Comune di Bologna

Assessorato Scuola, Formazione e Politiche delle differenze Settore Istruzione

Sole: luci ed ombre

21 giugno 2005

Angela Turricchia- Enrichetta Monari

Questa pubblicazione propone una giornata rivolta allo studio del Sole, delle luci e delle ombre. E’ l’invito ad un momento di diffusione della cultura scientifica a livello cittadino, approfittando della particolarissima opportunità offerta dalla nostra meridiana in S. Petronio, oggi ben al trecentocinquantesimo anniversario dall’inaugurazione. Verranno utilizzati anche due strumenti per la osservazione delle ombre, realizzati dagli Istituti Aggregati Aldini Valeriani e Sirani che ne hanno curato la costruzione. Il percorso didattico qui proposto è stato progettato da una delle agenzie educative realizzate dal Comune di Bologna, il Laboratorio per la didattica “Planetario”. E dunque questa iniziativa risulta particolarmente significativa ed importante come punto di partenza per lo sviluppo della rete di collaborazioni che da anni intende caratterizzare la realtà politica e culturale bolognese. Oltre alle strutture del Comune stesso – in sinergia tra “Planetario, Settore Istruzione e Istituti aggregati Aldini Valeriani e Sirani -sono state coinvolte l’Università degli Studi di Bologna e INAF – Istituto Nazionale di Astrofisica. L’obiettivo è quello di avvicinare, non solo ragazze e ragazzi, ma anche tutta la cittadinanza alla cultura scientifica, e, contemporaneamente, ad una riscoperta della città, della sua storia e dei suoi monumenti.

Maria Virgilio Assessora Scuola, Formazione e Politiche delle Differenze

Presentazione

Questo fascicolo, appositamente preparato per la distribuzione in occasione del

21 giugno 2005 e del trecentocinquantesimo anniversario dell’inaugurazione

della meridiana costruita da Giandomenico Cassini, affronta proprio le

tematiche che il Planetario del Settore Istruzione del Comune di Bologna

propone all’interno della giornata in Piazza Maggiore.

Il tema della giornata per il Planetario è “Sole: luci e ombre”. Il percorso

progettato si snoda attraverso secoli di osservazioni solari considerando due

modi di osservazione:

• il primo attraverso orologi solari: uno a foro gnomonico, che riproduce

in piccolo la situazione della meridiana della Chiesa di San Petronio, e

uno a stelo.

Osserveremo quindi come varia la macchia del Sole e come varia

l’ombra dello gnomone alla ricerca di una regolarità.

Di lato abbiamo un terzo orologio che è quello di palazzo Comunale che

scandisce le ore regolarmente, o almeno con quella regolarità che è

tipica di un orologio meccanico, e che ci permetterà di confrontare le

nostre osservazioni con quelle dei nostri strumenti posizionati sul

“crescentone” e dove segneremo ogni quarto d’ora, dell’orologio della

torre del Municipio, la posizione dell’ombra.

• Il secondo, relativamente recente, che comunque ha una portata

storica notevole perché segna la nascita dell’Astrofisica moderna, e

che permette lo studio della composizione della luce solare, e non

soltanto di quella, e il confronto con elementi conosciuti. Parleremo

cioè di spettroscopia.

I due strumenti per l’osservazione delle ombre sono stati realizzati dagli Istituti

Aggregati Aldini-Valeriani e Sirani (Settore Istruzione del Comune di Bologna)

che ne hanno curato la costruzione permettendo così una sinergia tra le risorse

del Comune di Bologna, in particolare del Settore Istruzione.

Le esperienze presentate nel fascicolo sono, in parte, rielaborazioni di materiali

provenienti da esperienze di collaborazione con il Dipartimento di Fisica di

Ferrara – Gruppo di ricerca in didattica della Fisica e con INAF- Osservatorio

Astronomico di Padova con cui il Planetario collabora da ormai dieci anni; in

parte invece sono risultati di esperienze eseguite in collaborazione con gli

insegnanti delle classi che visitano il Planetario e che hanno fatto del Planetario

stesso un punto di coordinamento e di consulenza di esperienze scientifiche sia

a livello nazionale che internazionale.

Il fascicolo è in particolare rivolto ai ragazzi e quindi anche il linguaggio

utilizzato, gli esempi e le domande, i pochi disegni e le immagini sono quelle di

esperienze di attività svolte con le classi che frequentano il Planetario. Si

presenta quindi quasi come un quaderno operativo in cui è sono previsti spazi

per appunti e osservazioni.

Desidereremmo però che non resti soltanto un momento di ricordo

dell’esperienza in piazza, pertanto tutto il fascicolo è incentrato sulla

“osservazione del cielo” in particolare dei corpi celesti che possiamo vedere

tranquillamente a occhio nudo magari costruendone alcuni a basso costo e di

semplice realizzazione. Tratteremo perciò del Sole, della Luna, di Giove e, per

buona parte, del Sistema Solare, nel suo complesso nella convinzione che la

comprensione delle distanze esistenti, delle dimensioni, dei corpi che

interagiscono sia un elemento importante e culturalmente significativo di

conoscenza.

In particolare la raccolta di materiali non vuole essere soltanto una guida

all’attività che si farà in piazza Maggiore, ma si propone anche come

suggerimento per approfondire poi, individualmente, gli argomenti svolti.

Pertanto sono presenti:

Schede per la

costruzione di

strumenti.

Domande su cui

riflettere con

calma.

Suggerimenti di

esperienze da

eseguire.

Risposte e

soluzioni

Parliamo qui del cielo e della sua osservazione1. Due sono i corpi celesti che

vediamo più frequentemente nel cielo e con cui possiamo cominciare a fare un

esercizio di osservazione: Luna e Sole.

Ecco un primo esercizio: guarda spesso il cielo durante la giornata. Basta poco,

alza la testa ogni tanto, sia al dì che quando fa scuro, per osservare il cielo.

Basta il cortile della scuola durante l’intervallo tra le lezioni, il balcone di casa

appena il Sole tramonta: comincia a “guardare”. Inizia con brevi momenti di

osservazione, ma ogni giorno: segui ad esempio la Luna, scopri se c’è o non c’è

ed a che ora la vedi. Guarda giorno dopo giorno come varia la parte che vedi

luminosa ed in quale zona di cielo la vedi. Ma come facciamo poi a raccogliere

le osservazioni? Perchè è importante sì osservare, ma anche poter confrontare

le osservazioni raccolte; quindi come ricordarsi di ciò che si è visto?

1 . La Luna in tasca

Abbiamo proposto di osservare la Luna. Un ulteriore suggerimento ...

prima di cominciare.

Preparare una lunga striscia di carta alta 8 cm e disegnare tanti quadrati.

Piegare la striscia così ottenuta a fisarmonica, in questo modo la striscia

può essere portata in tasca e ci si può disegnare la Luna così come la si

osserva, giorno dopo giorno.

Al termine delle osservazioni (si consigliano almeno 30 giorni) si possono

tagliare le caselle, sistemarle una sopra l’altra in modo che tutti i bordi

sinistri coincidano, fissarle a sinistra con due punti metallici e sfogliarle

rapidamente: si vedrà la Luna cambiare di aspetto.

1 Alcuni dei materiali presenti in questo fascicoletto fanno parte dei materiali inviati ai ragazzi durante l’iniziativa“Alla scoperta del cielo!” e di cui Angela Turricchia (docente del Planetario) è coautrice assieme a Leopoldo Benacchio (INAF-Osservatorio Astronomico di Padova).

Le caselle in moto veloce ci appaiono una successiva all’altra: avrete così

costruito il cartone animato della Luna.

Ma questa osservazione è sufficiente? Anche se avete

raccolto le osservazioni, queste possono essere

confrontate?

Avremmo bisogno di:

• osservare sempre dallo stesso punto,

• determinare prima un punto di riferimento esterno rispetto al quale

fissare la posizione della Luna stessa.

1. Vi siete mai accorti se la Luna la si vede durante il

dì?

Esistono alcune osservazioni lunghe da fare, che richiedono pazienza ed

attenzione e soprattutto una costanza nell’osservazione e nel collezionare i dati

raccolti. Se vi sentite in grado di fare ciò provate ad osservare come vedete la

Luna durante il trascorrere dei mesi.

Come fare?

Esperienza 1

Osservazione della Luna durante i mesi.

Per ottenere osservazioni che siano confrontabili le une con le altre

devono essere eseguite avendo ben determinato le condizioni di

osservazione: posizione da cui osservare che deve rimanere inalterata,

punto di osservazione ed inoltre definire un riferimento esterno fisso

sulla Terra che ci permetta di riposizionarci sempre nelle stesse

condizioni. Una condizione non da poco e di cui non dobbiamo

dimenticarci: controllare che dalla posizione in cui ci proponiamo di

osservare la Luna sia visibile!

Una volta che si sono definite queste condizioni, ad esempio definendo le

finestre di casa da cui osservare, possiamo iniziare l’osservazione che

deve essere registrata: ad esempio possiamo mettere degli adesivi sul

vetro nella posizione in cui vediamo la Luna e quindi potremo poi

misurare la distanza dell’adesivo dalla base e dallo spigolo laterale della

finestra.

Un suggerimento: tabula i dati e conservali su un quaderno, la raccolta

finale dei dati non funziona, molto spesso qualcuno pulisce i vetri e mesi

di osservazione vengono “sprecati”.

Ripetiamo questa osservazione distanza di alcuni giorni una dall’altra ed

ancora a distanza di alcuni mesi.

Come è cambiata la posizione della Luna?

In realtà la posizione della Luna rispetto alla base della finestra cambia

notevolmente al variare delle stagioni sembra un po’ fare l’inverso di

quello che fa il Sole: in estate la Luna è bassa sul nostro orizzonte,

d’inverno invece è alta.

2. Sarà questa presenza strana della Luna a permettere

il cambio di stagione?

Ed ora occupiamoci del Sole cioè la nostra stella, ma…

Importante:

non fissare mai il

Sole direttamente,

può danneggiarti gli

occhi!

Come facciamo ad osservare il Sole?

Per osservare il Sole occorre guardarlo sempre assolutamente protetti da

maschere da saldatore, filtri, occhialini da eclisse o, anche dalla nebbia in

questo caso estremamente utile che ci permette di guardarlo direttamente e

forse anche al mattino quando sorge o la sera al tramonto quando è visibile

come una bella sfera rossa e senza raggi!

Fig. 1- Immagini di osservazione in una scuola materna dell’I.C. di Monterenzio dove si è svolto un progetto laboratoriale di scienze dalla scuola dell’infanzia

alla scuola secondaria di primo grado.

Il Sole è la stella più vicina alla Terra e quindi è più facilmente osservabile

rispetto alle altre stelle. Lo vediamo con maggiore dettaglio ed accuratezza di

quanto non facciamo con le altre stelle.

La fotosfera solare (cioè la superficie visibile del Sole) emette luce... Possiamo

pensare che la luce osservata, o meglio la radiazione, che noi osserviamo è

quella che esce dalla parte più esterna della fotosfera anche se viene prodotta

nella parte più interna del Sole, cioè nel suo nucleo.

Fig.2 – rappresentazione del Sole. Sono visibili nel disegno le diverse parti in cui gli astronomi suddividono il Sole a seconda dei diversi fenomeni che vi avvengono.

I tanti disegni del Sole come quello visibile nella pagina precedente non sono

necessariamente la realtà, ma rappresentano la struttura che gli astronomi

pensano abbia il Sole, cioè sono modelli costruiti tenendo conto di tutte le

informazioni a nostra disposizione.

Ma come ottenere informazioni relative al Sole?

Osservandolo… sembra la risposta più ovvia, ma possiamo osservarlo, sempre

tenendo conto del fatto che non lo dobbiamo osservare direttamente, in diversi

modi e quindi esaminarne diversi aspetti:

1. è possibile osservarne l’aspetto esterno.

2. è possibile osservarne invece lo spostamento che, nell’arco di una

giornata, compie rispetto a un riferimento sulla Terra.

3. è possibile analizzare la sua luce utilizzando strumenti tipici degli

astronomi, cioè gli spettroscopi.

4. è possibile osservare le stelle o i corpi celesti che vediamo nel cielo un

attimo prima o subito dopo il tramonto… questo ci dirà molto poco del

Sole in sé, ma ci dirà invece molto sulla sua posizione rispetto ad altri

corpi celesti.

5. è possibile occuparsi del Sole come del corpo più grande di quello che si

chiama Sistema Solare proprio nel tentativo di definirne le dimensioni, le

grandezze…

1. Osserviamo l’aspetto esterno del Sole.

Poiché non lo possiamo osservare direttamente possiamo eseguire quella che si

chiama una “osservazione indiretta”, ad esempio possiamo far passare la sua

luce attraverso un binocolo o un piccolo telescopio e raccogliere “quello che

passa” su un cartoncino. Otterremo sul cartoncino una macchia luminosa.

Questa macchia luminosa è il disco solare.

Un esempio di questo è visibile nella chiesa di San Petronio di Bologna dove il

disco solare che si proietta sul pavimento della chiesa è decisamente grande,

oppure in altre meridiane a foro gnomonico.

2 . Il Sole in un foglio

riale:

• un binocolo con un oculare chiuso,

• un cavalletto su cui poter fissare il binocolo,

• un treppiede,

• un cartoncino bianco.

1. Preparare un binocolo chiudendo uno degli oculari, o un piccolo

telescopio dopo averlo ben sistemato su un cavalletto.

2. Preparare un foglio di cartoncino rigido su cui fissare un foglio di carta

bianca da porre dietro l’oculare del binocolo.

3. Orientare il binocolo in modo che l’immagine del Sole venga proiettata

sul cartoncino bianco.

Osservazione: Disegnare il contorno della macchia luminosa che appare sul

cartoncino.

Vedere se ci sono macchie scure e disegnarle.

Quali elementi consideriamo in questa osservazione?

Possiamo disegnare la macchia luminosa che rappresenta il Sole e le macchie

scure che sono le macchie solari. Possiamo comunque vedere:

• come velocemente si muove il Sole: dovremo infatti rincorrere la

macchia luminosa del Sole per poterla osservare sulla carta;

• evidenziare che le macchie solari si muovono sulla superficie del Sole

stesso nell’arco della giornata;

• evidenziare che si muovono anche nell’arco di una settimana spostandosi

sempre più a destra nel disco solare e quindi a sinistra nell’immagine

riflessa sul cartoncino;

• mettere quindi in evidenza il rovesciamento dell’immagine che si sta

osservando.

Possiamo misurare le dimensioni delle macchie confrontandole poi con quelle

del Sole stesso (ricordiamo che il diametro della macchia luminosa rappresenta,

nella proiezione, il diametro del Sole). Possiamo misurare, con un righello, il

diametro della macchia luminosa e il diametro della macchia solare. Possiamo

quindi, ricordando che il diametro del Sole è 109 volte circa quello della Terra,

confrontare le dimensioni della macchia con quelle della nostra Terra.

2. Osserviamo lo spostamento che, nell’arco di una giornata, il Sole

compie rispetto a un riferimento sulla Terra.

Possiamo fare questa osservazione in molti modi, ma uno dei più efficaci è

quello di passare attraverso la mediazione delle ombre.

3. Le ombre della matita

Materiale:

• una matita,

• una puntina da ingegnere,

• un foglio di cartoncino bianco.

Scegliere una matita ben piatta da una parte in modo da poterla fissare bene

al cartoncino mediante una puntina da ingegnere.

Far in modo che la matita resti ben diritta (deve cioè essere perpendicolare al

piano su cui appoggiamo il foglio). Porre il foglio in modo che sia ben

illuminato dal Sole. Osservare e disegnare l’ombra della matita dopo aver

definito l’intervallo in cui ripetere l’osservazione e le esperienze.

Prestare attenzione a:

• come è la posizione dell’ombra rispetto alla matita;

• come varia questa ombra al passare delle ore;

• osservare anche la lunghezza delle ombre.

Lasciare tutta la strumentazione ferma ed osservare:

• come varia la posizione dell’ombra in giornate diverse;

• controllare la lunghezza delle ombre alla stessa ora (letta sull’orologio)

in giornate diverse.

Ma possiamo invece fare noi le matite… e studiare come si modifica la nostra

ombra al passare delle ore.

Fig. 3 – un momento di studio delle ombre presso la scuola elementare L. Tempesta di Bologna dove è stato svolto un progetto di didattica della Scienza in verticale dalla prima alla quinta elementare.

3. Cosa succede alla nostra ombra?

Possiamo fare una analogia con la matita?

Esperienza 3

Osservazione del Sole durante i mesi.

Possiamo rifare l’esperienza dell’ombra in periodi diversi dell’anno.

Sicuramente i segni che abbiamo lasciato col gesso non si saranno

conservati, quindi questo metodo di raccolta non funziona più… sicuramente

dovremo trovare il modo di fissare bene anche la posizione in cui poniamo la

matita o ancora in cui disegniamo il contorno dei nostri piedi, oppure

possiamo andare ad osservare una meridiana e vedere come variano le

ombre.

4. Sarà questa presenza diversa del Sole a dare origine

alle variazioni stagionali?

3. Possiamo analizzare la luce del Sole.

Lo spettroscopio2 è uno strumento utilizzato dagli astronomi per scomporre la

luce (radiazione luminosa visibile). Un fascio luminoso viene fatto passare

attraverso una fenditura e colpisce un prisma o un reticolo di diffrazione; la

luce si scompone originando così lo “spettro”. Esaminando lo spettro così

ottenuto si riescono ad identificare gli elementi che lo hanno prodotto.

4. Lo spettroscopio: costruzione.

riale:

• il cartone interno cilindrico di un rotolo di carta igienica;

• due quadrati di cartone nero leggermente più grandi del diametro del

cilindro sopra detto (quindi circa 7 cm di lato);

• colla, un cutter;

• forbici, nastro adesivo nero, un pezzetto di CD (che possa essere

tagliato).

In un quadrato di cartone nero tagliare esattamente al centro una fenditura

larga 0.3 cm e lunga 1.5 cm. La fenditura deve essere molto nitida e può

essere migliorata incollando due pezzi di nastro adesivo nero ai lati lunghi

della fenditura in modo da restringerla ulteriormente; oppure, come nella

foto sotto, si possono usare due mezze lamette. Il cartoncino, così

preparato, può essere incollato al rotolo cilindrico in cartone.

2 L’idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica(www.polare.it modulo 7) e dalle schede di costruzione di uno spettroscopio visibile sul sito http://asd-www.larc.nasa.gov/edu_act/simple_spec.html e successivamente rielaborata per problemi di costi complessivi dello strumento stesso.

La scelta di utilizzare il cartone di forma quadrata è stata dettata da un

problema di tempi di asciugatura della colla. I ragazzi taglieranno soltanto

successivamente i cartoncini della stessa forma del tubo eventualmente

coprendo il bordo con nastro adesivo nero per

impedire l’entrata di luce che disturba l’osservazione.

Nel secondo quadrato esattamente al centro tagliare una finestrella quadrata

di 1 cm di lato come si vede nella figura sotto.

Su questa finestrella quadrata deve essere appoggiato il reticolo di

diffrazione che può essere facilmente trovato nei CD ormai inutilizzati. In

particolare il reticolo è inserito nel supporto in plastica dei CD. Basta

tagliare un CD (deve essere un CD a bassissimo costo in quanto la parte

alluminata potrà essere levata rapidamente, evitare accuratamente i CD

riscrivibili e quelli a doppia protezione) e prenderne un pezzetto quadrato di

lato 2 cm; per questa operazione di taglio si possono tranquillamente

utilizzare normalissime forbici.

Il reticolo non deve essere danneggiato, occorre pertanto levare la pellicola

argentata senza “grattare” la parte plastica. Per fare ciò basta appoggiare

sulla parte di alluminio un pezzetto di nastro adesivo e sollevarlo poi

rapidamente; sul nastro adesivo rimane l’argentatura che va gettata, a noi

serve la parte plastica trasparente.

Fig. 4- Un momento di quella che i ragazzi definiscono “la depilazione” del CD e l’incollatura finale.

Questo pezzetto di plastica va appoggiato sulla finestrella e fissato con

adesivo nero.

Adesso il secondo cerchio di cartone è pronto e deve essere incollato sul

rotolo cilindrico che risulta essere oscurato alle due parti: noi porremo

l’occhio per guardare dalla parte del reticolo mentre la fenditura deve essere

rivolta verso la luce.

Ed ora come usare lo strumento appena costruito?

Si osservino, attraverso lo strumento, gli spettri della luce prodotta da lampade

diverse. I ragazzi possono disegnare ciò che vedono:

• lo spettro di una lampada a filamento (lampada ad incandescenza);

• lo spettro di quella che possiamo considerare una “normalissima lampada

“ di un’aula, quella che chiamiamo comunemente una lampada al neon;

• lo spettro di una lampada a filamento, ma con copertura colorata.

Ma possiamo anche osservare gli spettri di tutte le lampade che troviamo in

giro per la città.

Come fanno gli astronomi a sapere di quali elementi è composta una

stella?

Si può pensare che quello che abbiamo fatto con una lampada possiamo farlo

anche con il Sole: raccogliamo la sua luce, la scomponiamo con uno

spettroscopio. Poiché ogni elemento chimico ha il suo spettro di emissione (e

quindi anche un suo spettro di assorbimento) se studiamo tutte le righe

presenti nella luce che abbiamo raccolto e che abbiamo scomposto, possiamo

dedurre quali elementi sono contenuti nella stella.

4. Osserviamo le stelle o i corpi celesti che vediamo nel cielo un attimo

prima o subito dopo il tramonto…

Poiché il Sole è tramontato possiamo osservare anche con un cannocchiale3 e

quindi costruiamone uno.

Il cannocchiale è il tipico strumento da “astronomi” che permette di raccogliere

la luce (radiazione visibile). La luce proveniente da un corpo celeste entra nella

lente, attraversa il tubo del cannocchiale, esce dalla lente sulla parte opposta

dove viene raccolta dall’occhio dell’osservatore.

3 L’idea di questa attività nasce dalla esperienza di Cielo! un percorso didattico di Astronomia e Fisica (www.polare.it

modulo 3) quando lavorando con i bambini si rese necessaria la semplice costruzione di un cannocchiale che servisse per una prima osservazione. L’idea della lente da macchina fotografica è stata presa da http://www.funsci.com/fun3_it/cann/cann.htm#1 ed utilizzata per l’esecuzione dei Laboratori didatidici ideati per la Mostra di Stra’. La tabella degli elementi con spettri in emissione e in assorbimento è visibile in http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html

5 . Un cannocchiale: costruzione.

riali:

• due tubi di cartone lunghi circa 70 cm e di diametro di circa 62 mm

(può essere utilizzato il cartone che serve per tenere raccolte tele o tessuti);

• una lente da occhiali da 1.5 diottrie e diametro 6 cm (questa ha una

distanza focale 1/1,5 cioè circa 66 cm) che costituirà l’obiettivo;

• una lente di circa 2 cm di distanza focale (può essere l’obiettivo di una

macchina fotografica usa e getta dopo essere stata utilizzata). Questa lente

costituirà la lente dell’oculare;

• un pezzo di canalina da elettricista cilindrica (o un tubo di cartone) di

circa 20 cm di lunghezza e diametro 2 cm;

• un taglierino; una riga, una matita, un po’ di colla e di nastro adesivo

nero.

Costruzione del corpo del cannocchiale:

Uno dei due tubi da 70 cm costituirà il corpo del cannocchiale, l’altro invece

servirà per costruire delle ghiere da inserire all’interno per tenere ferma la

lente. Per fare questo basta tagliarne due pezzi di 3-4 cm di altezza.

Andranno successivamente tagliati in verticale e ne andrà tagliato, sempre in

verticale, una piccola fetta: in questo modo il cartone potrà essere stretto ed

inserito all’interno del tubo costituendo così una specie di molla.

Una di queste ghiere va fissata con la colla ad una estremità del tubo,

lasciando lo spazio sufficiente per la lente e per la seconda ghiera

(quest’ultima serve ad impedire la caduta della lente). Appoggiarvi sopra la

lente e incollare la seconda ghiera.

Costruzione dell’oculare:

Costruire un tubo di cartoncino nero di diametro leggermente più piccolo

della lente rimasta. Il bordo della lente deve essere incollato sul bordo del

tubo (questo piccolo tubetto va inserito all’interno della canalina). Portare a

dimensioni corrette il tubetto arrotolandovi attorno del cartoncino nero

finché non risulta essere perfettamente inserito nella canalina.

Fig. 5- momenti di costruzione dell’oculare in una scuola media di Bologna.

A questo punto occorre tornare a costruire pezzi di tubo come nel punto

precedente, ma più lunghi fino a far sì che la canalina sia perfettamente

inserita nel corpo del cannocchiale. L’oculare deve poter scorrere all’interno.

Occorre prestare molta attenzione a che le due lenti risultino perfettamente

allineate, altrimenti le immagini non sono buone. Si può procedere al

miglioramento dell’osservazione coprendo con carta adesiva vellutata nera

tutte le parti interne del cannocchiale in modo da evitare riflessi.

Dopo tutta questa costruzione, dal cannocchiale riuscirai a vedere?

Puntare un oggetto lontano ed osservare. Si suggerisce di osservare o il bordo

del tetto della casa, o la cima di un albero, in questo modo risulta

particolarmente evidente che l’immagine è rovesciata. Questo fenomeno (una

semplice applicazione dell’ottica geometrica) che in genere meraviglia tutti,

anche chi se lo aspetta, rende difficile “comprendere” o meglio identificare cosa

si sta guardando.

Fig.6- Un momento di osservazione.

Ricordiamo che i corpi da osservare devono essere molto lontani, altrimenti non

si apprezzano i particolari.

Occorre comunque tener presente che lo strumento deve essere tenuto ben

stabile (eventualmente appoggiandolo su un cavalletto per macchina

fotografica o sulle spalle di un compagno) per poter eseguire una buona

osservazione.

In queste sere, non appena il Sole è tramontato osserviamo il cielo… bene,

vedremo subito, cercando il punto cardinale Sud e alzando gli occhi verso il

cielo, un oggetto molto luminoso. Per un bel po’ di tempo è l’unico oggetto

visibile nel cielo.

Cosa sarà questo corpo celeste4?

Possiamo considerare:

1. le dimensioni.

2. il tipo di luce.

3. studiarne il movimento nell’arco di una serata.

4. in che parte di cielo si trova, ovviamente sperando di saperci orientare.

E’ sicuramente più grande rispetto alle altre “stelle”, se lo guardiamo con

attenzione sembra un piccolo dischetto illuminato. Lo vediamo verso Sud e poi

sembra muoversi più velocemente rispetto, quindi è sicuramente più vicino a

noi che osserviamo.

Se fossimo astronomi e avessimo uno spettroscopio sufficientemente “potente”

potremmo raccoglierne la luce per scomporla… ma questo non lo possiamo

fare.

Proviamo a guardarlo con il cannocchiale appena costruito (o con un binocolo):

forse vedremo delle piccole sferette luminose attorno a lui. Il corpo celeste che

stai guardando è Giove e le sferette sono i quattro satelliti detti Medicei o

4 Questa esperienza rappresenta un momento finale di elaborazione sviluppato durante il progetto “Progettare per comprendere/learning from starlight” svolto nell’anno scolastico 2004-2005 in collaborazione con INAF- Osservatorio Astronomico di Padova.

Galileiani. Se il cannocchiale è stato costruito bene puoi fare l’osservazione che

fece Galileo tantissimi anni fa, altrimenti… ti conviene usare un buon binocolo.

Se fai questa osservazione in alcune serate particolari, puoi vedere anche la

Luna.

5. Se hai fatto le osservazioni della Luna puoi decidere

in quale serata questa è visibile nel cielo?

Ma uno dei problemi maggiori che si incontrano quando si osserva il cielo

notturno è quello di orientarsi. Come fare?

Gli antichi utilizzavano uno strumento, il notturnale o notturnilabio che

permette di orientarsi nel cielo notturno utilizzando le stelle del Carro Maggiore

(quella specie di mestolo che da Bologna vediamo sempre nel cielo! Basta che

sia sereno!)

3. Il notturnale: costruzione

Materiale:

• una copia del disegno sotto riprodotto in cartoncino,

• un ferma-campione,

• una serata serena.

Costruzione

Tagliare esattamente lungo la circonferenza esterna lo strumento. La parte

interna va conservata.

Tagliare le due lancette e la finestrella nella lancetta indicata con A.

Sovrapporre dal basso verso l’alto, nell’ordine: la lancetta B, il cerchio, la

lancetta A e fissare un ferma-campione in corrispondenza della due crocette

e del centro del cerchio che devono risultare perfettamente sovrapposti. Il

tutto deve poter ruotare.

Come usarlo:

Ruotare B sulla data del giorno in cui si effettua l’osservazione del cielo, la

freccia deve essere diretta in basso, lo strumento va tenuto in mano dalla

freccia B. ( ci si deve rivolgere verso il punto cardinale Nord).

Ruotare A finché questa nuova freccia si diriga verso le due stelle che

costituiscono i puntatori del Carro Maggiore (il ferma-campione coincide con

la stella Polare).

Nella finestrella compare l’ora in cui si effettua l’osservazione.

Lo strumento originale notturnale o notturnilabio di cui questo è una

semplificazione, permetteva di determinare appunto l’ora di osservazione

attraverso la rotazione delle stelle attorno alla Polare quando non erano

ancora utilizzabili gli orologi.

5. Occupiamoci ora di Sole, Luna e Terra

Perché proprio Sole e Luna?

La Luna è il satellite della Terra, pertanto risente della attrazione gravitazionale

della Terra, la sua distanza dalla Terra è decisamente piccola rispetto a quella

della Terra dal Sole.

Partiamo dal Sistema Sole-Terra-Luna. Ecco un semplice schema in cui sono

presenti diametri e distanze della Terra dal Sole e della Luna dalla Terra (le

dimensioni e le distanze sono arrotondate per semplificare i calcoli).

Sole (diametro) = 1400000

km

Terra (diametro) = 13000

km

(distanza media dal Sole)=

150000000 km

Luna (diametro) = 3500 km (distanza media dalla Terra) =

384000 km

Proviamo ad immaginare di costruire una rappresentazione in scala.

Che cosa ti aspetti succeda?

Se la rappresentazione è corretta dovremmo riuscire, se ci poniamo nella

posizione in cui mettiamo la Terra, a nascondere l’oggetto che rappresenta il

Sole con quello che rappresenta la Luna. Dovremmo cioè riuscire a determinare

un’eclisse di Sole.

Forse è meglio che spieghiamo meglio quello che intendiamo:dovremmo

riuscire a determinare, nella nostra rappresentazione, un fenomeno analogo a

quello che succede nella realtà quando parliamo di eclisse di Sole.

Esperienza 4

Riproduzione del Sistema Sole-Terra-Luna

Supponiamo di avere come Sole una sfera enorme, di quelle che usate in

palestra, quella da motoria in genere si trovano fino alle dimensioni di 1,4

metri di diametro. Bene possiamo porre questa sfera a rappresentare il Sole.

La Terra risulta quindi essere circa 0,13 metri di diametro, cioè circa 13

centimetri. La Luna ha un diametro di 3,5 centimetri.

A quale distanza dovremo mettere i singoli corpi in modo da

rispettare le scale che abbiamo scelto?

La scala per i diametri risulta di 1 a 1000000000 se vogliamo riprodurre la

stessa situazione per le distanze, la distanza Terra Sole risulterà essere di

circa 150 metri, mentre la distanza Terra Luna srà di 0,38 metri, cioè di 38

centimetri.

Le dimensioni sono adesso “facilmente” riproducibili e quindi potete

tranquillamente provare se succede davvero quanto detto.

Il 3 ottobre 2005 ci sarà una eclisse di Sole soltanto parziale, per la zona in cui

abitiamo noi.

osa prevedi succederà?

Quale corpo celeste non ci permetterà di vedere il Sole

anche se solo parzialmente?

Ecco una tabella in cui sono raccolti un po’ di dati che ci sono forniti dagli

astronomi rispetto alle dimensioni del Sistema Solare e dei corpi che lo

compongono. In particolare notare in fondo alla tabella la fascia di Kuiper e la

nube di Oort; sono zone di cui si è scoperta l’esistenza attorno al 1950, zone

comunque che risentono dell’attrazione gravitazionale del Sole e che quindi

dobbiamo considerare parti di esso.

Distanza dal Sole in

milioni di Km

Diametri

in Km

Sole 1400000

Mercurio 58 5000

Venere 108 12000

Terra 150 13000

Marte 228 8000

Giove 778 140000

Saturno 1420 120000

Urano 2900 50000

Nettuno 4500 45000

Plutone 5900 3000

Fascia di Kuiper Fino a 150000

Nube di Oort

Fino a 150000000

Consideriamo adesso soltanto le distanze e facciamo questa prova:

Esperienza 5

da eseguire all’aperto o in un lungo corridoio, ma deve

essere veramente lungo!

Prendi come unità di misura la distanza Terra- Sole = 150000000 km circa

e ponila uguale a un passo.

Fissa all’inizio del corridoio una bandierina che rappresenta il Sole; a un

passo di distanza poni un’altra bandierina che rappresenta la posizione

della Terra.

In questa zona tra le due bandierine devi mettere Mercurio e Venere…

dove?

7. A quale distanza tra di loro? Procedi tu con i

calcoli…

A 40 passi dal Sole c’è Plutone, il più lontano dei pianeti, solido.

A quanti passi metteresti la fine della fascia di Kuiper?

Se fai una divisione fra la misura stimata dagli astronomi e la tua unità di

misura arrivi a 1000 passi.

In questa zona detta “fascia di Kuiper” sono contenuti gli asteroidi: corpi

solidi, rocciosi, di dimensioni e forme abbastanza diverse le une dalle

altre. Gli asteroidi infatti possono avere forme tonde, a sigaro o anche più

irregolari, e dimensioni che vanno dalle decine alle diverse centinaia di

chilometri. Questa zona però ha la forma di un disco piuttosto spesso.

A quanti passi metteresti la fine della nube di Oort?

Fai ancora una divisione… ottieni 100000 passi; questa è la “nube di

Oort” che contiene miliardi di nuclei di comete, “sassi” delle dimensioni di

qualche chilometro ricoperti da uno strato di gas ghiacciato.

Bene adesso prova a pensare che se l’unità di misura fosse un metro,

invece che un passo, il limite estremo della nube di Oort disterebbe dal

Sole 100000 metri che sono… 100 km, cioè la distanza tra Bologna e

Rimini!!!

Dopo aver fatto l’esperimento hai visto quanto piccola sia la zona dei pianeti

rispetto alla grande “palla” della Nube di Oort, che delimita all’esterno il

Sistema Solare.

E adesso prendiamo in esame sia le distanze che i diametri ed poniamoci il

seguente problema:

Vogliamo costruire una riproduzione in scala del Sistema Solare, vogliamo cioè fare una

carta geografica del Sistema Solare. Per semplificarci un po’ la vita cominciamo dal

Sistema di pianeti che sta attorno al Sole cioè del sistema planetario e riprendiamo i valori.

8.

Ma qui lasciamo un bel punto di domanda per invitarti a fare un

po’ di calcoli… mettiamo solo alcuni valori.

(in fondo al fascicolo puoi però trovare le soluzioni!!!)

Dopo che hai fatto i calcoli prova a pensare quanto spazio ti serve per poter

riprodurre il sistema planetario in scala. Realmente le distanze sono enormi e

come hai visto, se hai letto le pagine precedenti, il sistema planetario del

nostro Sistema Solare occupa una ben piccola parte di tutto il Sistema.

… ma procediamo con ordine e cominciamo a costruire i nostri oggetti.

Ric

orda

però

che è

soltant

o una

rappre

sentazi

one!

La

stessa

cosa

accadre

bbe se volessimo rappresentare in scala la nostra stanza, o Bologna, o l’Italia…

in questo caso particolare però stiamo costruendo una rappresentazione

tridimensionale, vogliamo cioè vedere anche la quantità di materia che è

contenuta nei singoli corpi. Diventa tutto più complicato, ma forse le

complicazioni nascono dal fatto che le distanze stimate dagli astronomi (e che

noi troviamo in tabella) sono enormi e i diametri invece sono minuscoli.

Qui non abbiamo messo gli zeri, ma potrebbe essere invece interessante

vedere quanti sono!!! … e ne trovi tanti nella tabella delle distanze, pochissimi

invece in quella dei diametri!!!

Distanza dal

Sole in

milioni di Km

Distanza dal

Sole in metri

Diametri

in Km

Diametri in

mm

Sole 1400000 140

Mercurio 58 5000

Venere 108 12000

Terra 150 15 13000 1.3

Marte 228 8000

Giove 778 140000 14

Saturno 1420 120000

Urano 2900 50000

Nettuno 4500 45000

Plutone 5900 3000

Esperienza 6

da eseguire prima5 in casa e poi in un lungo viale… ad

esempio prendiamo Strada Maggiore partendo dal

centro, cioè dalla base delle Due Torri.

In casa:

Prendi una palla di 14 cm di diametro che rappresenterà il Sole.

Da un panetto di plastilina ricava le sferette di dimensione adatta ai valori

che hai calcolato.

Riesci a costruirli?

Le dimensioni sono decisamente piccole!!! Sicuramente avrai problemi con

Mercurio, Venere, Terra, Marte, Plutone… beh con la maggior parte dei

pianeti!

Se proprio non riesci prova almeno a far risaltare la differenza tra i

diversi corpi… ma cerca il più possibile di mantenere le dimensioni!!!

Un suggerimento prima di andare a posizionare i pianeti nella strada:

prepara dei fogli con il nome dei pianeti su cui potrai posizionare le piccole

sferette che hai costruito.

9. Quale tra i corpi del Sistema Solare è quindi

il più grande?

In Strada Maggiore:

5 La prima esperienza di questo tipo è stata organizzata nel 1994-95 ai Giardini Margherita di Bologna a termine di un percorso di astronomia di una quinta elementare delle scuole Carducci e delle scuola Ercolani (si è così ottenuto il video Pianeti nel parco presentato ad Atene); l’anno successivo le classi quinte delle scuole Fortuzzi hanno rielaborato la stessa esperienza in uno splendido libro visibile nel sito: www.pd.astro.it/librone/home.html .

Ed ora dalle Due Torri cominciamo a posizionare i diversi corpi.

Proprio sotto le Due Torri mettiamo il Sole (attenzione se usi una palla…

rischi sicuramente di non trovarla più!)

A circa 5.8 metri metti Mercurio, a 10.8 metri metti Venere… e cosi’ via…

… fino ad arrivare a Plutone che all’incirca se hai misurato bene, puoi

posizionare alla Chiesa dei Servi (hai presente dove ti trovi???).6

Osserva quanta distanza c’è tra un corpo e l’altro e quanto poco materiale

hai utilizzato.

10. Dove andresti a posizionare il nucleo

cometario più lontano della nube di Oort?

Al termine del lungo cammino raccogli tutti i pezzetti di plastilina che hai

lasciato per strada, mettiamoli tutti assieme e confrontali con le

dimensioni di quella pallina che hai lasciato sotto le Due Torri.

Tutti assieme sono ben più piccoli della palla.

11. Dove è quindi contenuta tutta la materia

del Sistema Solare?

6 Una esperienza analoga è stata organizzata nel 1999-2000 con la quinta delle scuole Cremonini Ongaro proprio lungo Strada Maggiore.

Riesaminiamo brevemente le cose di cui abbiamo parlato relativamente al

Sistema Solare:

1. è enorme, con la scala utilizzata arriviamo ben oltre Rimini e i pianeti

sono realmente dei puntini.

2. lo spazio dentro al sistema Solare è in pratica vuoto, tutta la materia è

contenuta nel Sole.

Il Sistema Solare è quindi formato da.

• il Sole unica stella,

• 9 pianeti,

• un centinaio di satelliti,

• migliaia di asteroidi molti dei quali racchiusi nella fascia di Kuiper,

• milioni di nuclei cometari molti dei quali “racchiusi” nella nube di

Oort.

Considerare il Sistema Solare come costituito soltanto da Sole e pianeti è

estremamente riduttivo, soprattutto se teniamo conto delle dimensioni enormi

sia della fascia di Kuiper che della Nube di Oort che pure fanno parte del

Sistema Solare7.

Possiamo dire che il Sistema Solare è “vuoto di materia”8…

7 Molto spesso nei libri di testo rivolti a ragazzi delle scuole elementari si parla di Sistema Solare comprendendo solo Sole e pianeti. Se si può in parte considerare questa come una approssimazione, occorrerebbe che questo fosse ben dichiarato, altrimenti si introducono misconceptions notevoli soprattutto per quanto riguarda l’importanza della nostra Terra e dei pianeti rispetto alle dimensioni reali dei corpi che entrano in gioco nel Sistema Solare. 8 Il termine è stato coniato durante il coordinamento di Cielo! (2000) e da allora lo abbiamo utilizzato proprio in riferimento alla scarsità di materia visibile in queste rappresentazioni in scala del Sistema Solare.

Ci sarà qualcosa che, partendo dal Sole, arriverà fino all’ultimo nucleo

cometario della nube di Oort?

Facciamo finta che una torcia sia il Sole:

Esperienza 7

Materiale:

• una torcia,

• una stanza buia,

• un foglio di carta.

Nella stanza buia accendi la torcia e avvicina il foglio di carta alla torcia

illuminata, dalla parte da cui esce la luce.

Come appare il foglio?

Allontana il foglio dalla torcia, come cambia il foglio?

Più o meno illuminato?

Confronta come appare il foglio in questa seconda posizione rispetto alla

prima posizione.

Allontana sempre di più il foglio. Il foglio apparirà sempre meno “luminoso”.

12. Puoi pensare che la stessa cosa accada anche al

Sole e che i pianeti e gli altri corpi del nostro sistema

possano essere considerati simili al foglio?

Di seguito una tabella riassuntiva sui pianeti del Sistema Solare e sulle loro

caratteristiche.

Ricordiamo comunque che le scoperte in campo astronomico sono in continua evoluzione anche per quanto riguarda i corpi celesti più vicini a noi e che fanno parte del nostro Sistema Solare.

Pianeta

Distanza dal Sole (km)

Dia metro (km)

Periodo di

rotazione confronta to con il giorno

terrestre

Periodo di

rivoluzio ne

confron tato con l’anno

terrestre

N° satel

liti

Composi zione

dell’atmo sfera

Mercurio 58.000.000 4.864 55 d 88 d 0 Non ha atmosfera

Venere 108.000.000 12.104 243 d 225 d 0 Anidride carbonica,

azoto Terra 150.000.000 12.756 1 d 1 d 1 Azoto,

ossigeno, argo

Marte 228.000.000 6.796 1 d 30m 1 a 4m 2 Anidride carbonica, azoto, argo

Giove 778.000.000 142.988 10 h 12 a 39 Idrogeno, elio

Saturno 1.420.000.000 120.660 10h 14m 29 a 18 Idrogeno, elio

Urano 2.890.000.000 51.118 17h 14m 84 a 20 Idrogeno, elio,

metano Nettuno 4.448.000.000 49.500 16h 3 m 165 a 7 Idrogeno,

elio, metano

Plutone 5.900.000.000 2.302 6 d 9 h 248 a 1 Azoto, metano,

monossido di carbonio

Domanda…

Risposta

1. Vi siete mai accorti se la

Luna la si vede durante il dì?

(pag 6)

Sì, la Luna è visibile durante

le ore diurne e la parte che

vediamo (che ci appare

bianca) è rivolta verso il Sole.

La vediamo cioè perché è

illuminata dal Sole.

2. Sarà questa presenza

strana della Luna a permettere

il cambio di stagione? (pag 8)

No, la Luna è un corpo

illuminato dal Sole, non

produce luce lei direttamente,

quindi la sua altezza

sull’orizzonte non modifica le

condizioni sulla Terra e quindi

il cambio delle stagioni.

3. Cosa succede alla nostra

ombra?

Possiamo fare una analogia

con la matita? (pag 14)

Sì, la nostra ombra si modifica

e si sposta, come quella della

matita, al passere delle ore.

L’unica problema è che per

fare un confronto dobbiamo

essere sicuri di stare

assolutamente fermi.

4. Sarà questa presenza

diversa del Sole a dare origine

alle variazioni stagionali?

(pag. 15)

Sì, la presenza del Sole più

alto o più basso sull’orizzonte

e una sua presenza, sempre

sopra l’orizzonte per un

numero diverso di ore, origina

il cambio stagionale.

5. Se hai fatto le osservazioni

della Luna, puoi decidere in

quale serata questa è visibile

nel cielo? (pag. 24)

Sì, la Luna la si vede dio sera

ogni circa 29 giorni, e per un

bel po’ di serate consecutive.

E’ quindi un discorso di fasi

lunari.

6. Cosa prevedi succederà?

Quale corpo celeste non ci

permetterà di vedere il Sole

anche se solo parzialmente?

(pag. 28)

La Luna si trova a passare tra

la Terra e il Sole e la sua

presenza oscurerà la luce del

Sole, in analogia a quando con

una mano nascondiamo il viso

per non farci vedere: abbiamo

cioè una eclisse del nostro

viso.

7. A quale distanza tra di loro?

(pag. 30)

Mercurio è a un terzo di passo

dal Sole, Venere è a due terzi

di passo; Marte è a un passo e

mezzo; Giove è a 5 passi,

Saturno a circa 10 passi,

Urano a circa 30 passi,

Nettuno a 35 passi e Plutone

a 40 passi.

9. Quale tra i corpi del

Sistema Solare è quindi il più

grande? (pag. 33)

Il Sole che è la nostra stella.

10. Dove andresti a

posizionare il nucleo cometario

più lontano dell nube di Oort?

(pag. 34)

A Rimini, cioè a circa 100 km

dalle Due Torri

8.

Distanza dal

Sole in

milioni di Km

Distanza dal

Sole in metri

Diametri

in Km

Diametri in

mm

Sole 1400000 140

Mercurio 58 5.8 5000 0.5

Venere 108 10.8 12000 1.2

Terra 150 15 13000 1.3

Marte 228 22.8 8000 0.8

Giove 778 77.8 140000 14

Saturno 1420 142 120000 12

Urano 2900 290 50000 5

Nettuno 4500 450 45000 4.5

Plutone 5900 290 3000 0.3

11. Dove è quindi contenuta

tutta la materia del Sistema

Solare? (pag. 34)

Puoi confrontare tra tutti i

pezzetti di plastilina raccolti e

la sfera che rappresenta il

Sole. Quindi quasi tutta la

materia è contenuta nel Sole.

12. Puoi pensare che la stessa

cosa accada anche al Sole e

che i nostri pianeti o gli altri

corpi del nostro sistema

possano essere considerati

simili al foglio? (pag. 36)

Sì, più lontani sono dal Sole

(torcia) meno è la quantità di

radiazione (in particolare di

luce) che li colpisce.