplici esperimenti illustrati in Figura 2 per evidenziare la formazione dell'ombra e della penombra: in tal modo potranno cogliere meglio quando si forma la penombra, cioè in presenza di una sorgente luminosa estesa piuttosto che puntiforme, e fare delle riflessioni sul ruolo nei diversi tipi di eclissi.

Paragrafo 2 La riflessione della luce

La spiegazione della legge della riflessione e del meccanismo geometrico della formazione delle immagini su uno specchio piano si può avvalere di diversi materiali:

• la Figura 3 La riflessione su una superficie liscia, disponibile in formato disegno attivo (video), illustra la semplice relazione tra gli angoli espressa nella legge della riflessione;
• la scheda TUTOR Operativamente Immagine prodotta da uno specchio piano spiega passo passo il meccanismo della formazione delle immagini su uno specchio piano; in particolare, illustra come disegnare l'immagine virtuale prodotta da una superficie riflettente piana;
• la scheda Problem solving 1 Un fiore allo specchio propone un problema sulla stessa situazione fisica illustrata nella scheda Operativamente: la sua analisi aiuta i ragazzi ad acquisire un metodo per affrontare problemi di ottica geometrica tipici.

Anche per gli specchi sferici è disponibile del materiale utile per sostenere l’attività didattica a distanza: la scheda TUTOR Operativamente Immagine prodotta da uno specchio sferico e un problema svolto in cui si vedono i concetti della scheda applicati a un problema tipico.
Tutti questi materiali sono fedelmente riportati sulle slide: si suggerisce di analizzarli insieme ai ragazzi nel corso di una lezione sincrona e di chiedere loro di cimentarsi nei Prova tu proposti al termine; quando il quesito comporta la realizzazione di un disegno, si può invitare a fotografare l'elaborato e a condividerlo su una chat di classe.

Infine, l'Approfondimento L’equazione degli specchi e l’ingrandimento di uno specchio riporta l'equazione dei punti coniugati e presenta una sua applicazione in un problema svolto.
Per arricchire la lezione di senso fisico si caldeggia il riferimento ai quesiti dei box Ragiona sui concetti e Real physics: danno valore allo studio mostrando come le leggi fisiche spieghino molti fenomeni che si osservano nella vita di tutti i giorni. Il riflesso della luna e l'effetto della strada bagnata sul bagliore dei fari ne sono due esempi.

Paragrafo 3 La rifrazione della luce

La legge della rifrazione è resa complicata dalla presenza della funzione seno nella sua formulazione matematica. Per aiutare i ragazzi a comprenderne il senso vale la pena di dedicare un po' di tempo a spiegare la definizione e le proprietà delle funzioni goniometriche: si può sfruttare a tale scopo l'Approfondimento Seno, coseno e tangente di un angolo proposto nel testo, da illustrare passo passo nel corso di una videolezione, sincrona o registrata.
Al di là della formula, la spiegazione del fenomeno fisico si può avvalere della Figura 11 Cambiamento di direzione del raggio rifratto, disponibile in formato disegno attivo (video) che mostra la deviazione di un raggio di luce nel passaggio da un mezzo meno denso a uno più denso, e viceversa.
Il Problem solving 2 Una preziosa scoperta aiuta a comprendere il significato della formula applicandola al calcolo della posizione di un oggetto sul fondo del mare, avvistato dall'esterno.
Anche nel caso della rifrazione è utile e interessante considerare i fenomeni che essa è in grado di spiegare nella vita di tutti i giorni. Il quesito Real physics invita i ragazzi a riflettere sul motivo per cui una matita immersa in acqua per metà appare spezzata: si può porre il quesito ai ragazzi, per stimolare un confronto sull'argomento. Allo stesso modo li si può invitare a documentarsi sui miraggi segnalando l'Approfondimento I miraggi.
Quando l'angolo incidente supera un certo valore di soglia non si ha rifrazione, ma riflessione totale: il fenomeno è spiegato nella Figura 15 La riflessione totale, disponibile in formato disegno attivo ed è alla base del funzionamento delle fibre ottiche, di cui si parla diffusamente nella Scheda La fisica risponde Le fibre ottiche, a pag. 230 del testo.
L'argomento si può affidare allo studio di due o tre studenti interessati: si può chiedere loro di documentarsi, preparare delle slide da presentare in una videolezione sincrona o registrata, condotta da loro.

Al termine del paragrafo si suggerisce di assegnare a casa i Primi problemi; alla lezione successiva si può partire da questi per verificare la comprensione dei concetti e risolvere eventuali dubbi con spiegazioni mirate. Se lo si ritiene utile, inoltre, per sostenere lo studio autonomo a casa si può suggerire il video del Politecnico di Milano Riflessione e Rifrazione, che illustra le due leggi di Snell in modo chiaro e del tutto accessibile a studenti di scuola secondaria.

Paragrafo 4 Le lenti

Ora che si conosce il comportamento della luce nel passaggio da un mezzo all'altro, si può affrontare la funzione delle lenti sottili (importante sottolineare in che cosa consiste quest'approssimazione).
La Scheda Operativamente Immagine prodotta da una lente sottile guida passo passo nella costruzione delle immagini prodotte da lenti convergenti o divergenti. Si suggerisce di analizzarla fase per fase e, al termine, di assegnare il Prova tu ai ragazzi. Nell'ambito della scheda si può consultare anche l'Approfondimento Immagini formate da lenti sottili.

Il Problem solving 3 A che distanza è l'oggetto? illustra come applicare l'espressione del potere di ingrandimento e l'equazione delle lenti per determinare il tipo di lente e la distanza focale. Anche in questo caso può essere utile analizzare il procedimento nel corso della lezione e poi assegnare il Prova tu al termine: si può stabilire un tempo e, al suo scadere, chiedere a due o tre ragazzi di esporre il proprio svolgimento.
L'argomento verosimilmente riguarda da vicino diversi studenti e si presta a una "personalizzazione": partendo dall'Approfondimento L'occhio umano e i difetti della vista, si può chiedere ai ragazzi che portano gli occhiali di approfondire le caratteristiche del proprio difetto e informarsi sul tipo di correzione loro prescritta: potrebbero poi fare uno schema della formazione delle immagini per le loro lenti e ricavarne i dati caratteristici.
Per lo studio autonomo a casa, si suggerisce di assegnare i Primi problemi proposti al termine del paragrafo.

Paragrafo 5 Strumenti ottici composti

Il paragrafo su microscopi e telescopi si può affidare allo studio autonomo dei ragazzi. Si può proporre loro, a integrazione della parte istituzionale, una "escursione" tra alcuni siti interessanti:

• il sito della NASA sul Telescopio spaziale Hubble, che riporta video e immagini dello spazio profondo raccolti nei trenta anni di attività del glorioso telescopio;
W. M. Keck Observatory – Overview, che spiega come funziona e come è organizzata l'attività dei telescopi gemelli dell'osservatorio sul monte Mauna Kea;
The Amazing microscopic world, una rassegna di immagini e video ottenute con microscopi ottici, con l'indicazione del potere di ingrandimento utilizzato per ognuno.

Si segnala inoltre, all'interno del paragrafo, il breve Approfondimento La lente di ingrandimento, utile per comprendere il meccanismo di base dell'ingrandimento di qualunque lente convergente.

Paragrafo 6 La dispersione della luce e i colori

Il paragrafo sulla dispersione della luce si può proporre ai ragazzi in modalità di didattica capovolta: se ne può assegnare lo studio a casa a tutti gli studenti e incaricare due o tre di loro di preparare delle slide per illustrare il fenomeno ai compagni in una videolezione, sincrona o registrata. Per prepararsi, gli incaricati possono avvalersi dell'Approfondimento Dispersione dei colori in un prisma e di eventuali materiali integrativi selezionati in rete (con attenzione all'attendibilità delle fonti).

Per il ripasso e la verifica in autonomia

Al termine di ciascuna lezione o di un gruppo di lezioni lo studente può avvalersi di una serie di strumenti multimediali per il ripasso e la verifica, assegnabili di volta in volta al momento opportuno e accessibili dall’ITE (libro digitale).

Per il ripasso è disponibile l’Audiosintesi (testo illustrato + audio) di tutti i paragrafi.

Per l’autoverifica in autonomia è disponibile il Test interattivo di fine capitolo.

E inoltre in My Pearson Place…

Invitiamo a esplorare tutti i materiali associati all’opera in adozione dalla pagina di ingresso al prodotto in My Pearson Place.

Da qui è possibile accedere, in particolare:
• all’intera Guida per il docente in formato PDF;
• a un ricco Crea Verifiche, con il quale comporre verifiche personalizzate, selezionando gli esercizi per argomento e per livello di difficoltà, ed esportando i file in formato .docx;
• al Didastore dove, ad esempio, nell’Area docente sono disponibili le stesse verifiche fornite in Guida in formato editabile (docx) e nella sezione Palestra sono disponibili ulteriori batterie di test, tutti con autocorrezione.

La lezione è offerta dalla redazione di Pearson per le Scienze, il nuovo marchio editoriale per l'area scientifica della Scuola secondaria, nell'ambito del progetto Pearson Kilometro Zero, imparare e formarsi a distanza.

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