La scienza dei colori con i laser, gli orsetti gommosi e gli arcobaleni Teach article

Author(s): Rute C. Félix, David Paleček, Teresa M. Correia

Facciamo luce sulla scienza dei colori: creiamo e combiniamo arcobaleni ed esploriamo come i colori si formano attraverso la riflessione, l’assorbimento e la trasmissione.

Introduzione

In questo articolo, saranno presentate tre attività per aiutare a coinvolgere gli studenti a con il concetto di  colore: come la luce interagisce con gli oggetti e perché i colori appaiono così come sono.

Nell’Attività 1, gli studenti creeranno un arcobaleno con la luce bianca attraverso la rifrazione. L’Attività 2 dimostrerà il processo inverso: come combinare i sette colori dell’arcobaleno per ottenere il bianco. Nell’Attività 3, gli studenti avranno la possibilità di studiare come la luce interagisce con gli oggetti colorati – un aspetto importante in natura, nella ricerca scientifica e nella medicina. Per esempio, il colore verde delle foglie deriva dal fatto che la clorofilla assorbe i colori arancione-rosso e violetto-blu per la fotosintesi, mentre riflette il verde. Inoltre, le lievi variazioni del colore del sangue sono indicative della quantità di ossigeno in esso contenuta, un principio sfruttato da dispositivi i pulsossimetri, utilizzati di routine negli ospedali.[1]

Attività 1: Costruisci il tuo arcobaleno

Isaac Newton dimostrò che la luce bianca poteva essere separata in uno spettro di colori (lunghezza d’onda) con un prisma, proprio come le gocce di pioggia nel cielo agiscono come piccoli prismi, disperdendo la luce bianca per formare un arcobaleno.

Questa scoperta ha posto anche le basi per comprendere la rifrazione. Quando la luce passa con un certo angolo da un mezzo (aria) ad un altro (vetro o acqua), subisce un cambio di direzione, conosciuto come rifrazione, descritta dalla legge di Snell. Inoltre, i materiali hanno indici di rifrazione (n) diversi per i diversi colori; quindi, ciascun colore della luce viene rifratto con una direzione (angolo) leggermente diversa. Le lunghezze d’onda più corte subiscono un cambio di direzione maggiore rispetto alle lunghezze d’onda più lunghe.

La legge di Snell

La legge di Snell afferma che la luce passando da un mezzo n1 con un angolo α1 (angolo di incidenza) rispetto alla normale della superficie cambierà direzione (angolo di refrazione α2) nel medium n2 in un modo che

In altre parole, quando la luce passa in un mezzo con n più alto, si rifrange più vicina alla normale, mentre quando entra in un mezzo con n più basso, si rifrange più lontano dalla normale alla superficie.

L’indice di rifrazione n determina la velocità della luce in quel mezzo. La velocità della luce v è

dove c è la velocità della luce nel vuoto (n=1). La legge di Snell è quindi anche una conseguenza del principio di Fermat, secondo il quale la luce viaggia lungo il percorso che richiede un minor tempo.

Qui proponiamo di utilizzare un contenitore quadrato trasparente riempito di acqua al posto del prisma. Questa modifica dell’esperimento tradizionale con un prisma permette una facile replicazione a scuola e a casa, dove i prismi di vetro non sono facilmente disponibili.

Anche se la parete del contenitore provoca interferenze aggiuntive dove la luce viene rifratta, poiché gli indici di rifrazione della plastica e del vetro sono simili e le pareti sono sottili rispetto al volume di acqua che la luce attraversa, l’effetto della parete di plastica può essere tranquillamente trascurato. Anche se l’allineamento dell’installazione può rappresentare una piccola sfida a causa degli angoli di accettazione limitati del contenitore rettangolare, questo offre l’opportunità di mostrare la riflessione interna totale. Con angoli di incidenza più ampi, il blu non si rifrange dal contenitore dell’acqua, ma subisce una riflessione all’interfaccia contenitore/aria.

Questa attività è adatta per studenti di età compresa tra gli 11 e i 14 anni, o più piccoli, e può durare da 30 minuti ad un’ora.

Materiali

  • Foglio di carta bianca A4
  • Cartone
  • Torcia a luce bianca (cellulare)
  • Un paio di forbici
  • Contenitore quadrato di plastica trasparente o vetro
  • Acqua
  • Fogli di plastica trasparenti colorati

Procedimento

  1. Tagliare una fessura nel cartone larga 1-2 mm e lunga 5 cm. Per il passaggio 7b, è necessaria una seconda fessura larga 5 mm. Può essere in un pezzo di cartone separato, anche se la figura 1 mostra entrambe le fessure in un unico foglio.
  2. Riempire d’acqua il contenitore di plastica (in alternativa al prisma di vetro).
  3. Posizionare la torcia, la fessura e il prisma in linea, in modo che la luce attraversi i due lati vicini del contenitore d’acqua (figura 1).
  4. Seguire la luce che esce dal prisma e posizionare un foglio di carta bianca (con un supporto in piedi o su una parete) per vedere l’arcobaleno.
  5. Cercare di trovare la posizione ottimale in cui l’arcobaleno è più visibile.
  6. Chiedere agli studenti perché la luce si divide nell’arcobaleno passando attraverso il contenitore. Discutere e spiegare i risultati.
  7. Giocare con il setup e discutere ciò che accade con gli studenti::
    1. Rimuovere la fessura. Chiedere agli studenti perché ne abbiamo bisogno.
    2. Cambiare lo spessore della fessura.
    3. Ruotare il prisma/contenitore.
  8. Coprire metà della fessura con un foglio trasparente colorato (figura 1). Chiedere agli studenti cosa vedono sullo schermo bianco. Chiedere agli studenti di spiegare cosa sta succedendo.
Figura 1: Panoramica della configurazione. Una sorgente di luce bianca, in questo caso la torcia di un cellulare, viene filtrata spazialmente da una fessura per formare uno stretto fascio parallelo. Le pareti del contenitore riempito d’acqua agiscono come un prisma e, quindi, la luce viene separata nel suo spettro, che viene poi visualizzato sullo schermo bianco.
Immagine per gentile concessione degli autori

Risultati attesi e discussione

Quando la luce bianca attraversa la fessura e il prisma, lo spettro dei colori dovrebbe essere visibile sullo schermo bianco. La fessura aiuta ad aumentare la separazione tra i colori dell’arcobaleno perché ogni punto attraverso la fessura agisce come una sorgente luminosa, con il risultato di uno sposamento laterale dell’arcobaleno. Se la fessura è troppo ampia, la sovrapposizione degli arcobaleni provocherà un aspetto sfocato. D’altra parte, una fessura più stretta può diminuire il contrasto, quindi è necessario un compromesso. Se si aumenta l’angolo di incidenza della sorgente di luce bianca, si vedrà una separazione più ampia dei colori. Se si aumenta la distanza tra il prisma e lo schermo, si ottiene una separazione migliore dei colori, ma l’intensità è inferiore.

La simulazione del nostro spettrometro è disponibile qui: http://palec.eu.pythonanywhere.com/demo/009.

Attività 2: Fai scomparire un arcobaleno

In questa attività, gli studenti creeranno il loro disco di Newton, che è un semplice strumento per dimostrare il fenomeno della mescolanza dei colori.

Il disco di Newton consiste di un disco rotondo di cartoncino o di carta diviso in sette settori colorati, generalmente nell’ordine dei colori dell’arcobaleno, che viene fatto girare per combinare visivamente i colori al bianco. Si tratta di un modo coinvolgente per far capire agli studenti la relazione tra il bianco e i colori dell’arcobaleno.

Questa attività è adatta per studenti di età compresa tra gli 11 e i 14 anni, o più piccoli, e può durare da un’ora a un’ora e mezza.

Materiali

  • Foglio di carta bianca A4
  • Matite colorate
  • Un paio di forbici
  • Foglio di cartoncino A4
  • Spago

Procedimento

Chiedete agli student di seguire le istruzioni sotto riportate o utilizzare il foglio di lavoro dell’Attività 2.

  1. Disegnare un cerchio sul foglio A4 e dividerlo in sette spicchi uguali.
  2. Colorare gli spicchi del disco con i colori dell’arcobaleno nel seguente ordine: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola.
  3. Incollare il foglio colorato sul cartone e ritagliare il cerchio con le forbici.
  4. Praticare due fori a distanza di 1 cm l’uno dall’altro vicino al centro del disco.
  5. Infilare un pezzo di spago nei fori e fare un nodo per formare un anello.
  6. Inserire un dito in ciascuna estremità del cappio e ruotare il disco più volte sul filo fino a quando il filo non è completamente attorcigliato (Figura 2).
  7. Allontanare le mani per far girare il disco.
Una persona che tiene il disco di Newton con lo spago.
Figura 2: Lo spago attorcigliato prima della rotazione
Immagine per gentile concessione di Tamaryin Godinho

Risultati attesi e discussione

Quando il disco viene fatto girare rapidamente, i colori sembrano fondersi e creano la percezione del bianco o di una tonalità di grigio chiaro (Figura 3). Il fenomeno del disco di Newton è dovuto al modo in cui gli occhi e il cervello elaborano le informazioni sui colori. Quando il disco gira rapidamente, i colori raggiungono i nostri occhi troppo velocemente per essere differenziati e il nostro cervello percepisce la combinazione di questi colori come bianco. In questo caso, quindi, non è la luce a essere mescolata, ma i segnali provenienti dagli occhi. L’effetto ipnotico del disco di Newton lascerà gli studenti sorpresi, come se stessero assistendo a un trucco di magia!

Una persona che tiene e ruota il disco di Newton con lo spago.
Figura 3: Man mano che la velocità aumenta, i colori sembrano mescolarsi nel bianco.
Immagine per gentile concessione di Maria Paola Pisano

Attività 3: Laser e orsetti gommosi

In questa attività gli studenti imparano che il colore di un oggetto è determinato dal modo in cui interagisce con la luce – riflettendo o trasmettendo determinati colori – e quindi il colore contiene informazioni sulle proprietà degli oggetti. Questa attività coinvolge gli studenti collegando i principi scientifici all’esempio reale delle caramelle gommose, rendendo i concetti scientifici deliziosamente divertenti e memorabili.

Figura 4: Materiali usati nell’Attività 3: torcia a luce bianca, puntatori laser rosso e verde, orsetti gommosi rossi e verdi e due caramelle gommose bicolori. Gli orsetti gommosi e le altre caramelle sono posizionati su vetrini di vetro sostenuti da mattoncini Lego.
Immagine per gentile concessione degli autori

Questa attività è adatta per studenti di età compresa tra gli 11 e i 14 anni, o più piccoli, e può durare da un’ora ad un’ora e mezza.

Note di sicurezza

Questa attività sarà sicura alle seguenti condizioni:

  1. Si devono utilizzare solo puntatori laser di classe II. Per definizione, questi hanno una potenza inferiore a 1 mW ed emettono solo nella gamma visibile. I laser di classe II non causano danni a meno che il raggio non venga fissato direttamente.
  2. I laser devono essere maneggiati solo dall’insegnante e nessuno deve stare davanti al laser.
  3. L’istinto naturale di battere le palpebre o di spostare la vista evita il rischio di danni agli occhi.
  4. Dare sempre la priorità alla sicurezza. I laser devono essere acquistati da un produttore legittimo e certificato. In caso di dubbi, si deve presumere che il laser sia più pericoloso di quanto non indichi l’etichetta o il materiale di marketing.
  5. Utilizzare caramelle gommose lisce per evitare il riflesso dei cristalli di zucchero.

Gli studenti non devono mangiare le caramelle gommose utilizzate negli esperimenti. Tuttavia, non esitate ad avere pacchetti extra di orsetti gommosi da condividere con i vostri studenti!

Materiali

  • Orsetti gommosi rossi e verdi e altre caramelle gommose di forme e colori diversi (ad esempio, caramelle gommose bicolori rosse e verdi, come vermi gommosi o fragole)
  • Laser rosso
  • Laser verde
  • Torcia (luce bianca)
  • Mattoncini lego
  • Vetrini da microscopio (per rendere il tutto molto scientifico)

Procedimento

  1. Posizionare quattro o più orsetti gommosi rossi uno accanto all’altro sul vetrino, che viene sollevato dal tavolo con un piccolo blocco (ad esempio, un mattoncino Lego; figura 4). Ripetere l’operazione con gli orsetti gommosi verdi e quelli incolore.
  2. Posizionare un dolce gommoso bicolore, ad esempio una fragola (rossa e verde), su uno dei vetrini. Ripetere l’operazione se si hanno altre caramelle gommose multicolori o due orsetti gommosi di colore diverso, per esempio giallo e rosso.
  3. Illuminare con una luce bianca gli orsetti gommosi verdi dall’alto (figura 5). Chiedere agli studenti di identificare il colore delle ombre proiettate dagli orsetti gommosi e di spiegarne il motivo.
  4. Ripetere l’operazione con gli orsetti gommosi rossi e poi con gli altri colori che si hanno a disposizione.
  5. Chiedere agli studenti che cosa pensano che succeda quando si illumina con il laser verde gli orsetti gommosi verdi, da un lato. Poi, mostrare loro cosa succede illuminando con il laser verde gli orsetti gommosi verdi (figura 6).
  6. Ripetere la procedura descritta al punto 5 usando il laser verde e gli orsetti gommosi rossi.
  7. Ripetere i passaggi 5 e 6 con il laser rosso.
  8. Illuminare con il laser verde il dolce gommoso bicolore del punto 2, dall’alto, puntando sulla regione verde e poi su quella rossa (figura 7). Chiedere agli studenti di spiegare cosa vedono.
  9. Ripetere il passaggio 9 con il laser rosso.

Risultati attesi

Quando si illuminano gli orsetti gommosi verdi con la luce bianca dall’alto, sotto ogni orsetto appare una sagoma o un’ombra. Quest’ombra riproduce il colore dell’orsetto gommoso stesso. Per esempio, l’ombra dell’orsetto rosso appare rossa perché solo la luce rossa viene trasmessa, mentre tutti gli altri colori (lunghezze d’onda) vengono assorbiti.

Due orsetti gommosi seduti tra due lego e illuminati con la luce bianca e che proiettano due ombre.
Figura 5: Le ombre sotto gli orsetti gommosi rosso e giallo quando illuminati dalla luce bianca
Immagine per gentile concessione degli autori

Quando la luce laser verde è diretta verso gli orsetti gommosi verdi, passa, ma gli orsetti gommosi rossi non lasciano passare la luce verde perché assorbono tutti i colori (lunghezze d’onda), tranne il rosso. Il contrario vale per il laser rosso.

Figura 6: La luce verde passa attraverso gli orsetti gommosi verdi, facendo brillare anche gli ultimi della fila. Tuttavia, viene assorbita dagli orsetti gommosi rossi, il che significa che non passa (quasi) nessuna luce. Al contrario, la luce rossa passa facilmente attraverso gli orsetti gommosi rossi ma non attraverso quelli verdi.
Immagine per gentile concessione degli autori

Notare che quando la luce laser verde viene diretta sugli orsetti gommosi verdi, ad esempio, questi mostrano un bagliore verde brillante. Gli orsetti gommosi hanno un certo livello di traslucenza o proprietà di diffusione, che fa sì che la luce venga reindirizzata in varie direzioni all’interno dell’orsetto gommoso invece di viaggiare secondo un percorso rettilineo, dando l’impressione che l’orsetto gommoso stia brillando.

Figura 7: Se si punta il laser verde sulla regione verde del dolce gommoso bicolore, si vedrà la luce verde diffondersi attraverso la parte verde del dolce e si osserverà un bagliore, ma se si punta il laser sulla regione rossa, questo non accadrà, poiché la luce verrà assorbita. Il contrario vale per il laser rosso.
Immagine per gentile concessione degli autori

È importante notare che gli orsetti gommosi non sono perfettamente trasparenti, quindi anche le caramelle gommose dello stesso colore della luce ne assorbiranno una parte. Inoltre, i colori degli orsetti gommosi sono tipicamente ottenuti utilizzando coloranti alimentari e il colore può risultare da una combinazione di diversi coloranti alimentari. Ad esempio, alcuni orsetti gommosi verdi possono essere realizzati con tartrazina (giallo), blu brillante (blu) e aroma di fragola (rosso). Pertanto, questo tipo di caramelle gommose potrebbe non essere il modello ideale di filtro verde.

Riassunto

Questi facili esperimenti pratici, che utilizzano oggetti di uso quotidiano, aiutano gli studenti a comprendere i diversi processi che possono verificarsi quando la luce interagisce con gli oggetti, tra cui l’assorbimento, la riflessione, la rifrazione e la trasmissione. Sebbene gli orsetti gommosi non mostrino lo stesso comportamento ideale di trasmissione/assorbimento dei fogli colorati trasparenti tradizionalmente usati per queste lezioni, essi forniscono un aggancio al mondo reale per catturare l’immaginazione degli studenti e incoraggiarli a riflettere sui colori nel mondo che li circonda e non solo dei setup sperimentali artificiali. Il comportamento leggermente diverso delle caramelle gommose rispetto ai modelli del libro di testo è anche un’opportunità per discutere da dove derivano le differenze e tutte le diverse variabili che possono contribuire al modo in cui gli oggetti interagiscono con la luce. I concetti appresi hanno applicazioni pratiche in vari campi scientifici e promuoveranno il pensiero critico e l’interesse per il mondo della scienza.

Acknowledgments

TMC ha ricevuto finanziamenti dalla Fondazione “la Caixa” e dalla FCT, I.P., con il codice progetto LCF/PR/HR22/00533; dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea, con l’accordo di finanziamento Marie Skłodowska-Curie n. 867450 e dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea, con l’accordo di finanziamento n. 871124.

RCF è stato finanziato dalla FCT, con la “Norma Transitória” – DL57/2016/CP1361/CT0020. TMC, RCF e DP hanno ricevuto finanziamenti dalla Fondazione per la Scienza e la Tecnologia con i progetti UIDB/04326/2020, UIDP/04326/2020 e LA/P/0101/2020.

References

[1] Chan ED, Chan MM, Chan MM (2013) Pulse oximetry: understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations. Respiratory Medicine 107: 789–799. doi: 10.1016/j.rmed.2013.02.004

Resources

Cutting-edge science: related EIROforum research

Laboratorio europeo di biologia molecolare (EMBL)

Un metodo innovativo chiamato Light-Seq sta rivoluzionando la capacità dei ricercatori di studiare i tessuti biologici. Questa tecnica integra perfettamente imaging e sequenziamento, consentendo ai ricercatori di studiare l’espressione genica di cellule specifiche, lasciandole intatte per ulteriori analisi. Il metodo è stato utilizzato con successo per studiare rari tipi di cellule neuronali e promette una nuova era della ricerca, offrendo approfondimenti senza precedenti sui modelli di trascrizione genica a livello subcellulare.

Osservatorio dell’Europa Meridionale (ESO)

La luce è ancora la principale fonte di informazioni per gli astronomi che vogliono saperne di più sull’universo. Osservando le galassie con diversi telescopi, fotocamere e in diversi colori, è possibile risolvere i misteri dell’evoluzione delle galassie. In post del blog ESO scoprirete di più sulle origini della luce all’interno delle galassie, su come possono essere studiate analizzando la luce e su cosa serve per creare queste affascinanti immagini di gigantesche isole di stelle nell’universo.

Author(s)

Rute C. Félix (dottorato di ricerca in scienze biomediche presso il NOVA Institute of Hygiene and Topical Medicine, Portogallo), David Paleček (dottorato di ricerca in chimica fisica presso la Lund University, Svezia) e Teresa M. Correia (dottorato di ricerca in fisica medica presso l’University College London, Regno Unito) sono ricercatori senior presso il Centre for Marine Science Algarve e il Quantitative Bio-Imaging Lab, Portogallo. Utilizzano il bioimaging, comprese varie tecniche di microscopia luminosa, per un ampio spettro di applicazioni, come la cardiologia, l’oncologia e la biologia marina.

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