La luce

La luce del Sole attraversa circa $150$ milioni di chilometri di spazio praticamente vuoto prima di arrivare sulla Terra.

1. a) La luce ha bisogno di un mezzo materiale per propagarsi?
2. b) Come si chiamano le onde che, come la luce, possono viaggiare nel vuoto?
3. c) Se una stella lontana esplodesse, che cosa percepiremmo dalla Terra: la sua luce, il suo boato o entrambi? Giustifica la risposta.

Non possiamo vedere ciò che c'è dietro un angolo, anche se sentiamo i rumori che provengono da lì.

1. a) Che cosa ci dice questo sul modo in cui si propaga la luce?
2. b) Spiega come si forma l'ombra della tua mano sulla parete.
3. c) Nomina un fenomeno astronomico che si spiega allo stesso modo.

La velocità della luce nel vuoto è $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$.

1. a) Quale distanza percorre la luce in un secondo? Esprimila in metri e in chilometri.
2. b) La circonferenza della Terra misura circa $40\,000\ \text{km}$: quanti giri intorno al pianeta potrebbe compiere la luce in un secondo?

La Luna si trova a circa $384\,000\ \text{km}$ dalla Terra. Quanto impiega la sua luce ad arrivare fino a noi? Esprimi il risultato con una cifra decimale. ($c = 3\cdot10^{5}\ \text{km/s}$.)

La luce del Sole impiega circa $8\ \text{min}$ e $20\ \text{s}$ per arrivare sulla Terra.

1. a) Esprimi quel tempo in secondi.
2. b) Calcola la distanza tra il Sole e la Terra in chilometri, usando $c = 3\cdot10^{5}\ \text{km/s}$, ed esprimila in notazione scientifica.

In una fibra ottica la luce viaggia a $2\cdot10^{8}\ \text{m/s}$.

1. a) Quanto impiega un impulso di luce a percorrere $100\ \text{km}$ di fibra? Esprimi il risultato in notazione scientifica.
2. b) Converti il risultato in millisecondi.
3. c) Spiega perché la fibra ottica trasmette la connessione a internet con un ritardo così piccolo.

Gli astronauti delle missioni Apollo parlavano via radio con il centro di controllo di Houston, e le onde radio viaggiano alla velocità della luce. La Luna si trova a $384\,000\ \text{km}$.

1. a) Quanto impiega una domanda da Houston per arrivare alla Luna?
2. b) Quanto tempo passa, al minimo, tra il momento in cui Houston pone la domanda e quello in cui sente la risposta dell'astronauta?
3. c) Perché diciamo «al minimo»?

Gli astronauti delle missioni Apollo lasciarono pannelli di specchi sulla Luna. Da un osservatorio si invia un impulso laser che si riflette su di essi e ritorna dopo $2,56\ \text{s}$. La Luna si trova a $384\,000\ \text{km}$. Lo schema mostra il percorso dell'impulso di luce.

1. a) Quale distanza totale percorre l'impulso di luce?
2. b) Calcola la velocità della luce che si ottiene con questo esperimento ed esprimila in $\text{km/s}$ e in $\text{m/s}$.
3. c) Spiega perché non si può misurare la velocità della luce con una torcia e un cronometro tra i due lati del cortile della scuola.

Attraversando un prisma, la luce bianca del Sole si scompone in una banda di colori come quella dell'arcobaleno.

1. a) Nomina in ordine i colori di quella banda.
2. b) Quali radiazioni invisibili si trovano oltre il rosso e oltre il violetto? Fai un esempio di applicazione per ciascuna.
3. c) La luce rossa e la luce violetta viaggiano a velocità diverse nel vuoto?

Associa ogni radiazione elettromagnetica alla sua applicazione e scrivi le cinque coppie complete:

1. a) Raggi X.
2. b) Infrarosso.
3. c) Microonde.
4. d) Ultravioletto.
5. e) Onde radio.

Applicazioni: una radiografia in ospedale, il telecomando della TV, riscaldare il cibo nel forno, riconoscere le banconote false e ascoltare la stazione radio dell'auto.

Che cosa hanno in comune tutte queste radiazioni?

Una maglietta appare rossa sotto la luce bianca del Sole.

1. a) Spiega che cosa fa il tessuto con le diverse componenti della luce bianca perché la vediamo rossa.
2. b) Prevedi di che colore apparirà quella maglietta in una stanza illuminata solo con luce verde e giustificalo.
3. c) Di che colore apparirà in quella stessa stanza una maglietta bianca? Motiva la risposta.

La luce rossa ha una lunghezza d'onda di circa $6\cdot10^{-7}\ \text{m}$ e le microonde di un forno di $0,12\ \text{m}$. Tutte le onde elettromagnetiche viaggiano nel vuoto a $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$.

1. a) Calcola la frequenza della luce rossa e quella delle microonde con $c = \lambda \cdot f$.
2. b) Quale delle due ha frequenza maggiore?
3. c) Completa la regola e giustificala con la formula: «a maggiore lunghezza d'onda, $\dots$ frequenza».
4. d) Ordina queste radiazioni dalla frequenza minore alla maggiore: raggi X, infrarosso, luce visibile e onde radio.

Tutte le radiazioni elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità nel vuoto, ma l'energia di ogni fotone aumenta con la frequenza e quelle di frequenza molto alta, come i raggi X, sono molto penetranti.

1. a) Ordina dalla frequenza minore alla maggiore: infrarosso, ultravioletto, luce visibile e raggi X.
2. b) Spiega perché gli occhiali da sole e le creme protettive filtrano soprattutto la radiazione ultravioletta e non quella infrarossa.
3. c) Perché il personale sanitario si protegge dietro un pannello di piombo quando fa le radiografie e si limita il numero di radiografie eseguite su un paziente?
4. d) Le termocamere rilevano l'infrarosso emesso dai corpi caldi: spiega perché servono a individuare persone al buio.

L'anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno: circa $9,5\cdot10^{12}\ \text{km}$. Proxima Centauri, la stella più vicina al Sole, si trova a $4,2$ anni luce.

1. a) Calcola quella distanza in chilometri, in notazione scientifica.
2. b) Quanto tempo impiega la luce di Proxima Centauri per arrivare fino a noi?

La luce di Sirio, la stella più brillante del cielo notturno, impiega $8,6$ anni ad arrivare sulla Terra.

1. a) A quale distanza si trova Sirio, espressa in anni luce?
2. b) Quando la osservi questa notte, vedi Sirio com'è adesso o com'era un certo tempo fa? Spiega la risposta.
3. c) Che cosa intendono gli astronomi quando affermano che guardare lontano con un telescopio significa guardare nel passato?

Calcoliamo quanti chilometri misura un anno luce.

1. a) Quanti secondi ha un anno di $365$ giorni? Esprimilo in notazione scientifica.
2. b) Moltiplica quel tempo per la velocità della luce ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$) e indica la distanza in metri e in chilometri.
3. c) La stella Vega si trova a circa $25$ anni luce: calcola quella distanza in chilometri.

Betelgeuse, una stella della costellazione di Orione, si trova a circa $640$ anni luce e gli astronomi si aspettano che un giorno esploda come supernova.

1. a) Se domani i telescopi osservassero l'esplosione, quando è avvenuta in realtà? Che cosa stava accadendo, approssimativamente, nella storia della Terra in quel periodo?
2. b) Se l'esplosione avvenisse davvero oggi, quando arriverebbe la notizia sulla Terra?
3. c) Spiega perché gli astronomi paragonano l'osservazione di oggetti molto lontani alla ricezione di una lettera scritta molto tempo fa.

Un raggio di torcia incide sullo specchio del bagno formando un angolo di $30^\circ$ con la normale, la retta perpendicolare allo specchio. La figura mostra il raggio incidente sullo specchio.

1. a) Con quale angolo esce riflesso il raggio, misurato rispetto alla normale?
2. b) Enuncia con parole tue la legge della riflessione.
3. c) Disegna sul quaderno lo specchio, la normale, il raggio incidente e il raggio riflesso, e indica gli angoli.

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Un raggio di luce incide su uno specchio piano formando un angolo di $40^\circ$ con la superficie dello specchio. La figura mostra il raggio incidente sullo specchio.

1. a) Quale angolo forma il raggio incidente con la normale?
2. b) Qual è l'angolo di riflessione, misurato rispetto alla normale?
3. c) Disegna la situazione sul quaderno e indica tutti gli angoli.

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Un semplice periscopio ha due specchi piani paralleli, ciascuno inclinato di $45^\circ$ rispetto all'orizzontale, uno in alto e uno in basso nel tubo. La figura mostra il periscopio con i suoi due specchi.

1. a) Disegna sul quaderno il percorso di un raggio di luce che entra orizzontalmente dallo specchio superiore fino a raggiungere l'occhio, applicando la legge della riflessione su ciascuno specchio.
2. b) Quale angolo forma il raggio con la normale su ciascuno specchio? Di quanto ruota il raggio a ogni riflessione?
3. c) Spiega perché il raggio che arriva all'occhio è orizzontale e parallelo a quello entrato.
4. d) Cita un'applicazione pratica del periscopio.

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Una cannuccia in un bicchiere d'acqua sembra spezzata proprio in corrispondenza della superficie dell'acqua. La figura mostra ciò che si osserva.

1. a) La cannuccia è davvero spezzata? Spiega che cosa succede.
2. b) Che cosa accade alla luce che proviene dalla parte immersa della cannuccia quando passa dall'acqua all'aria?
3. c) Come si chiama questo fenomeno?

La luce viaggia nell'acqua a circa $225\,000\ \text{km/s}$, più lentamente che nell'aria, dove va a circa $300\,000\ \text{km/s}$. La figura rappresenta il cambiamento di direzione del raggio nel passaggio dall'aria all'acqua.

1. a) Calcola quante volte la luce è più veloce nell'aria che nell'acqua, con una cifra decimale.
2. b) Passando dall'aria all'acqua, il raggio di luce si avvicina alla normale: collega questo cambiamento di direzione al cambiamento di velocità e nomina il fenomeno.
3. c) Spiega con ciò perché una cannuccia in un bicchiere d'acqua sembra spezzata.

Un pescatore in piedi sulla riva vede un pesce sott'acqua.

1. a) I raggi di luce che escono dal pesce passano dall'acqua all'aria, dove viaggiano più velocemente: si avvicinano o si allontanano dalla normale uscendo in superficie?
2. b) Il nostro cervello interpreta che la luce sia arrivata in linea retta: spiega perché il pesce sembra più vicino alla superficie di quanto sia in realtà.
3. c) Disegna sul quaderno i raggi e la posizione apparente del pesce.
4. d) Perché, per pescare con l'arpione, bisogna mirare più in basso rispetto a dove si vede il pesce?

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Dopo un temporale estivo, con il Sole basso alle tue spalle e la pioggia davanti, compare l'arcobaleno.

1. a) Spiega che cosa succede alla luce del Sole quando entra in ogni goccia di pioggia, quando arriva alla parte posteriore della goccia e quando ne esce, nominando i fenomeni coinvolti.
2. b) Ogni colore si rifrange con un angolo leggermente diverso: come si chiama la separazione della luce bianca nei suoi colori?
3. c) Spiega perché, per vedere l'arcobaleno, il Sole deve essere dietro di te e la pioggia davanti.
4. d) L'arco si vede perché solo le gocce situate a un certo angolo rispetto alla direzione del Sole ti rimandano la luce: spiega perché ciò disegna una curva.

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Sfida del tema. Progetta un piano di ottimizzazione acustica e luminosa per la tua zona di studio a casa. Segui queste quattro fasi:

1. Contestualizzazione: consulta i livelli di rumore raccomandati dall'OMS ($55\text{ dB}$) e la radiazione solare media del tuo comune sul sito dell'ente meteorologico, giustificando la necessità di regolare l'energia ondulatoria incidente.

2. Sperimentazione casalinga: usa un'applicazione gratuita per smartphone (fonometro o luxmetro). Scegli una sorgente fissa (altoparlante che emette un tono costante o lampada) e misura il livello sonoro ($\text{dB}$) o l'illuminamento ($\text{lx}$) a cinque distanze diverse ($d \pm 0,02\text{ m}$, tra $0,50\text{ m}$ e $2,50\text{ m}$). Ripeti ogni misura tre volte per determinare il valore rappresentativo e la sua incertezza.

3. Trattamento dei dati: costruisci una tabella con i tuoi risultati e rappresenta il grafico della grandezza misurata in funzione della distanza (per il suono, converti prima i $\text{dB}$ in intensità con $I = I_0\cdot 10^{L/10}$, $I_0 = 10^{-12}\text{ W/m}^2$) e confrontalo con il modello ideale $I \propto 1/d^2$. Interpreta la curva spiegando come si propaga l'energia dell'onda senza spostare materia e come intervengono l'assorbimento e la riflessione.

4. Proposta motivata: elabora una breve relazione (una pagina) con due misure di miglioramento per la tua camera basate sulle proprietà della luce e del suono.

Verranno valutati:

• Rigore sperimentale nella raccolta delle misure, nel calcolo delle incertezze e nella realizzazione di tabella e grafico.

• Corretta applicazione delle leggi e delle proprietà delle onde, del suono e della luce.

• Fattibilità e fondamento scientifico della proposta di sistemazione.