Arcobaleno con un bicchiere e una fessura
Un bicchiere di vetro pieno d'acqua, messo al sole sul bordo di una finestra o di un tavolo e con una maschera di cartoncino con una fessura, scompone la luce bianca e proietta una striscia di colori di 2–5 cm su un foglio bianco posto a 30–80 cm.
Cosa imparerà
- Che la luce bianca del sole è una miscela di colori e che si può scomporre.
- Che la luce si piega (rifrazione) passando dall'aria all'acqua e dall'acqua all'aria, e che ogni colore si piega in modo un po' diverso (dispersione).
- Che l'ordine dei colori è sempre lo stesso: rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto (il rosso è quello che devia meno).
- Che un fascio di luce stretto dà colori più nitidi, e che allontanando lo schermo i colori si separano di più ma diventano più tenui.
- A collegare l'esperimento con gli arcobaleni nel cielo, i prismi e i CD.
Prepara prima
- Cerca la finestra che riceve sole diretto al mattino presto (finestre a est) o a metà pomeriggio (a ovest). Verifica il giorno prima a che ora entra il sole.
- Stampa i pezzi A e B al 100 %. Incolla la sagoma A sul cartoncino nero e taglia la fessura con il taglierino prima della sessione se i bambini sono piccoli.
- Libera il davanzale o il tavolo: il bicchiere starà sul bordo, quindi metti sotto un asciugamano nel caso cada.
- Tieni pronta una sedia bassa o una scatola accanto alla finestra per appoggiare il foglio se il pavimento è troppo lontano.
Materiali e attrezzi
- Bicchiere di vetro liscio — 1
trasparente, pareti dritte, senza disegni, circa Ø 7 cm × 10–12 cm - Acqua del rubinetto — circa 300 ml
pulita, fino a 1 cm dal bordo - Fogli di carta bianca — 2 (A4)
uno per lo schermo (pezzo B) e uno di scorta - Cartoncino nero o scuro — 1 pezzo di 10 × 12 cm
opaco, per la maschera con la fessura (pezzo A) - Nastro adesivo — 4 pezzi da 3 cm
per fissare la maschera al bicchiere e il foglio alla parete o al pavimento - Matite colorate — 7 colori
rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, blu scuro e violetto - Torcia (facoltativa) — 1
a fascio stretto; va bene quella del cellulare se la stanza è molto buia
Attrezzi
- Taglierino e righello — tagliare la fessura di 3 × 50 mm adulto
- Forbici — ritagliare la maschera e lo schermo
- Righello o metro a nastro — misurare la distanza tra il bicchiere e il foglio e la larghezza dell'arcobaleno
Pezzi e sagome
- A · Maschera con fessura ×1 — cartoncino nero (o cartoncino sottile dipinto di nero)
- B · Schermo per disegnare lo spettro ×1 — carta o cartoncino bianco
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Passo passo
Prepara la maschera adulto
Incolla la sagoma A sul cartoncino nero e ritagliala (100 × 90 mm). Un adulto taglia la fessura di 3 × 50 mm con taglierino e righello, ben dritta.
1 Incolla la sagoma A sul cartoncino nero e ritaglia 100 × 90 mm 2 Un adulto taglia la fessura di 3 × 50 mm con taglierino e righello 3 Guarda una lampada attraverso: si vede una linea di luce sottile e dritta Verifica: Guardando attraverso la fessura verso una lampada, vedi una linea di luce sottile e dritta.Riempi il bicchiere
Riempi il bicchiere di vetro d'acqua fino a 1 cm dal bordo (circa 300 ml). Asciuga bene l'esterno con un panno: le gocce all'esterno deviano la luce.
1 Riempi il bicchiere d'acqua fino a 1 cm dal bordo 2 Asciuga bene il vetro all'esterno con un panno: niente gocce Attacca la maschera al bicchiere
Curva la maschera intorno a metà bicchiere, con la fessura verticale, e fissala con due pezzi di nastro sui bordi. La parte inferiore della fessura deve stare circa 2 cm sopra il fondo del bicchiere. Verso dove guarda esattamente la fessura lo regolerai nei passaggi 5 e 7.
1 Curva la maschera A intorno al bicchiere, sul lato del sole 2 Fissa i bordi con il nastro; la fessura inizia 2 cm sopra il fondo 3 Ben aderente al vetro: senza spazi da cui entri luce Verifica: La maschera resta aderente al vetro senza spazi da cui filtri la luce.Cerca il sole
Cerca una finestra con sole diretto, meglio al mattino presto o a metà pomeriggio, quando il sole è basso e la luce entra inclinata. Con il sole molto alto la luce cade quasi verticale e non attraversa bene il bicchiere.
1 Cerca sole diretto e basso: al mattino presto o a metà pomeriggio 2 Verifica che l'ombra della tua mano sia nitida Verifica: L'ombra della tua mano sul davanzale è nitida (sole diretto, non luce tra le nuvole).Metti il bicchiere sul bordo
Metti il bicchiere sul bordo del davanzale o di un tavolo al sole, con la maschera dal lato del sole ma ruotato in modo che la fessura stia circa 2 cm di lato rispetto al punto rivolto dritto verso il sole. Un fascio che entra proprio dal centro attraversa l'acqua senza deviare e non separa i colori; deve entrare di lato. Il lato opposto del bicchiere deve stare proprio sul bordo, così la luce che esce può scendere sul pavimento senza urtare il telaio.
1 Metti il bicchiere con la fessura verso il sole, su un asciugamano 2 L'altro lato del bicchiere sta proprio sul bordo Trucco: Metti un asciugamano sotto il bicchiere nel caso cada.Posiziona lo schermo
Metti il foglio B sul pavimento, su una sedia o attaccato alla parete dal lato dell'ombra del bicchiere, a circa 30–50 cm. Cerca la striscia di luce che esce dal bicchiere e sposta il foglio finché non ci cade sopra.
1 Metti il foglio B sul pavimento, a circa 30–50 cm dal bicchiere 2 Cerca la striscia di luce e sposta il foglio finché non ci cade sopra Perfeziona l'arcobaleno
Ruota il bicchiere lentamente su se stesso di pochi millimetri alla volta: così la fessura si allontana dal centro del lato del sole e il fascio entra più inclinato nell'acqua; più entra di lato, più devia e più si separano i colori (se esageri, la striscia diventa tenue o scompare). Avvicina o allontana il foglio tra 30 e 80 cm finché la striscia non diventa colori ben separati. Se serve, inclina un po' il bicchiere mettendoci sotto una moneta.
1 Ruota il bicchiere lentamente, pochi millimetri alla volta 2 Avvicina o allontana il foglio tra 30 e 80 cm 3 Rosso a un'estremità e violetto all'altra, in 2–5 cm Verifica: Vedi il rosso a un'estremità e il violetto-blu all'altra, disposti uno accanto all'altro in orizzontale, in una striscia di 2–5 cm.Fai buio intorno
Se i colori si vedono deboli, abbassa un po' la tapparella in modo che il sole entri solo dalla zona del bicchiere, oppure fai ombra al foglio con un cartone. I colori risaltano molto di più.
1 Abbassa la tapparella: il sole deve entrare solo dalla zona del bicchiere 2 Fai ombra al foglio con un cartone: i colori risaltano di più Disegna e misura
Con le matite, colora sul foglio ogni colore proprio dove lo vedi. Annota l'ora e la distanza bicchiere-foglio, e misura con la quadrettatura quanto è largo l'arcobaleno.
1 Colora ogni colore proprio dove lo vedi 2 Annota ora e distanza, e misura la larghezza con la quadrettatura Verifica: Hai annotato i colori in ordine; il rosso è sempre sul lato che ha deviato meno.Prova senza la maschera
Togli la maschera e confronta: con tutto il bicchiere illuminato la striscia è più larga e luminosa, ma i colori si mescolano e il centro appare quasi bianco. Rimetti la maschera per vedere la differenza.
1 Togli la maschera: la striscia è larga e il centro quasi bianco 2 Rimettila: i colori si separano bene
Funziona? La prova
Con il sole a media altezza, bicchiere con maschera con fessura di 3 mm sul bordo della finestra e il foglio a 50 cm.
Cosa deve succedere: Compare una striscia di colori larga 2–4 cm con il rosso a un'estremità e il violetto all'altra, passando per arancione, giallo, verde e azzurro. Allontanando il foglio a 80 cm diventa più larga e più tenue; avvicinandolo a 20 cm si stringe e diventa quasi bianca.
Se qualcosa non va
- Esce solo una macchia di luce bianca — Il fascio è troppo largo o il foglio è troppo vicino. Soluzione: Metti la maschera con la fessura e allontana il foglio a 50–80 cm.
- Con la maschera esce una riga bianca, senza colori — La fessura è rivolta proprio dritta verso il sole: il fascio entra dal centro del bicchiere e lo attraversa senza deviare. Soluzione: Ruota il bicchiere in modo che la fessura stia 2–3 cm di lato e il fascio entri inclinato; continua a ruotare poco a poco finché compaiono i colori.
- Non esce nessuna macchia di luce — Non c'è sole diretto o la luce non attraversa il bicchiere verso il foglio. Soluzione: Verifica che l'ombra della tua mano sia nitida. Ruota il bicchiere e cerca la luce che esce; sposta il foglio su tutto il pavimento e sulla parete.
- I colori sono molto pallidi — Troppa luce ambientale nella stanza. Soluzione: Abbassa la tapparella lasciando entrare il sole solo dalla zona del bicchiere, oppure fai ombra sul foglio.
- L'arcobaleno esce deformato o con righe — Bicchiere con rilievi, graffiato o con gocce all'esterno. Soluzione: Usa un bicchiere liscio e asciuga l'esterno. Un barattolo cilindrico liscio funziona benissimo.
- A mezzogiorno non funziona — Il sole è troppo alto e la luce non entra di lato dalla fessura. Soluzione: Fallo al mattino presto o a metà pomeriggio, oppure inclina il bicchiere verso il sole mettendoci sotto uno spessore.
- Giornata nuvolosa — La luce diffusa arriva da tutte le direzioni e non forma un fascio. Soluzione: Usa una torcia potente in una stanza buia, puntandola sulla fessura da 20 cm.
Sicurezza
- Non guardare mai direttamente il sole, nemmeno attraverso il bicchiere: può danneggiare gli occhi.
- Il bicchiere sul bordo può cadere e rompersi: metti sotto un asciugamano e fallo tenere da un adulto se il davanzale è stretto.
- Il taglierino per la fessura lo usa un adulto, con righello di metallo e tappetino da taglio.
- Un bicchiere d'acqua al sole può concentrare la luce come una lente d'ingrandimento: non lasciarlo incustodito per ore vicino a carte, tende o legno.
- Asciuga l'acqua che cade sul pavimento per evitare scivolate.
La scienza che c'è dietro
Per i bambini
La luce del sole sembra bianca, ma in realtà è una miscela di tanti colori che viaggiano insieme, come una treccia di sette fili. Quando la luce entra di lato nell'acqua del bicchiere, si piega un po' (se entra proprio dal centro, va dritta), e ogni colore si piega in modo diverso: il violetto si piega molto e il rosso poco. Così la treccia si scioglie e ogni colore cade in un punto diverso del foglio. Ecco un arcobaleno!
Per l'adulto
La luce cambia velocità passando da un mezzo all'altro e per questo devia sulla superficie di separazione (rifrazione, legge di Snell: n₁·sen θ₁ = n₂·sen θ₂). L'indice di rifrazione dell'acqua dipende leggermente dalla lunghezza d'onda (dispersione): ≈ 1,331 per il rosso (700 nm) e ≈ 1,343 per il violetto (400 nm). Attraversando il cilindro d'acqua e vetro, che fa insieme da prisma e da lente cilindrica, la luce violetta devia più di quella rossa e il fascio bianco si apre in un ventaglio angolare di 1–2°. A 50 cm di distanza ciò significa 1–2 cm di separazione tra rosso e violetto, più la larghezza propria del fascio. Un raggio che entra dal centro del cilindro arriva perpendicolare alla superficie e non devia; per questo il fascio deve entrare decentrato, e la deviazione e la separazione dei colori aumentano quanto più vicino al bordo entra. Poiché l'asse del bicchiere è verticale, la luce devia solo nel piano orizzontale: i colori restano uno accanto all'altro in orizzontale, in strisce verticali. È essenziale anche la fessura: se il fascio in ingresso è largo (tutto il bicchiere), gli spettri di ogni parte del fascio si sovrappongono e il centro appare bianco; i colori compaiono solo ai bordi. L'arcobaleno nel cielo è lo stesso fenomeno in gocce sferiche, con una riflessione interna: i raggi escono concentrati a circa 42° dal punto opposto al sole. I sette colori con un nome sono una convenzione (Newton); lo spettro è continuo.
- rifrazione: cambio di direzione della luce passando da un materiale a un altro (aria, acqua, vetro).
- dispersione: separazione dei colori perché ognuno devia in modo un po' diverso.
- spettro: la striscia ordinata di colori che compongono la luce bianca.
- prisma: oggetto trasparente che scompone la luce in colori.
- fascio di luce: un getto di luce stretto che va in una direzione.
Per età
- 5–7 anni: L'adulto prepara la maschera e posiziona il bicchiere. Il bambino cerca l'arcobaleno spostando il foglio sul pavimento, dice i colori ad alta voce e li colora. Concentrati su «la luce bianca nasconde dei colori».
- 8–10 anni: Montano tutto (tranne il taglio della fessura), disegnano lo spettro sulla quadrettatura e confrontano con e senza maschera e a varie distanze.
- 11–12 anni: Misurano la larghezza dello spettro a 30, 50 e 80 cm e verificano che cresce in proporzione alla distanza (angolo costante). Calcolano l'angolo di dispersione con larghezza/distanza. Sfida: il prisma d'acqua con specchio.
In gruppo o in classe
Coppie o terzetti, un bicchiere per squadra, usando le finestre soleggiate dell'aula e del corridoio (o il cortile con dei tavoli). Per squadra: 1 bicchiere liscio, 1 maschera con fessura già tagliata, 2 fogli B, matite e un asciugamano. Sessione di 40 min al mattino presto o a metà pomeriggio: 10 min di spiegazione, 20 min di ricerca e disegno dello spettro, 10 min di condivisione confrontando i disegni. Se è nuvoloso, tieni pronte 3–4 torce potenti e oscura l'aula.
Sfide
- Ottieni un arcobaleno largo più di 8 cm in cui si distinguano i sette colori.
- Proietta l'arcobaleno sul soffitto usando uno specchio.
- Costruisci uno spettroscopio con un tubo di cartone, una fessura e un pezzo di CD, e osserva lampadine diverse.
- Riunisci di nuovo i colori in luce bianca con un secondo bicchiere o una lente d'ingrandimento.
- Fai un disco di Newton (cerchio con i sette colori) e fallo girare veloce per vedere quale colore compare.