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La difrazion otiche e modalitâts di
aprendiment di bande dai students
Marisa Michelini, Alberto Stefanel
Unitat di Ricercje in Didatiche de Fisiche
DCFA, da l’Universitat dal Friul
via delle Scienze 206, 33100 Udine, Italy
[email protected], [email protected]






Introduzione
Passi del percorso didattico
Contesto della sperimentazione
Materiali di Monitoraggio
Data
Conclusioni
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
2
1. Introduzione
L’ottica fisica e la diffrazione in particulare
dovrebbe essere un ambito rilevante nei curricoli
della scuola secondaria superiore, almeno per tre
diversi ordini di motivi:
- focus sul modello ondulatorio della luce (sulla
natura dell luce)
-Raccordo tra fisica classica e fisica quantistica
Michelini, Stefanel
- Rilevanza in molte applicazioni tecnologiche
(laser; limite di risoluzione degli strumenti ottici)
importanti anche nella vita quotidiana (puntatori
laser, lettori CD e codici a barre, autovelox a
laser)
- Rilevanza in fenomenologie della quotidianità
(diffrazione da piccole aperture, risoluzione
dell’occhio umano, visione dei colori accostati
(come nei quadri dei puntinisti)
DIFRAZION OTICHE
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Le ricerche sull’aapprendimento evidenziano diversi ordini di problemi:
- La tendenza degli studenti ad usare il modello geometrico per interpretare
fenomeni di diffrazione, o modelli ibridi o contraddittori in situazioni diverse
-
(Ambrose et al. AJP, 1999), (Rabe, Mikelskis, Esera Conf. 2006)
(Ambrose et al, AJP, 1999).
Difficoltà a includere in uno schema coerente il concetto di fronte d’onda e il concetto
di raggi (Colin, Viennot 2000)
- difficoltà a considerare un’onda come una perturbazione che si propaga e che
consiste nello spostamento dall’equilibrio del mezzo in cui l’onda stessa si
propaga (Wittmann 1996)
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Nello specifico della diffrazione ottica, i nodi disciplinari alla base
di difficoltà di apprendimento:
Onda come perturbazione che si propaga
Fase, cammino ottico, concetto di fronte d’onda
Ruolo interpretativo del principio di Huygens-Fresnel nel rendere
conto della propagazione delle onde e dei fenomeni che esse
determinano
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Il valore multidimensionale dell’ottica fisica e I probelimi di apprendimemnto richiamati hanno
indirizzato la ricerca a sviluppare proposte didattiche per:
-
Affrontare le difficoltà degli studenti (Wosilait et al.; AJP, 1999)
- Esplorare i fenomeni di diffrazione ottica usando oggetti tecnologici della quotidianità (Hudoba 1996)
per realizzare semplici apparati (O’Connell, Phys. Teach., 1999; Moloney 1999; Beneson, Phys. Teach.,
2000; Chaudhry e Morris 2000; Mirò, Pintò, Esera conf, 2001; Colin, Rodriguez 2002; HernadezAndres et al., AJP, 2002; Wheleer 2004; Vannoni, Molesini, AJP, 2004, Kezerashvili 2004),
-Analisi della fenomenologia usando sensori collegati in linea con
l’elaboratore per costruire leggi descrittive, costruire ponti verso il piano
interpretativo
(Hirata, Girep conf., 1986; Bunch, AJP, 1990; Giugliarelli et al. 1994;
Michelini 1999; Ouseph et al., AJP, 1999; Easton, Phys.Teach., 2001;
Hinrichsen, AJP, 2001; Chauvat et al. 2003; Grove 2003).
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Il nostro approccio consiste nel costruire le leggi empiriche attraverso
l’esplorazione della fenomenologia con sensori collegati in linea con l’elaboratore
Costruire modelli basati su principi primi, utilizzzando il principio di Huygens per
riprodurre le distribuzioni osservate sperimentalmente in situazioni via via più
complesse 8da singola fenditura, da doppia fenditura, la n fenditure, ba bordo, da
un ostacolo sottile
La proposta didattica mira a tre obiettivi:
1) Rendere familiari con i tipici fenomeni
dell’ottica fisica
2) Guadagnare nel processo di costruzione di
modelli
3) Avere esperienza nel processo di costruzione
di interperatzioni, imparare a formulare
ipotesi e confrontarle con gli esiti
sperimentali
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
0 – Attività preliminari
Fenomi di
diffrazione
Evidente
in molte
situazioni
Al bordo di uno schermo
In un piccolo foro praticato in uno scermo
Con una o più fenditure
Con un reticolo di diffrazione Mono o bidimensionale
destra

asse ottico principa
sinistra
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
0 – Attività preliminari
Fenomi di
diffrazione
Evidente
in molte
situazioni
Michelini, Stefanel
Anche nell’arte
DIFRAZION OTICHE
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I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
?
A) Previsione
B) Esperimento
C) Confronto
?
D) Per rendere conto di cosa hai ssrevato nel caso della fenditura da 1 mm:
Come devi modificare le tue ipotesi alla base delle previsioni?
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
I
Per la situazione in cui la luce di un laser incide su una fenditura di 0,24 mm
?
A) Prevedere la distribuzione dell’intensità di luce sullo schermo
B) Effettuare l’esperimento
C) Confrontare previsione ed esperimento. Discutere ipotesi alla base della previsione
D) Analisi qualitativa della distribuzione di diffrazione
(Symmetria; distanze tra minimi, distanze tra massimi, cobfrobto tra intensità dei
massimi, altri aspetti d’interesse
E) Prevederee la distribuzione dell’intensità di luce
I (x)
?
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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x
I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
al PC
Effettuare la misura con
l’uso di sensori on-line
e
Analizzare la distribuzione
di intensità luminosa
Michelini, Stefanel
Gervasio M, Michelini M (2009) Lucegrafo. A Simple USB Data Acquisition
DIFRAZION
OTICHE
12 and
System
for Diffraction
Experiments, MPTL14 Proceeding, CD-ROM
http://www.fisica.uniud.it/URDF/mptl14/contents.htm
I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
Analisi quantitativa della distribuzione di intensità di luce
Xm vs m
XM vs M
xM vs IM
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
 sin z 
I    I o 

 z 
2
a sin 
z

Posizione MINIMI
vs ordine dei minimi
a sin 
 m

a sin   m
L
a
Q
D
Posizione MASSIMI
vs ordine dei massimi
z  tgz
sen  2 M  1

2a
If D>> a  L D
xm  x0

m
D
a
Michelini, Stefanel
xM  x0 

 M
D
a
2a
DIFRAZION OTICHE
x
x0
Intensità dei massimi
vs posizione dei massimi
2
1
I    I 0  
z

 
z     sin   2 M  1
2a
 a 
IM
4
 2
I 0  2 M  12
x  x0
I M 1
 M
IM
xM 1  x0
14
I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica
Modellizzare sulla base del principio di Huygens e fit
dei risultati sperimentali previsti sulla base di un modello
basato sul principio di Huygens-Fresnel.
700
600
500
I (u.a.)
400
Experiment
Model
300
200
100
0
-5
-4
Michelini, Stefanel
-3
-2
-1
0
x (cm)
1
DIFRAZION OTICHE
2
3
4
5
15
Sperimentazioni in scuole con 85 studenti, usando tutorial basati
su strategie Inquiry Based Learning e pre-test, post-test.
Qui si documenta una sperimentazione realizzata con 29 studenti
(due classi di 14 e 15 studenti del Liceo Scientifico di Tarvisio)
•
•
•
•
Classi di medio livello (da valutazione nsegnante di classe)
Nessuna esperienza in laboratorio
Non trattata l’ottica geometrica nel percorso scolastico
Studente di solito abituati a ricercare su Internet informazioni
riguardanti gli argomenti in studio a scuola
Attività proposta:
4 ore di attività laboratoriali condotte in gruppi di 4-5 students.
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Domande di Ricerca
RQ1: Come descrivono gli studenti i fenomeni di
diffrazione che si riconoscono nella quotidianità?
RQ2: Quale è il ruolo dell’esplorazione qualitativa di
fenomeni di diffrazione in situazioni di vita quotidiana e
semplici situazioni sperimentali?
RQ3: Quale è il ruolo di un’analisi quantitativa della
figura di diffrazione di luce laser da singola fenditura?
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Strumenti di monitoraggio
IBL Tutorial worksheets (PEC cycles)
WS1) riconoscimento della diffrazione
Principali caratteristiche in situazioni della quotidianità
Analisi qualitativa
Analisi qualitativa della figura di diffrazione di luce laser
filtrata da una fenditura di largezza a
WS2) EXP: posizione dei minimi vs ordine dei minimi
WS3) EXP posizione dei massimi vs ordine dei massimi;
Esperimenti On line
WS4) EXP: intensità dei massimi vs posizione dei massimi
WS5)EXP: differenti larghezze a, a’ e a’’ e differenti distanze
Modeling WS6) modeling e fit dei dati con modello
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Strumenti di monitoraggio
Pre/Post Test
Michelini, Stefanel
Come cambiano le concezioni degli studenti
sulla diffrazione ottica (estensione e intensione
dei concetti esplorati)
9 quesiti (Q1-Q9) – con 2-3 domande
Q1-2-3: diffrazione nei fenomeni quotidiai
Q4-5-6: analisi qualitativa di figure di
distribuzioni di diffraction prodotte da luce
diffratta da aperture di diversa larghezza (1-2
cm e 1 mm o meno)
Q7: analisi di immagini che riproducono
effettive distribuzioni di diffrazione
Da singola fenditura (larghezza 0,2 mm)
Q8 elaborazione di dati sperimentali
riguardanti intensità e posizione di massimi
Q9 Immagini di diffrazione e richiesta di
rappresentare la distribusione di intensità in
funzione
della posizione in funzione delle
DIFRAZION
OTICHE
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diverse larghezze di fenditura usate
Metodologia
Analisi delle domande aperte secondo I criteri della ricerca
qualitativa
(Erickson, F. 1998; Niedderer, H. 1989; Stephanou A., 1999)
- Risposte interpretative vs risposte descrittive
- Modelli sottesi alle interpretazioni
- Riferimenti concettuali utilizzati
- Tipiche risposte degli studenti
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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WS1.1 Observe a light source through the gap formed between two fingers placed very close.
Describe/illustrate..
Linee // ai bordi
16/29
Perdita di definizione
Bordi sfuocati
Luce sfuocata, oscurata (7/29)
Raggi o fasci diffusi (2/29);
Stefanel
DIFRAZION OTICHE
LaMichelini,
pelle delle
dita sembra fondersi
o le linee tendono a fondersi (4/29);
21
•WS1.2 Situazioni: luce che passa attraverso una fenditura da 5-10 mm e una <1 mm.
Prevedere che cosa ti aspetti di osservare sullo schermo S. Spiegare e illustrare
Previsione
Fenditura Larga (2 cm)
Fenditura stretta (<1 mm )
N
Luce allargata
Luce meno larga
14
La luce rimane la stessa
La luce rimane la stessa
La luce si espande
7
La luce si espande
verticalmente (nella stessa
direzione della fenditura)
6
Più linne all’interno
2
La luce rimane la stessa
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
22
•WS1.2 Situazioni: luce che passa attraverso una fenditura da 5-10 mm e una <1 mm.
Effettuare l’esperimento. Riportare ciò che si osserva e illustrare con uno schizzo
Esperimento
(21/29)
Allargamento
 alla fenditura
Ponti/linee (7/29).
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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L’”allargamento” della distribuzione di luce è l’aspetto maggiormente
evidenziato
Ciò si accompagna al fatto che, la richiesta di spiegare il modello alla
base delle loro previsioni e spiegare il disaccordo con le osservazioni
sperimentali produce solo l’ammissione “non avevo previsto l
diffrazione”
Il ciclo PEC:
- Attiva la competenza di prevedere adegatamente le figure di
diffrazione
- Il riconoscimento che si tratta di un nuovo fenomeno osservato
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
24
C) Quando gli stduenti hanno effettuato previsioni sulla distribuzione
di intensità prodotta dalla luce che ha attraversato una fenditura molto
sottile (0,24 mm):
- 14 studenti: si crea una successione di linee/punti
- 12 allargamento della luce
- 3 nessuna previsione
Osservazione sperimentale:
- 22: si ha la formazione di una successione di linee/punti
- 7 di nuovo solo un allargamento
Il riconoscimento dell’allargamento della distribuzione di intensità
sembra precedere quello del riconoscimento della struttura a
massimi/minimi della distribusione
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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D) Previsione della distribuzione di intensità per feditura dii 0,2 mm
4/12
12/29
2/29
14/29
1/29 NR
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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D) Previsione della distribuzione di intensità per feditura dii 0,2 mm
Linee // al bordo
16/29
10/29
12/29
4/12
2/29
7/29
11/29
Michelini, Stefanel
14/29
DIFRAZION OTICHE
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Rappresentazioni del grafico
sperimentale
28/29
1/29
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
28
Rappresentazioni del grafico
sperimentale
28/29
Previsioni
1/29
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
29
Rappresentazioni del grafico
sperimentale
28/29
Esperimento
1/29
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Analisi della posizione dei minimi vs m effettuata dagli studenti
xm  x0 
 m
D
a
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Analisi della posizione dei massimi vs M effettuata dagli studenti
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
32
Analisi dell’intensità dei massimi in funzione
della loro posizione effettuata dagli studenti
IM  k
 xM
1
2
 x0 
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Information emerging from post- test (administered by teacher in un-controlled way):
Q. Everyday situations where you find diffraction phenomena
- Almost all: examples as that explored during the educational sequence (1 of them
“always when light encounter an obstacle”)
- 9 colored light produced by CD-rom. Or butterlay wings (see wikipedia in Italian)
- 5 recall refraction phenomena (see wikipedia in Italian)
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Informazion che emergono dal test (somministrato dall’insgenante in modo non controllato)
Q. Situazioni della vita quotidiana in cui è evidente la diffrazione
- Quasi tutti: esempi tipo di fenomeni esplorati nel percorso didattico (uno di essI:
“sempre quando la luce incontra un ostacolo”)
- 9: la luce colarta prodotta dai CD, dalle ali di una farfalla (si veda wikipedia in Italiano)
- 5: richiamano il fenomeno della rifrazione (si veda wikipedia in Italiano)
Representazioni di una tipica distrubuzione di diffrazione
- La maggiorparte riporta uan sequenza di punti e traccia una distribuzione
qualitativamente simile a quella osservata sperimentalemente come quelle illustrate
- In singoli casi:
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Dati comuni all’insieme degli studenti di
tutte le sperimentazioni (N=85)
Sperimentazioni nelle scuole.
- corretto andamento qualitativo (>80%)
- relationi tra posizione massimi/minimi position – n ordibe (80%)
- relazione tra intensità e posisione mssimi
o (60%) inverse relations (I=k/(xM-x0)2)
o (40%) inverse relations I=k/(xM-x0)
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Conclusioni
RQ1: Come descrivono gli studenti i fenomeni di diffrazione che si
riconoscono nella quotidianità?
 Più frequentemente come “allargamento” della luce, piuttosto che come
successione di massimi e minimi (spetto che emerege successivamente)
 In qualche sporadico caso nelle descrizioni viene utilizzato il concetto di raggio
 In qualche caso. La diffrazione è associata alla formazione dei colori (non
distinta da rifrazione)
Modifica del percorso didattico:
Michelini, Stefanel
• Includere l’osservazioen qualitativa di
differenti situazioni in cui si ha
diffrazione …
• …ma anche situazioni in cui NON si
ha diffrazione
DIFRAZION OTICHE
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Conclusions
RQ2: RQ2: Quale è il ruolo dell’esplorazione qualitativa di fenomeni
di diffrazione in situazioni di vita quotidiana e semplici situazioni
sperimentali?
L’esplorazione fenomenologica influenza il modo con cui viene
effettuata l’analisi delle misure sperimetali e l’impatto che detta
analisi ha sulle concezioni degli studenti
Modifica del percorso didattico
• Più tempo e attenzione all’esplorazione
fenomenologica e alla discuzzione di ipotesi alla
base delle prevsioni
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
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Conclusions
RQ3: Quale è il ruolo di un’analisi quantitativa della figura di
diffrazione di luce laser da singola fenditura?
- Aspetti caratteristici del fenomeno della diffrazione
(differente attenzione degli aspetti rilevanti)
- Dalla regolarità della distribuzione  come descriverla?
- Il ciclo PEC, l’analisi della distribuzione I=I() attiva un
cambiamento nl modo con cui gli studenti osservano la
fenomenologia della luce, nella capacità di effettuare
prevsiioni corrette…
- Ma non attiva (in modo generalizzato) la necessità di un
cambiamento
di modello
sulla natura
Un’attività
di modeling
e fit della
di datiluce.
con
modello puòDIFRAZION
aiutareOTICHE
gli studenti a cambiare 39il
proprio paradigma sulla natura della luce
Michelini, Stefanel
F Corni, V Mascellani, E Mazzega, M Michelini, G Ottaviani, A simple on-line system employed in diffraction
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http://www.fisica.uniud.it/URDF/secif/ottica/ottica.htm
Michelini, Stefanel
DIFRAZION OTICHE
40
Grazie