Scatola per vedere lo spettro della luce

Cosa imparerà

• Che la luce bianca è una miscela di colori e che una rete di solchi finissimi (1,6 µm in un CD) la separa per diffrazione.
• Che ogni sorgente di luce ha il proprio spettro: continuo (sole, lampadina a incandescenza, candela), a righe (tubo fluorescente, lampioni) o a due «gobbe» (LED bianco).
• Perché una fessura stretta dà colori nitidi e una larga li sfoca.
• A osservare, disegnare e confrontare i risultati in modo ordinato, come fa un astronomo con le stelle.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e controlla con un righello che la base (A) misuri 160 mm.
• Taglia il CD in quarti prima della sessione: scalda per un minuto le forbici in acqua calda o il CD con l'asciugacapelli, e taglia con un colpo solo perché non si scheggi. Se lo strato argentato si stacca, quel quarto non va bene.
• Se vuoi dipingere l'interno, fallo il giorno prima oppure usa carta nera incollata con la colla stick (non bisogna aspettare).
• Tieni pronte almeno due sorgenti di luce diverse: una lampadina LED, un tubo o una lampadina fluorescente a basso consumo e, se puoi, una candela o una lampadina a incandescenza.

Materiali e attrezzi

• Cartone ondulato — 1 foglio di 35 × 35 cm (o una scatola di almeno 15 × 7,5 × 8,5 cm)
  a onda singola, 3 mm; se usi una scatola già fatta (del tè, di scarpine, di biscotti) ti servono solo le sagome di carta per segnare
• CD vecchio — 1 (basta un quarto)
  CD registrabile o musicale che non serve più; la faccia lucida senza graffi nella zona centrale del raggio
• Cartoncino nero — 1 pezzo di 10 × 10 cm
  200 g/m², per le due ganasce della fessura
• Nastro isolante nero o nastro americano nero — 1 rotolo (circa 2 m)
  opaco; per sigillare tutte le giunture
• Vernice nera opaca o carta nera — tempera nera (circa 30 ml) o 2 fogli A4 neri
  per l'interno: evita riflessi indesiderati
• Colla vinilica o stick di colla a caldo — un po'
  per il supporto del CD e per unire i pannelli
• Fogli A4 e colla stick — 2 fogli A4
  per stampare le sagome al 100 %
• Matita bianca o gesso — 1
  per ripassare le linee della base A se restano coperte dalla vernice

Attrezzi

• Forbici robuste — tagliare il CD in quarti e i pezzi di cartoncino adulto
• Taglierino, righello di metallo e tappetino da taglio — tagliare la finestra della fessura e il foro del visore adulto
• Righello e matita — segnare le linee e controllare la fessura di 1 mm
• Goniometro — verificare che il supporto formi 30° con l'asse
• Pistola per colla a caldo (facoltativa) — fissare il supporto del CD alla base della scatola adulto
• Pennello — dipingere l'interno di nero

Pezzi e sagome

• A · Base (con schema di posizionamento) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Parete laterale del visore ×1 — cartone ondulato 3 mm
• C · Parete laterale cieca ×1 — cartone ondulato 3 mm
• D · Parete anteriore (fessura) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• E · Parete posteriore ×1 — cartone ondulato 3 mm
• F · Coperchio ×1 — cartone ondulato 3 mm
• G · Ganasce della fessura ×2 — cartoncino nero 200 g/m²
• H · Supporto del CD ×1 — cartone ondulato 3 mm

Passo passo

1. Taglia i pannelli

   Incolla le sagome dalla A alla F sul cartone con la colla stick e taglia i sei pannelli: base 160 × 80 mm, due laterali di 160 × 90 mm, fronte e fondo di 80 × 90 mm e coperchio di 166 × 86 mm.

   Trucco: Se hai una scatola di dimensioni simili, usala e incolla solo le sagome di carta per segnare la finestra, il visore e la linea del supporto.

2. Apri la finestra e il visore adulto

   Incolla la sagoma D sulla faccia interna della parete (da dentro, B alla tua destra). Con taglierino e righello, taglia nella parete D la finestra di 5 × 40 mm e nella parete B il foro del visore di 15 mm di diametro (centro a 115 mm dal bordo anteriore e a 45 mm dalla base).

   Verifica: Il visore deve essere a metà altezza e la finestra con il centro a 45 mm dalla parete del visore.

3. Fai la fessura di 1 mm

   Taglia le due ganasce G di cartoncino nero con il bordo lungo ben dritto. Incollale all'esterno sopra la finestra, una di fronte all'altra, lasciando tra i bordi dritti uno spazio di 1 mm, centrato sulla finestra di 5 × 40 mm. Fissa ogni ganascia con due strisce di nastro nero sui bordi esterni.

   Verifica: Guarda una lampada attraverso la fessura: devi vedere una linea di luce sottile, dritta e della stessa larghezza dall'alto in basso.
   Trucco: Infila un biglietto da visita piegato in due tra le ganasce mentre le incolli e toglilo dopo: lascia uno spazio uniforme.

4. Dipingi l'interno di nero

   Dipingi di nero opaco la faccia interna dei sei pannelli (o incolla carta nera). Sulla base A, dipingi intorno alle tre linee disegnate lasciando una striscia di 2–3 mm non dipinta, oppure dipingila tutta e, quando è asciutta, ripassale con righello e matita bianca: ti servono nei passaggi 5 e 8. Lascia asciugare 20 minuti. Senza il nero, la luce rimbalza sulle pareti e lo spettro appare sbiadito.

   Verifica: Sulla base A dipinta devono vedersi la linea della luce, quella di vista e la linea inclinata del supporto.

5. Monta la scatola senza coperchio

   Disponi le quattro pareti intorno alla base A (con la faccia dipinta verso l'interno) e uniscile all'esterno con strisce di nastro nero sui quattro spigoli verticali e lungo la base. La parete B (visore) va sul lato superiore della sagoma della base.

   Verifica: La linea della luce disegnata sulla base deve puntare al centro della fessura.

6. Prepara il quarto di CD adulto

   Prendi un quarto di CD tagliato dall'adulto. Se ha un'etichetta o un adesivo sul retro, lascialo; non grattare lo strato argentato. Pulisci la faccia lucida con un panno asciutto, senza toccarla con le dita.

   Trucco: Per tagliare il CD, l'adulto lo scalda 1 minuto con l'asciugacapelli e lo taglia con forbici robuste: si scheggia molto meno.

7. Incolla il CD sul supporto

   Taglia il supporto H (65 × 100 mm) e segna la piega a 85 mm. Incolla il quarto di CD con la faccia lucida verso l'esterno seguendo il disegno: l'angolo del CD (il centro del disco) sul bordo sinistro, a 42,5 mm dal bordo superiore.

   Verifica: Guardando il punto rosso («luce qui»), le tracce del CD (sottili linee circolari che vedi in controluce) devono andare dall'alto in basso.

8. Posiziona il supporto a 30° adulto

   Piega la linguetta di 15 mm all'indietro e incolla il supporto in piedi sulla linea inclinata della base, con il CD rivolto verso la fessura e la parete del visore. Il bordo con l'angolo del CD va verso il fondo, vicino alla parete B.

   Verifica: Con il goniometro, il supporto forma 30° con la linea della luce. Il punto rosso resta all'incrocio tra la linea della luce e la linea di vista.

9. Prima occhiata con la scatola aperta

   Punta la fessura verso una lampadina accesa a 30–50 cm e guarda dal visore con la scatola ancora senza coperchio (copri la parte superiore con la mano). Devi vedere una banda di colori sul CD.

   Verifica: Se vedi solo un riflesso bianco, ruota leggermente il supporto di 5–10° perché il CD guardi di più verso la fessura; se non vedi niente, ruotalo un po' verso il visore.
   Trucco: Questo è il momento di regolare: con il coperchio messo non si può più.

10. Chiudi la scatola

    Metti il coperchio F e fissalo con due strisce di nastro nero che facciano da cerniera. Copri con il nastro tutte le fessure da cui entra luce, tranne la fessura di 1 mm e il visore.

    Verifica: In una stanza illuminata, guardando dal visore e coprendo la fessura con il dito, l'interno deve apparire completamente nero.

11. Osserva e confronta

    Punta la fessura verso lampade diverse (LED, basso consumo, incandescenza) e verso il cielo azzurro dalla finestra, mai verso il sole. Guarda dal visore ruotando un po' la scatola finché la banda di colori è più brillante.

12. Disegna gli spettri

    Per ogni luce, disegna con le matite colorate una banda di 10 cm: viola a sinistra, rosso a destra. Segna le righe brillanti che vedi e annota di quale lampada si tratta.

Funziona? La prova

In una stanza in penombra, punta la fessura verso una lampadina fluorescente a basso consumo a circa 40 cm e guarda dal visore.

Cosa deve succedere: Devi vedere una banda di colori dal viola al rosso sul CD (occupa circa 12–15° del tuo campo visivo, come la larghezza di una mano a braccio teso). Con la fluorescente si distinguono delle righe: una viola, una verde molto brillante (546 nm del mercurio) e una arancione-rossa; con una lampadina a incandescenza o una candela, la banda è continua; con un LED bianco, molto blu e una zona giallo-verde larga.

Se qualcosa non va

• Vedo solo un riflesso bianco — Il CD è troppo ruotato verso il visore (per esempio a 45°): arriva il riflesso a specchio. Soluzione: Apri il coperchio e ruota il supporto di circa 5–10° perché il CD guardi di più verso la fessura; verifica i 30° con il goniometro.
• Non vedo nessun colore — Le tracce del CD non sono parallele alla fessura, oppure la luce non arriva al CD. Soluzione: Verifica che l'angolo del CD sia a metà altezza sul bordo del supporto e che la linea della luce sulla base passi per il punto rosso. Guarda attraverso la fessura da fuori con il coperchio aperto per vedere dove cade la luce.
• I colori escono sfocati e senza righe — Fessura troppo larga (più di 1,5 mm) o bordi irregolari. Soluzione: Avvicina le ganasce fino a lasciare 0,5–1 mm. Se i bordi sono sfilacciati, taglia ganasce nuove con il taglierino.
• Lo spettro appare molto debole e grigio — Entra luce dalle giunture o l'interno non è nero. Soluzione: Sigilla con nastro nero tutte le giunture e dipingi o rivesti l'interno di nero. Guarda coprendo con la mano il resto dell'occhio.
• Lo spettro esce storto o curvo — Le tracce sono inclinate rispetto alla fessura. Soluzione: Una leggera curva è normale. Se è molto storto, stacca il CD e ruotalo finché l'angolo resta proprio all'altezza del punto di luce.
• Il CD si è scheggiato o separato a strati — È stato tagliato a freddo o con forbici piccole. Soluzione: Usa un altro quarto. Scalda il CD 1 minuto con l'asciugacapelli e taglia con un colpo solo con forbici robuste.

Sicurezza

• Non puntare mai la fessura verso il sole e non guardare il sole: può danneggiare la retina senza fare male. Per lo spettro solare, punta verso il cielo azzurro lontano dal sole o verso un foglio bianco illuminato.
• I bordi del CD tagliato sono taglienti come il vetro: lo taglia l'adulto, che poi passa sul bordo una carta vetrata fine o del nastro.
• Il taglierino lo usa un adulto con righello di metallo e tappetino da taglio.
• Non avvicinare la scatola a meno di 10 cm da lampadine alogene o a incandescenza: scaldano il cartone.
• Se usi una candela, sempre con un adulto e lontano dal cartone (ad almeno 30 cm).

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La luce bianca di una lampada sembra di un solo colore, ma in realtà è una miscela di tanti colori insieme, come una zuppa di lettere. Il CD ha dei solchi così sottili che non li vedi, e quando la luce rimbalza su di essi ogni colore esce in una direzione un pochino diversa. Per questo i colori si separano e compare l'arcobaleno. Ogni lampada ha la sua ricetta di colori: alcune li hanno tutti, altre solo pochi, come se fosse la loro impronta digitale.

Per l'adulto

Un CD ha una traccia a spirale con un passo di 1,6 µm (≈ 625 linee per mm), quindi la sua faccia incisa agisce come un reticolo di diffrazione a riflessione. L'equazione del reticolo è sen θm = sen θi + m·λ/d: ogni lunghezza d'onda esce con un angolo diverso. Con la luce che incide a 60° dalla normale, il primo ordine (m = −1) esce a ≈ 82° dal fascio per il viola (400 nm), 88° per il verde (550 nm) e 95° per il rosso (700 nm), cioè quasi perpendicolare verso il visore; l'ordine zero (riflesso speculare, bianco) esce a 60° e non entra nell'occhio. Con il CD a 45° lo speculare va dritto nel visore e lo spettro risulta spostato di 18–30°. La fessura stretta fa sì che ogni punto del CD riceva la luce da una sola direzione: più è stretta, migliore è la risoluzione (ma minore la luminosità). Le sorgenti termiche (sole, incandescenza, candela) danno uno spettro continuo; i gas eccitati (mercurio delle fluorescenti, sodio dei lampioni) emettono righe a lunghezze d'onda fisse, proprie di ogni elemento; un LED bianco è un LED blu (≈ 450 nm) con fosforo giallo, da qui le sue due gobbe. Così si analizzano le stelle: le loro righe di assorbimento rivelano di quali elementi sono fatte.

• spettro: la banda di colori che compongono una luce, ordinati dal viola al rosso.
• diffrazione: deviazione della luce quando passa o rimbalza su solchi finissimi; ogni colore devia in modo diverso.
• reticolo di diffrazione: superficie con migliaia di solchi paralleli e uguali, come le tracce di un CD.
• fessura: apertura strettissima che lascia passare un filo sottile di luce.
• lunghezza d'onda: la «dimensione» dell'onda di luce; ogni colore ha la sua (viola corta, rosso lunga).

Per età

• 5–7 anni: L'adulto costruisce la scatola e taglia il CD. Il bambino dipinge l'interno, attacca il nastro e, soprattutto, guarda e disegna: «che colori ha questa luce?». Usate una candela e una fluorescente perché la differenza sia molto chiara.
• 8–10 anni: Costruiscono la scatola seguendo le sagome; l'adulto taglia CD, finestra e visore. Lascia che regolino loro l'angolo del supporto fino a vedere i colori e che disegnino lo spettro di tre lampade.
• 11–12 anni: Sfida: calibrare la scala. Usando la riga verde della fluorescente (546 nm) e quella blu (436 nm), disegnare un righello di lunghezze d'onda su un foglio incollato all'interno e stimare dove si trova il rosso. Calcolare con l'equazione del reticolo gli angoli per CD e DVD.

In gruppo o in classe

Coppie, una scatola per coppia (12 scatole per 24 bambini). Prima: tagliare i CD (3 CD danno 12 quarti), pretagliare i pannelli o raccogliere scatole del tè della stessa misura, stampare le sagome e preparare 3 postazioni di luce nell'aula in penombra: LED, fluorescente e finestra con cielo. Sessione di 75 min: 10 min di dimostrazione, 40 min di montaggio, 25 min di rotazione tra le postazioni disegnando spettri. Confrontate i disegni alla lavagna.

Sfide

• Aggiungi all'interno, accanto al CD, una scala di carta traslucida con tacche da 400 a 700 nm calibrata con le righe della fluorescente.
• Fotografa lo spettro appoggiando la fotocamera del cellulare al visore.
• Scopri lo spettro di un lampione di notte (quelli al sodio danno una riga gialla intensa).
• Costruisci una versione tascabile con un tubo di carta da cucina e un pezzo di DVD separato a strati (reticolo a trasmissione).

Altri progetti gratis

• Arcobaleno con un bicchiere e una fessura
• Disco rotante dei colori
• Microscopio a goccia
• Lanterna delle ombre di Halloween
• Periscopio a specchi
• Piramide per ologrammi
• Proiettore di costellazioni
• Proiettore per cellulare con lente d'ingrandimento
• Scatola oscura che proietta immagini
• Tubo di specchi e colori

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