POSTAZIONE 8: VERSO IL FUTURO, LASER, FIBRE OTTICHE

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APPROFONDIMENTI

1. Risposta alle domande

La luce ci porta la musica?

La luce ci aiuta a comunicare?

Cosa sappiamo: la musica prodotta da uno strumento o dalla voce di un cantante ci arriva dall’aria, ma

quella della radio, della TV o degli altri apparecchi prima di essere trasmessa alle nostre orecchie dall’aria

passa anche attraverso fili elettrici sotto forma di corrente elettrica o nell’aria come onde

elettromagnetiche.

Anche la luce fa parte delle onde elettromagnetiche e quindi è possibile modulare la luce come si fa per

trasmettere la musica o la voce con le onde radio o TV. Per fare questo occorre che il segnale che esce da

un apparecchio riproduttore, nel nostro caso attraverso il cavo collegato alla presa dell’auricolare, faccia

variare l’intensità del raggio di luce in modo da seguire esattamente le variazioni della corrente in uscita,

ovvero quelle della musica. Quando il raggio raggiunge il pannello solare, la corrente che esce dal pannello

ripete esattamente l’andamento della corrente che esce dall’apparecchio iniziale. Il sistema riproduttore-

laser-pannello solare- amplificatore è in grado di riprodurre la musica come se l’apparecchio di partenza

fosse collegato direttamente all’altoparlante o all’auricolare.

Nell’esperimento si collega un riproduttore di musica (lettore di CD o radio o anche un telefonino) a un

dispositivo costruito apposta che contiene un laser. La luce prodotta dal laser sembra costante ma in

effetti segue l’andamento della musica, anche se non lo vediamo, e varia seguendo il segnale uscito dal

riproduttore. Quando la luce raggiunge il pannello solare, la corrente prodotta dal pannello non è costante,

ma riproduce esattamente quella immessa nel dispistivo che contiene il laser e quindi collegando il

pannello all’amplificatore noi sentiamo la musica uscire dalle casse. Mettendo un ostacolo sul cammino

della luce del laser la musica si interrompe. Se facciamo vibrare un elastico sul percorso del raggio, il suono

prodotto sembra quello di una chitarra elettrica.

Come per la musica, qualsiasi segnale elettrico può essere trasformato in un impulso luminoso e

trasportato a distanza attraverso dei fili. Il vantaggio è che mentre la corrente che percorre i fili li scalda, la

luce può essere trasmessa velocemente interagendo poco con la materia. Occorrono naturalmente dei

materiali trasparenti per far passare la luce. Questi materiali sono quelli utilizzati per le fibre ottiche che

sono ormai diffuse in tutto il mondo: tutte le nostre telefonate e le trasmissioni di dati per i computer

viaggiano come impulsi luminosi nelle fibre ottiche.

I LASER, inventati nel 1961 da Theodore Harold Maiman producono una luce di un solo colore

(monocromatica), molto concentrata e “coerente”, ovvero tutte le particelle di luce partono insieme e non

casualmente come nelle altre sorgenti di luce. Sono utilizzati in tantissime applicazioni e probabimente tutti

ne abbiamo qualcuno in casa nei lettori di CD o DVD o in una stampante. Sono poi ormai indispensabili in

medicina, ad esempio per le operazioni agli occhi, e nell’industria microelettronica e micromeccanica.

Le fibre ottiche sono percorse dalla luce da un capo all’altro grazie a un comportamento tipico della

propagazione della luce che si chiama “riflessione totale”. In generale quando la luce passa da un mezzo

trasparente a un altro cambia di direzione, ad esempio dall’aria all’acqua o dall’aria al vetro. Questo

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fenomeno si chiama “rifrazione” ed è il fenomeno per il quale vediamo l’arcobaleno o funzionano le lenti

degli occhiali. Quando la luce passa dall’aria al vetro, il raggio viene deviato con un angolo minore rispetto a

quello con cui arriva (figura 1) e una parte della luce viene anche riflessa. Nel passaggio inverso vetro-aria

l’angolo invece diventa maggiore e allora esiste un angolo (angolo limite) oltre il quale la luce non esce più

dal vetro e viene riflessa al suo interno (figura 2). Nelle fibre ottiche e nelle guide di luce, la luce entra da

un’estremità ed esce dall’altra, mentre all’interno è continuamente riflessa totalmente (figura 3).

figura 1: http://www.mineraldata.org/mineral/generalita/proprieta_ottiche

figura 2: http://www.openfisica.com/fisica_ipertesto/openfisica1/riflessione_totale.php

figura 3: http://astro1.phys.uniroma1.it/tacor/lezlab3/foto/lez5/guidaluce1.png

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2.Che cosa ne pensano Gaia e Fiammetta

Hai visto? Siamo lanciati verso il futuro, nuove invenzioni stanno risolvendo tutti i nostri

problemi.

In viaggio verso al futuro

Negli ultimi anni si sono sviluppate diverse nuove tecnologie e le innovazioni si susseguono a ritmi sempre

più rapidi. Alcuni esempi li troviamo nel campo dei laser e delle fibre ottiche.

Il laser e i diversi usi

Come già accennato, il laser, il cui nome è un acronimo di “light amplification by stimulated emission of

radiation”, è un dispositivo che serve per ottenere dei fasci intensi ed estremamente concentrati di

radiazioni elettromagnetiche coerenti nei campi infrarosso, visibile e ultravioletto. (Fonte enciclopedia

Treccani). Viene usato per vari scopi e usi e ne esistono di diversi tipi. Ad esempio nel campo medico in

oftalmologia per correggere difetti quali miopia e stigmatismo, nel settore delle telecomunicazioni per

trasferire grandi quantità di dati tramite le fibre ottiche.

Il laser viene impiegato anche nei lettori per “leggere” CD e DVD e per la scrittura dei supporti nei

masterizzatori o per la creazioni di ologrammi nella tecnica di foto 3D.

Nell’industria lo si usa invece ad esempio per tagliare i metalli, anche spessi, o per effettuare delle misure di

estrema precisione.

Curiosità

Il Laser aveva una storia già lunga alle spalle quando, nel 1960, la sua invenzione fu sancita da un brevetto e

dai primi prototipi funzionanti. Quello che non era ancora del tutto chiaro era a cosa servisse. Una famosa

definizione di quegli anni ne parlò come di “una soluzione in cerca di un problema”. Controllare in quel

modo il comportamento della luce era chiaramente un prodigio tecnologico, ma che utilità poteva avere?

Nel giro di poco più di un decennio, però, i suoi “problemi” da risolvere il laser li avrebbe trovati eccome. Il

“trucco” è scegliere, a seconda dell’applicazione desiderata, la giusta lunghezza d’onda del raggio, andando

da un “innocuo” laser a luce visibile, come quelli dei pointer utilizzati dai conferenzieri, fino ai laser a

infrarossi usati nei processi industriali. (Fonte enciclopedia Treccani)

Le fibre ottiche

Le fibre ottiche non sono altro che dei cavi dentro ai quali viaggia la luce. Sono sempre più utilizzati e

stanno sostituendo poco a poco i vecchi cavi telefonici. Attraverso le fibre ottiche passano le informazioni

utilizzate dai computer e da internet, dalle televisioni e dai moderni telefoni. Rispetto ai cavi telefonici le

fibre ottiche hanno il vantaggio di poter trasportare molte più informazioni in meno tempo.

Ma come sono fatte?

Le fibre ottiche sono formate da tre “tubi” inseriti uno nell’altro. Nel tubo centrale, detto “nucleo” viaggia

la luce. Gli altri due strati sono dei rivestimenti. Le fibre ottiche sono molto sottili e vengono perciò

raggruppate in diverse unità all’interno dei cavi.

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Curiosità

Le fibre ottiche vengono usate anche in campo medico, ad esempio per alcuni esami. Essendo molto fini e flessibili possono essere introdotte nel corpo umano ed essere utilizzate per ispezionare aree interne del nostro corpo illuminandole con la loro luce e impiegando una telecamera posta al loro apice. (Fonte

enciclopedia Treccani).

Attenta però non è tutto così facile. Ogni nuova invenzione porta anche nuove sfide.

Fibre ottiche, computer, smartphone… informazioni sempre più veloci portano tante novità

e vantaggi, ma anche rischi e complicazioni. Anche le innovazioni più moderne e, apparentemente o

concretamente più ecologiche, nascondono sfide vecchie e nuove. È ad esempio il caso delle fibre ottiche in

grado di portare moltissime informazioni in modo rapido e sicuro che però devono essere posate in luoghi

non facili da raggiungere e da gestire, come il fondo dell’oceano. Una tecnologia innovativa e con un

impatto ambientale ridotto che però deve affrontare le insidie della natura. Se un cavo sottomarino si

rompe, gli effetti possono essere importanti (blocco delle informazioni) e farsi sentire anche in luoghi molto

lontani. Per ripararli servono navi particolari, forza e ingegno dell’uomo.

Inoltre, non è sempre detto che sappiamo usare al meglio ciò che le nuove tecnologie ci offrono, come

tutti dobbiamo imparare ad usare i nuovi mezzi a disposizione in modo che siano utili e non provochino

danni all’ambiente , ma anche a chi le impiega. È il caso soprattutto di internet e dei social media diffusi

ormai ovunque grazie alle nuove tecnologie come le fibre ottiche.

Autostrade di fibre ottiche: “alta tecnologia” e “problemi normali”

Per far giungere in tutto il mondo in modo rapido continuativamente più informazioni, si devono posare

sempre più fibre ottiche. Vi sono già oggi migliaia e migliaia di cavi “appoggiati” sui fondali marini in quelle

che vengono definite le “dorsali transoceaniche”. Il motivo è semplice: le comunicazioni via cavo

permettono velocità di connessioni molto migliori rispetto a quelle effettuate via satellite. Nonostante

quindi la presenza di una nuova tecnologia i problemi che si devono affrontare sono quelli “classici”.

Fonte: (http://espresso.repubblica.it/polopoly_fs/1.140036.1383590087!/httpImage/image.jpg_gen/derivatives/articolo_648/image.jpg)

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Cavi sottomarini presenti in mari e oceani

Anche se la rottura di uno di questi cavi non è molto facile, essa può essere causata ad esempio da eventi naturali come terremoti o scosse di assestamento, oppure semplicemente da navi o pesci che possono arrecare dei danni. In caso di deterioramento o rottura di questi cavi i disagi causati alla comunicazione possono essere notevoli; dai rallentamenti alle linee internet e telefoniche fino a danni economici dovuti proprio al mancato passaggio delle informazioni (blackout). Non si possono inoltre escludere anche attività di sabotaggio, difficili da prevenire. La sostituzione dei cavi danneggiati non è facile, impone infatti lavori importanti e tempi relativamente lunghi e vengono impiegare navi speciali sia per posare i cavi nell’oceano sia per la manutenzione. Informazioni sempre più rapide e una vita sempre più “in linea”

Saper gestire le opportunità che queste nuove tecnologie offrono non è sempre così evidente, vi sono infatti dei rischi non trascurabili dalla dipendenza digitale, dall’uso improprio dei dati, al mobbing fino al cyber bullismo. È quindi importante saper sfruttare le opportunità e affrontare i rischi.

• Dipendenza: I ragazzi passano sempre più tempo davanti al computer collegati in internet, in media due

ore al giorno (studio JAMES 2012). La rete e i giochi online attraggono sempre di più. Attenzione però

perché un loro impiego eccessivo può portare a dipendenza e di conseguenza una riduzione del

rendimento scolastico, il progressivo ritiro dalla vita sociale, il sovraffaticamento per la scarsità delle

ore di sonno, una riduzione dei contatti con i coetanei e la mancanza d’interesse per altre attività

creative. (Fonte: Giovani e media – Programma nazionale per la formazione delle competenze

mediatiche)

• Abuso dei dati: Molti persone, fra i quali giovani e bambini, mettono i propri dati personali e le proprie

immagini su internet e social network. Questo gesto può mettere a rischio la nostra privacy e generare

degli abusi. Ad esempio, alcune applicazioni memorizzano di nascosto i nostri dati personali, altri usano

la funzione di geo-localizzazione presenti negli smartphone o nei tablet individuando così la posizione

delle persone e allestendo dei profili dei loro spostamenti. Alcune informazioni poi possono essere

registrate e impiegate per personalizzare i risultati dei motori di ricerca o altro. Infine, non si deve

dimenticare che i dati restano in rete per anni visibili a tutti grazie ai motori di ricerca.

• Cyberbullismo: Negli ultimi anni a fatto il suo ingresso nel mondo dei giovani anche questo nuovo

fenomeno. In pratica si tratta dell’impiego di internet e dei social media per diffondere immagini,

messaggi diffamatori con lo scopo di danneggiare l’immagine e la reputazione del destinatario. Il

danno può essere molto grave perché l’immagine e la reputazione di chi ne è colpito può essere

danneggiate in una comunità molto ampia. Inoltre i contenuti, una volta messi online, possono

riapparire più volte in luoghi differenti.

Conclusione

In conclusione, in questa breve storia della luce e delle tecnologie a lei associate, abbiamo potuto dare uno

sguardo agli sforzi e alle invenzioni dell’uomo che gli hanno permesso di migliorare la qualità della vita in

modo sorprendente. Senza le scoperte e l’ingegno di numerose persone non saremmo infatti arrivati dove

siamo ora. Tuttavia, ogni nuova invenzione porta con sé non solo dei vantaggi, ma anche delle nuove sfide.

Dobbiamo essere in grado di riconoscerle e di affrontarle senza mai pensare di aver trovato la “soluzione

miracolosa” che risolverà tutti i problemi. Come abbiamo visto, ogni conquista o innovazione umana ha da

una parte migliorato la vita delle persone e dall’altra avuto degli impatti negativi. Con l’accelerazione

dell’innovazione questi aspetti vengono sempre più accentuati e la sfida futura sarà quella di riuscire non

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solo ad avere a disposizione tecnologie sempre più “pulite” e disponibili a tutti, ma anche saperle utilizzare

in modo intelligente affinché migliorino davvero la qualità di vita di tutti noi, ovunque viviamo.

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3. Cosa fare in classe

Nell’esperimento della postazione è possibile trasmettere della musica attraverso un raggio LASER. Da un

Ipod o da un telefonino esce una debole corrente elettrica che segue l’andamento della musica, questa

normalmente viene trasformata in musica dagli auricolari. Nel nostro caso invece è trasformata in luce da

un LASER e poi di nuovo in corrente da un pannello solare che è nella cassa acustica amplificata. La musica

si può fermare con una mano oppure con un pettine usato come un seghetto ma non c’è proprio modo di

tagliarla! Sul sito www.teachersource.com vendono un dispositivo (modulated laser) già pronto da

collegare al telefonino.

Occorre ricordare che i laser possono essere pericolosi se utilizzati in modo improprio e quando il raggio

colpisce gli occhi direttamente, o riflesso da uno specchio, possono verificarsi dei seri danni. Per questo

non suggeriamo in questo testo degli esperimenti con i laser da mostrare in classe, ma solo con le fibre

ottiche.

La lampada a fibre ottiche è costituita da un fascio di fibre sottili che

sono illuminate da una lampadina posta dove tutte le fibre sono

riunite. La luce percorre ciascuna fibra e troviamo la sua estremità

illuminata come se vi fosse posta una piccola lampadina puntiforme.

Due esperimenti per ottenere delle guide di luce con una lampadina tascabile:

1. Una biro tipo cristal

Smontare la biro estraendo il refil e avvolgerla in un foglio di carta scuro. Illuminare con la lampadina una

estremità della biro e vicino all’altra posizionare un foglio di carta. Si potrà osservare come la luce viene

trasmessa dalla plastica trasparente.

2. Una bottiglia di pet piena d’acqua

Immagine http://invitoallanatura.it/assets/toys06.jpg

Appoggiare la lampada sul fondo della bottiglia. Praticare un piccolo foro nel

tappo. Quando l’acqua esce dal foro “trascina” con se la luce della lampada: è una

guida di luce! L’esperimento riesce meglio oscurando la bottiglia e lasciando il

fondo libero sul quale appoggiare la lampadina.

Questo esperimento può essere fatto anche con un laser da un adulto :

https://www.youtube.com/watch?v=zPgHgLC2CRs

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Per approfondire

Parte scientifica

DE MARTINO, Roberto. Storia della fibra ottica [documento pdf]. In : sito dell’Istituto Nazionale di Fisica

Nucleare, Sezione di Napoli. Anno scolastico 2007-2008. Disponibile all’indirizzo :

http://people.na.infn.it/~murano/SICSI-VIII/DeMartino.pdf (consultato il 02.10.2015)

EDUCATIONALS INNOVATIONS. Modulated laser [pagina web]. In : sito di Educationals Innovations.

Copyright 2015. Disponibile all’indirizzo : http://www.teachersource.com/product/modulated-laser/light-

lasers (consultato il 02.10.2015)

MANDOLINI, Stefania. Approfondimento : Le fibre ottiche. In : Le parole della fisica. Bologna : Zanichelli,

2012. Disponibile all’indirizzo : http://online.scuola.zanichelli.it/mandoliniparole-

files/approfondimenti/vol2_approfondimento10.3_fibre_ottiche.pdf (consultato il 02.10.2015)

SINI, G. Pietro. Le fibre ottiche [documento pdf]. In : Fun science gallery : the amateur scientist’s site.

Ultimo aggiornamento 09.09.2015. Disponibile all’indirizzo: http://www.funsci.com/fun3_it/sini/eo/o7-

fibre%20ott.pdf (consultato il 02.10.2015)

UNIVERSITÀ LA SAPIENZA. Guide di luce [pagina web]. In : Laboratorio di Astrofisica. [s.d.] Disponibile

all’indirizzo: http://astro1.phys.uniroma1.it/tacor/lezlab3/fibre.html (consultato il 02.10.2015)

Visibile e invisibile, Olmes Bisi, Sironi, 2011

Parte ambientale

FREDIANI, Carola. Ecco l'internet dei cavi sottomarini : tra geopolitica e velocità della rete [articolo

elettronico]. In : L’Espresso. Data di pubblicazione 29.08.2014. Disponibile all’indirizzo :

http://espresso.repubblica.it/visioni/tecnologia/2014/08/29/news/ecco-l-internet-dei-cavi-sottomarini-tra-

geopolitica-e-velocita-della-rete-1.178225 (consultato il 02.10.2015)

GIOVANI E MEDIA. Cellulari e smartphone onnipresenti [pagina web]. In : sito di Giovani e media : programma nazionale per la promozione delle competenze mediali. Copyright 2011. Disponibile all’indirizzo : http://www.giovaniemedia.ch/it/opportunita-e-rischi/cellulari-e-smartphone.html (consultato il 02.10.2015) PUNTO SICURO. I rischi delle nuove tecnologie: materiali informativi e cyberbullismo [pagina web]. In :

sito di Punto Sicuro. Data di pubblicazione 03.06.2014. Disponibile all’indirizzo :

http://www.puntosicuro.it/sicurezza-C-80/privacy-C-89/i-rischi-delle-nuove-tecnologie-materiali-

informativi-cyberbullismo-AR-13898/ (consultato il 02.10.2015)

RUSCONI, Gianni. Quando Internet e la luce viaggiano sott’acqua [articolo elettronico]. In : Il Sole 24 ore.

Data di pubblicazione 31.01.2008. Disponibile all’indirizzo :

http://www.ilsole24ore.com/art/SoleOnLine4/Tecnologia%20e%20Business/2008/01/internet-cavi-

sottomarini.shtml?uuid=35650592-d029-11dc-a68d-00000e25108c&DocRulesView=Libero&refresh_ce=1

(consultato il 02.10.2015)

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TELEGEOGRAPHY. Submarine cable map [mappa interattiva]. Data di aggiornamento 01.10.2015.

Disponibile all’indirizzo : http://www.submarinecablemap.com/#/ (consultato il 02.10.2015)

Parte didattica

SISTI. Le fibre ottiche [videoregistrazione]. In : Youtube. Caricato il 04.06.2013. Disponibile all’indirizzo :

https://www.youtube.com/watch?v=zPgHgLC2CRs (consultato il 02.10.2015)

Per acquistare diversi giochi e esperimenti da fare a scuola

www.teachersource.com

Per visionare l’esperimento del laser nella bottiglia