Obiettivo

Interpretazione delle figure e degli spazi di luce prodotti nelle più diverse situazioni attraverso i modelli di sorgente puntiforme, sorgente estesa, raggio di luce.
 

Materiale

• Quattro lampadine a piccolo filamento con sostegno (possibilmente luci da lettura)

• Una lampadina a filamento esteso visibile attraverso il bulbo, con sostegno

• Lumino, candela

• Colapasta metallico

• Talco, gesso, ….. cancellino, piumino da talco

• Fogli di carta e cartoncino bianchi

• Schermi di legno, metallo o cartoncino spesso con fori di varie forme e dimensioni (ad esempio fermalibri in metallo già traforati o tavolette di legno sottile o cartoncino da intagliare[1] con piccoli attrezzi)

• Spilli, chiodini

Come procedere

1. In un ambiente oscurato porre la lampadina o il lumino, accesi, sotto un colapasta di metallo[2]. Esplorare lo spazio circostante con fogli di cartoncino bianco, lasciando cadere gesso o talco.

2. In un ambiente oscurato porre la lampadina accesa su un tavolo su cui sia appoggiato uno schermo forato, con dimensioni del foro di qualche cm. Esplorare lo spazio posto dietro lo schermo con fogli di cartoncino bianco; variare la posizione della sorgente rispetto al foro. Ripetere l’esperienza con fori di forma diversa.

3. Ripetere le esperienze del punto 2 utilizzando successivamente due, tre, quattro lampadine a piccolo filamento e infine la lampadina a filamento esteso. Utilizzare fori di dimensioni superiori alla massima distanza fra le sorgenti utilizzate.

4. Ripetere le esperienze del punto 3 utilizzando fori di piccole dimensioni (da un centimetro a un foro di ago) e di forme diverse.

5. Ripetere l’esperienza del punto 1 con la lampadina a filamento esteso e con la candela.

Cosa si vede

1. Sui fogli si vedono macchie di luce di forma circolare o ellittica. Allontanando i fogli le dimensioni delle macchie aumentano e la loro intensità diminuisce. Riempiendo lo spazio circostante di particelle di varia natura si ha la percezione di fascetti conici di luce che escono a raggiera dai buchi del colapasta.
2. Sul foglio bianco si vede una macchia di luce, di forma e dimensione variabile al variare della posizione del foglio. In particolare: 
   • mettendo la lampadina in posizione centrale rispetto al foro, disponendo il foglio parallelamente allo schermo forato e allontanandolo dalla sorgente, si vede la macchia di luce allargarsi progressivamente mantenendo la stessa forma del foro
   • spostando la lampadina più in alto (più in basso) la macchia che si vede sul foglio si sposta più in basso (più in alto) rispetto al caso precedente
   • spostando la lampadina verso destra (sinistra) la macchia si sposta verso sinistra (destra).
3. Con due lampadine affiancate, uno schermo con foro grande e un foglio disposto parallelamente allo schermo, si vedono due macchie di luce che hanno forma corrispondente a quella del foro. Al variare della distanza tra le sorgenti varia la distanza tra le macchie di luce che per piccole distanze possono sovrapporsi in misura più o meno grande, dando origine a zone di diversa intensità luminosa. Se il foglio si avvicina molto al foro le due macchie luminose si sovrappongono quasi completamente.
   All’aumentare del numero delle sorgenti aumenta il numero delle figure luminose, producendo una macchia che ha forma corrispondente a quella del foro e presenta, intorno ad una zona centrale più intensamente illuminata, “cornici” di illuminazione decrescente. Le “cornici” hanno una maggiore estensione nella direzione parallela a quella in cui sono disposte le sorgenti.
   Utilizzando la lampadina a filamento esteso, la macchia di luce risulta formata da una parte centrale fortemente illuminata di forma corrispondente a quella del foro contornata da una zona di intensità digradante verso l’esterno che rende la macchia di luce “sfocata” (a contorni non netti). La figura appare netta solo se il foglio è molto vicino al foro.

4. Utilizzando più lampadine e fori piccoli, la disposizione spaziale delle macchie di luce riproduce “invertita” (alto-basso; destra-sinistra) quella delle sorgenti, come appare particolarmente evidente nel caso di una disposizione asimmetrica (ad esempio a L).
   Utilizzando la lampadina a filamento esteso e un foro più piccolo del filamento, la forma della figura luminosa corrisponde alla forma del foro solo se il foglio è molto vicino al foro. Allontanandolo si vede invece una macchia luminosa di forma corrispondente a quella del filamento invertito.Osservando attentamente le figure invertite prodotte dagli schermi con foro di piccole dimensioni e forme diverse, si può notare che la forma del filamento risulta dalla giustapposizione/sovrapposizione di più macchie a forma del foro.

5. Utilizzando il colapasta si riproduce, per ogni foro, la situazione già vista al punto 4. Quando la sorgente è la candela si nota che le macchie a forma di fiamma sono capovolte.

Sorgente puntiforme
Sorgente estesa
Candela

Conclusioni e interpretazione

I conetti di luce che si “vedono” uscire dai buchi del colapasta suggeriscono che la luce emessa da una piccola lampadina si possa immaginare costituita da fascetti contigui, disposti a raggiera intorno al filamento, visualizzabile come un punto (sorgente puntiforme), che riempiono lo spazio circostante.
Si può parlare di “raggi” intendendo conetti così stretti da ridursi praticamente al loro asse.
Attraverso il foro passa un fascio di luce delimitato dai raggi che “sfiorano” il contorno del foro; le figure luminose si possono immaginare come  il risultato dell’intersezione tra piano del foglio e spazio occupato dalla luce.
Quando vi sono più lampadine a piccolo filamento nella stessa porzione di spazio, si possono incontrare “senza disturbarsi” i fasci provenienti da due o più di esse. In questo caso la forma della macchia corrisponde all’insieme delle macchie prodotte dall’intersezione di ognuno dei fasci col piano del foglio. La macchia appare divisa in zone di differente luminosità a seconda del numero di fasci che vi si sovrappongono.
Le normali lampadine utilizzate nelle lampade da tavolo o nei lampadari emettono luce da un filamento incandescente molto più lungo, che si può immaginare formato da una distribuzione continua di punti-sorgente (sorgente estesa). Utilizzando un foro di dimensioni maggiori dell’estensione del filamento, al di là di esso c’è sempre una zona di sovrapposizione dei fasci provenienti da tutti i punti del filamento. L’intersezione di questa zona con il piano del foglio dà origine alla parte centrale fortemente illuminata della macchia.
Utilizzando un foro di dimensioni minori dell’estensione del filamento la zona di sovrapposizione dei fasci provenienti da tutti i punti del filamento va progressivamente restringendosi dietro il foro. Al di là di questa zona i fascetti provenienti da singole porzioni del filamento si separano, dando origine sul foglio alle piccole macchie di luce giustapposte/sovrapposte, ciascuna di forma corrispondente alla forma del foro, che nel loro insieme riproducono invertita la forma del filamento. Questo fenomeno è alla base del funzionamento dell’occhio e della camera oscura (vedi l'esperienza 2 di "L’occhio: funzionamento e visione", nel sito del progetto SET "Luce, colore ed energia").

Foro circolare	Foro quadrato