La rifrazione è la piegatura della luce (succede anche con il suono, l’acqua e altre onde) quando passa da una sostanza trasparente in un’altra.
Questa piegatura per rifrazione ci rende possibile avere lenti, lenti di ingrandimento, prismi e arcobaleni. Anche i nostri occhi dipendono da questo piegamento della luce. Senza rifrazione, non saremmo in grado di mettere a fuoco la luce sulla retina.
Il cambiamento di velocità provoca un cambiamento di direzione
La luce si rifrange ogni volta che viaggia ad angolo in una sostanza con un diverso indice di rifrazione (densità ottica).
Questo cambiamento di direzione è causato da un cambiamento di velocità. Per esempio, quando la luce passa dall’aria all’acqua, rallenta, facendola continuare a viaggiare con un angolo o una direzione diversa.
Quanto si piega la luce?
La quantità di curvatura dipende da due cose:
- Cambiamento di velocità – se una sostanza fa sì che la luce acceleri o rallenti di più, si rifrangerà (curverà) di più.
- Angolo del raggio incidente – se la luce entra nella sostanza con un angolo maggiore, anche la quantità di rifrazione sarà più evidente. D’altra parte, se la luce entra nella nuova sostanza da dritto (a 90° rispetto alla superficie), la luce rallenterà ancora, ma non cambierà affatto direzione.
Indice di rifrazione di alcune sostanze trasparenti
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Sostanza |
Indice di rifrazione |
Velocità della luce nella sostanza |
Angolo di rifrazione se |
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Aria |
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Acqua |
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Vetro |
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Diamante |
Tutti gli angoli sono misurati da una linea immaginaria tracciata a 90° rispetto alla superficie delle due sostanze.
Se la luce entra in una sostanza con un indice di rifrazione più alto (ad esempio dall’aria nel vetro), rallenta. La luce si piega verso la linea normale.
Se la luce viaggia entra in una sostanza con un indice di rifrazione più basso (come dall’acqua nell’aria) accelera. La luce si allontana dalla linea normale.
Un indice di rifrazione più alto mostra che la luce rallenta e cambia direzione di più quando entra nella sostanza.
Lenti
Una lente è semplicemente un blocco curvo di vetro o plastica. Ci sono due tipi di lenti.
Una lente biconvessa è più spessa al centro che ai bordi. Questo è il tipo di lente usato per una lente d’ingrandimento. I raggi di luce paralleli possono essere focalizzati in un punto focale. Una lente biconvessa è chiamata lente convergente.
Una lente biconcava curva è più sottile al centro che ai bordi. I raggi di luce si rifrangono verso l’esterno (si allargano) quando entrano nella lente e di nuovo quando escono.
La rifrazione può creare uno spettro
Isaac Newton fece un famoso esperimento usando un blocco triangolare di vetro chiamato prisma. Usò la luce del sole che entrava dalla sua finestra per creare uno spettro di colori sul lato opposto della sua stanza.
Questo esperimento dimostrò che la luce bianca è in realtà composta da tutti i colori dell’arcobaleno. Questi sette colori sono ricordati dall’acronimo ROY G BIV – rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola.
Newton dimostrò che ognuno di questi colori non può essere trasformato in altri colori. Ha anche dimostrato che possono essere ricombinati per fare di nuovo luce bianca.
La spiegazione della separazione dei colori è che la luce è fatta di onde. La luce rossa ha una lunghezza d’onda più lunga della luce viola. L’indice di rifrazione della luce rossa nel vetro è leggermente diverso da quello della luce viola. La luce viola rallenta ancora di più della luce rossa, quindi viene rifratta con un angolo leggermente maggiore.
L’indice di rifrazione della luce rossa nel vetro è 1,513. L’indice di rifrazione della luce viola è 1,532. Questa leggera differenza è sufficiente perché le lunghezze d’onda più corte della luce vengano rifratte di più.
Gli arcobaleni
L’arcobaleno è causato dal fatto che ogni colore si rifrange con angoli leggermente diversi mentre entra, si riflette all’interno e poi lascia ogni piccola goccia di pioggia.
Un arcobaleno è facile da creare usando una bottiglia spray e il sole. Il centro del cerchio dell’arcobaleno sarà sempre l’ombra della tua testa sul terreno.
L’arcobaleno secondario che a volte si può vedere è causato da ogni raggio di luce che si riflette due volte all’interno di ogni goccia prima di uscire. Questa seconda riflessione fa sì che i colori dell’arcobaleno secondario siano invertiti. Il rosso è in cima all’arcobaleno primario, ma nell’arcobaleno secondario il rosso è in fondo.
Idee di attività
Utilizza queste attività con i tuoi studenti per esplorare ulteriormente la rifrazione:
- Indagare la rifrazione e la pesca subacquea – gli studenti puntano le lance su un modello di un pesce in un contenitore d’acqua. Quando muovono le lance verso il pesce, lo mancano!
- Sfida con la calcolatrice dell’angolo di rifrazione – gli studenti scelgono due tipi di sostanza trasparente. Poi inseriscono l’angolo del raggio incidente nella calcolatrice del foglio di calcolo e l’angolo del raggio rifratto viene calcolato per loro.
- Luce e vista: vero o falso? – Gli studenti partecipano a un’attività interattiva ‘vero o falso’ che mette in evidenza le concezioni alternative comuni sulla luce e la vista. Questa attività può essere svolta individualmente, a coppie o come classe intera.
Link utili
Per saperne di più sui diversi tipi di arcobaleno e su come si formano consultare il sito Atoptics – Rainbows reflect and Rainbow orders.
Impara di più su lenti umane, ottica, fotorecettori e percorsi neurali che permettono la visione attraverso questo tutorial da Biology Online.