Scatola oscura che proietta immagini

Cosa imparerà

• Che la luce viaggia in linea retta: i raggi dall'alto e dal basso si incrociano nel foro e l'immagine esce capovolta (ruotata di 180°).
• Che la dimensione dell'immagine dipende dalla distanza: immagine = oggetto × (lunghezza della scatola ÷ distanza dall'oggetto).
• Il compromesso tra nitidezza e luminosità: foro piccolo = più nitido e più scuro; grande = più luminoso e sfocato; esiste una dimensione ottimale (≈ 0,8 mm per 33 cm).
• Che l'occhio umano e le macchine fotografiche sono camere oscure con una lente.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e controlla la linea rossa di 50 mm nell'intestazione di ogni foglio. Misura la tua scatola: se i lati piccoli non sono di 200 × 120 mm, centra comunque le finestre.
• Dipingi l'interno della scatola e del coperchio il giorno prima (o rivestilo con cartoncino nero).
• Scegli una giornata di sole o una stanza con una finestra grande che dia su un esterno illuminato; la stanza deve poter restare in penombra.
• Misura l'ago: tienilo accanto a un righello e guardalo con una lente, oppure usane uno che passi giusto in un foro di 1 mm del cartoncino di prova.

Materiali e attrezzi

• Scatola da scarpe con coperchio — 1
  da adulto, ≈ 330 × 200 × 120 mm, cartone senza fori (chiudi quelli di aerazione con nastro nero)
• Carta da lucido — 1 foglio di 180 × 115 mm
  da disegno tecnico, 90 g
• Carta stagnola (alluminio) — 4 quadrati di 30 × 30 mm
  da cucina, liscia, senza pieghe
• Ago da cucito — 1
  Ø 0,8 mm nella parte spessa (misura il corpo, non la punta)
• Vernice nera opaca — ≈ 50 ml
  tempera nera; se non ne hai, rivesti l'interno con cartoncino o un sacco della spazzatura nero
• Nastro isolante nero — 2 m
  per sigillare le giunture del coperchio e gli angoli
• Cartoncino — 1 foglio A4
  200 g/m², per i 4 portafori
• Cartone ondulato — 1 foglio di 655 × 150 mm
  3 mm, per la visiera
• Colla vinilica o nastro biadesivo — un po'
  per incollare lo schermo e la visiera

Attrezzi

• Taglierino, righello di metallo e tappetino da taglio — tagliare le finestre della scatola e la visiera adulto
• Forbici — ritagliare carta e cartoncino
• Gomma da cancellare o tappo di sughero — appoggio per forare l'alluminio
• Pennello o rullino piccolo — dipingere l'interno
• Matita e righello — segnare le finestre

Pezzi e sagome

• A · Sagoma del lato anteriore ×1 — carta (per segnare sulla scatola)
• B · Portaforo ×4 — cartoncino 200 g/m² (nero o dipinto)
• C · Quadrato di alluminio ×4 — carta stagnola (alluminio)
• D · Sagoma del lato posteriore ×1 — carta (per segnare sulla scatola)
• E · Schermo ×1 — carta da lucido
• F · Visiera ×1 — cartone ondulato 3 mm

Passo passo

1. Oscura l'interno

   Dipingi di nero opaco tutto l'interno della scatola e del coperchio con la tempera, oppure rivestilo con cartoncino nero. Lascia asciugare 30 minuti con la scatola aperta.

   Verifica: Guardando dentro con la luce, non deve restare nessuna zona marrone né scritte stampate.
   Trucco: Il nero opaco evita che la luce rimbalzi all'interno e sbiadisca l'immagine; quello lucido riflette.

2. Taglia la finestra anteriore adulto

   Fissa la sagoma A centrata su uno dei lati piccoli della scatola e taglia con il taglierino la finestra quadrata di 50 × 50 mm. Togli la sagoma.

3. Taglia la finestra posteriore adulto

   Sul lato piccolo opposto, fissa la sagoma D e taglia la finestra di 160 × 100 mm, lasciando una cornice di 20 mm ai lati e 10 mm sopra e sotto.

   Verifica: Le due finestre devono trovarsi una di fronte all'altra, centrate.

4. Metti lo schermo

   Taglia la carta da lucido a 180 × 115 mm. Incollala DENTRO la scatola sopra la finestra posteriore, con nastro o colla sui bordi, tirando delicatamente perché resti liscia come un tamburo.

5. Prepara i portafori

   Ritaglia i 4 portafori B di cartoncino con la loro finestra di 20 × 20 mm e dipingili di nero se sono chiari. Dietro a ognuno incolla un quadrato di alluminio di 30 × 30 mm, ben liscio, con nastro sui 4 lati.

6. Fai i fori adulto

   Appoggia ogni portaforo su una gomma da cancellare. Buca il centro dell'alluminio con l'ago ruotandolo: nel primo solo la punta (≈ 0,5 mm), nel secondo fino alla parte spessa (0,8 mm). Nel terzo e nel quarto, allarga con uno stuzzicadenti (≈ 2 mm) e con la punta di una matita (≈ 4 mm). Scrivi il diametro su ciascuno.

   Verifica: Guarda una lampada attraverso il foro da 0,8 mm: deve vedersi un puntino di luce rotondo, senza sbavature né crepe.

7. Monta il foro da 0,8 mm

   Fissa il portaforo da 0,8 mm all'esterno sopra la finestra di 50 mm, centrato, con 4 pezzetti di nastro di carta. Così potrai cambiarlo con gli altri senza rompere nulla.

8. Sigilla la scatola

   Chiudi il coperchio e metti nastro isolante nero su tutte le giunture del coperchio e sui 4 angoli della scatola. Chiudi anche eventuali fori di aerazione.

   Verifica: Metti dentro una torcia accesa, chiudi e spegni la luce della stanza: non deve uscire luce da nessuna fessura.

9. Monta la visiera adulto

   Segna le pieghe della visiera F a 15, 215, 335 e 535 mm (adattale alla tua scatola), piegala a tunnel e incolla la linguetta. Infilala sul lato posteriore e fissala con nastro nero all'esterno.

   Trucco: Se non vuoi fare la visiera, copriti la testa e la parte posteriore della scatola con un asciugamano scuro.

10. Punta verso una scena luminosa

    Esci in un posto soleggiato o mettiti in una stanza in penombra davanti a una finestra che dia su un esterno illuminato. Punta il foro verso un albero, un'auto o una casa a 3–20 m.

11. Guarda e aspetta

    Appoggia il viso sulla visiera, resta fermo 1–2 minuti perché l'occhio si abitui al buio e guarda lo schermo. Comparirà la scena a colori, a testa in giù e con sinistra e destra scambiate.

    Verifica: Muovi la mano davanti al foro: sullo schermo deve vedersi l'ombra che si muove al contrario.

12. Confronta i fori

    Cambia il portaforo da 0,8 mm con quelli da 0,5, 2 e 4 mm, guardando sempre la stessa scena. Annota quale dà l'immagine più nitida e quale la più luminosa.

13. Fotografa l'immagine

    Infila la fotocamera del cellulare nella visiera, senza flash e in modalità notturna, puntando lo schermo. Appoggia il cellulare perché non si muova durante lo scatto (1–3 s). Ruota la foto di 180° per vederla dritta.

Funziona? La prova

In una giornata di sole, da una stanza in penombra, punta la scatola con il foro da 0,8 mm verso una finestra che dia sulla strada o sul giardino, a 3–5 m. Guarda sotto la visiera dopo 2 minuti di adattamento.

Cosa deve succedere: Si vede la scena esterna a colori, ruotata di 180°, larga circa 8–12 cm sullo schermo, e si vedono muoversi auto, persone o rami. Una finestra di 1,2 m a 4 m occupa ≈ 10 cm. Con il foro da 4 mm l'immagine è più luminosa ma molto sfocata; con quello da 0,5 mm è più scura e leggermente meno nitida che con 0,8 mm.

Se qualcosa non va

• Sullo schermo non si vede niente — Scena poco illuminata o occhio non ancora abituato. Soluzione: Punta verso un esterno soleggiato, usa la visiera o un asciugamano e aspetta 2 minuti.
• Lo schermo appare grigio e sbiadito — Entra luce dalle fessure o dai bordi della visiera. Soluzione: Sigilla giunture e angoli con nastro nero e appoggia bene il viso sulla visiera.
• Si vede una macchia di luce ma non la scena — Foro troppo grande o strappato. Soluzione: Usa il portaforo da 0,8 mm e verifica che il foro sia rotondo; se è rotto, fanne un altro su alluminio nuovo.
• L'immagine è molto scura e un po' sfocata — Foro troppo piccolo (diffrazione) o alluminio stropicciato. Soluzione: Passa al foro da 0,8 mm e liscia l'alluminio.
• Si vedono due immagini — Ci sono due fori (un buco in più o una crepa nell'alluminio). Soluzione: Copri il foro in più con nastro nero.
• Lo schermo si raggrinzisce o si stacca — Colla troppo umida o carta allentata. Soluzione: Incolla con nastro biadesivo, tendendo la carta.

Sicurezza

• NON guardare MAI il sole attraverso il foro né attraverso lenti o tubi: provoca danni permanenti alla retina. Per osservare il sole o un'eclissi, mettiti di spalle al sole e proietta la sua immagine con un cartoncino forato su un foglio bianco.
• Non mettere mai una lente d'ingrandimento o una lente nel foro puntandola verso il sole: concentra il calore e può bruciare la carta da lucido o la scatola.
• Il taglierino lo usa un adulto con righello di metallo e tappetino da taglio.
• L'ago: lo maneggia o lo sorveglia l'adulto; alla fine riponilo infilato in un tappo di sughero.
• Quando guardi sotto la visiera o l'asciugamano all'aperto, fallo in un posto senza traffico né gradini: non camminare mentre guardi.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La luce viaggia sempre in linea retta, come una freccia. La luce che parte dalla chioma di un albero entra dal forellino scendendo e arriva nella parte bassa dello schermo; la luce delle radici entra salendo e arriva in alto. Per questo l'albero compare a testa in giù. Se il foro è piccolo, a ogni puntino dello schermo arriva luce da un solo puntino dell'albero e l'immagine si vede chiara. Se il foro è grande, le luci si mescolano e si vede sfocato. Anche il tuo occhio ha un forellino (la pupilla) e il tuo cervello raddrizza l'immagine.

Per l'adulto

La camera oscura si basa sulla propagazione rettilinea della luce: ogni punto dell'oggetto proietta attraverso l'apertura un piccolo cerchio di luce sullo schermo, e la sovrapposizione di questi cerchi forma l'immagine, capovolta (rotazione di 180°). L'ingrandimento è m = f/D, dove f è la distanza foro-schermo (≈ 330 mm) e D la distanza dall'oggetto. La nitidezza dipende dalla dimensione del cerchio di confusione: geometricamente uguale al diametro del foro d, ma per diffrazione cresce come ≈ 2,44·λ·f/d; il compromesso ottimale è d ≈ 1,9·√(f·λ) ≈ 0,8 mm per f = 330 mm e λ = 550 nm (criterio di Rayleigh). La luminosità è molto bassa: il numero f è 330/0,8 ≈ f/400 (la fotocamera di un cellulare lavora a ≈ f/1,8, circa 50 000 volte più luce per unità di area), per questo servono scene soleggiate e l'adattamento dell'occhio al buio (i bastoncelli impiegano minuti per raggiungere la massima sensibilità). Descritta da Mozi (V sec. a.C.) e da Aristotele, studiata da Ibn al-Haytham (XI sec.) e usata dai pittori fin dal Rinascimento, nel 1826 Niépce fissò su una lastra con bitume la prima fotografia conservata, con una camera oscura dotata di lente. L'occhio è una camera oscura con lente: la pupilla è l'apertura e la retina lo schermo.

• camera oscura: scatola chiusa con un forellino che proietta immagini dell'esterno.
• proiezione: immagine che si forma su una superficie.
• immagine capovolta: immagine girata: ciò che è in alto va in basso e ciò che è a sinistra va a destra.
• nitidezza: quanto appaiono chiari e definiti i contorni di un'immagine.
• pupilla: il forellino nero dell'occhio da cui entra la luce.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia le finestre e fa i fori; il bambino dipinge l'interno, mette il nastro nero e guarda. Gioco: un adulto si muove davanti alla scatola e il bambino dice da che parte lo vede andare.
• 8–10 anni: Fanno tutti i passaggi tranne il taglierino. Confrontano i 4 fori e spiegano con un disegno dei raggi perché l'immagine esce capovolta.
• 11–12 anni: Calcolano il foro ottimale per la loro scatola con d = 1,9·√(f·λ), verificano la dimensione dell'immagine con m = f/D e costruiscono una versione con due scatole scorrevoli per cambiare f. Sfida: ricalcare la scena sullo schermo come un pittore.

In gruppo o in classe

Squadre di 3–4, una scatola per squadra (chiedere le scatole da scarpe una settimana prima). L'adulto taglia finestre e visiere prima della sessione o in postazioni con il taglierino. Sessione 1 (30 min): dipingere l'interno e lasciare asciugare. Sessione 2 (45 min): schermo, portafori e sigillatura; uscita nel cortile al sole o, se non c'è sole, aula al buio per guardare dalla finestra. Rotazione: ogni membro guarda 1 minuto sotto la visiera mentre un altro cambia il foro. Tieni a disposizione molto nastro nero.

Sfide

• Costruisci una camera oscura con due scatole scorrevoli per cambiare la distanza dallo schermo e verificare come cambiano dimensione e luminosità.
• Trasforma un'intera stanza in camera oscura coprendo la finestra con cartone e lasciando un foro di 10 mm: la strada comparirà sulla parete di fronte.
• Ricalca sulla carta da lucido il contorno di un edificio, come i pittori del Rinascimento.
• Metti una lente d'ingrandimento con focale di 30–40 cm al posto del foro (senza puntarla verso il sole): l'immagine sarà molto più luminosa e nitida. Perché?

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