La difrazion otiche e modalitâts di aprendiment di bande dai students Marisa Michelini, Alberto...

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, [email protected], [email protected]

Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE 2

Introduzione Passi del percorso didattico Contesto della sperimentazione Materiali di Monitoraggio Data Conclusioni

1. Introduzione

Michelini, Stefanel 3DIFRAZION OTICHE

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:

-Raccordo tra fisica classica e fisica quantistica

- 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)

- focus sul modello ondulatorio della luce (sulla natura dell luce)

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)


5

Nello specifico della diffrazione ottica, i nodi disciplinari alla base di difficoltà di apprendimento:

Onda come perturbazione che si propagaFase, cammino ottico, concetto di fronte d’ondaRuolo interpretativo del principio di Huygens-Fresnel nel rendere conto della propagazione delle onde e dei fenomeni che esse determinano

Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE

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; Hernadez-Andres 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).

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 fisica2)Guadagnare nel processo di costruzione di modelli3)Avere esperienza nel processo di costruzione di interperatzioni, imparare a formulare ipotesi e confrontarle con gli esiti sperimentali

Fenomi di diffrazione

Al bordo di uno schermoIn un piccolo foro praticato in uno scermoCon una o più fenditureCon un reticolo di diffrazione Mono o bidimensionale

Evidente in molte situazioni

0 – Attività preliminari

sinistra

destra

asse ottico principale


I passi del percorso didattico sulla diffrazione ottica

Anche nell’arte



Fenomi di diffrazione

Evidente in molte situazioni

0 – Attività preliminari



?

?

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?

1-2 cm

1 mm

Michelini, Stefanel DIFRAZION OTICHE11


?

A) Prevedere la distribuzione dell’intensità di luce sullo schermoB) Effettuare l’esperimentoC) Confrontare previsione ed esperimento. Discutere ipotesi alla base della previsioneD) Analisi qualitativa della distribuzione di diffrazione(Symmetria; distanze tra minimi, distanze tra massimi, cobfrobto tra intensità dei massimi, altri aspetti d’interesse

I

0,24 mm

?

E) Prevederee la distribuzione dell’intensità di luce

x

I (x)

Per la situazione in cui la luce di un laser incide su una fenditura di 0,24 mm

DIFRAZION OTICHE 12


Effettuare la misura con l’uso di sensori on-line

e

Analizzare la distribuzione di intensità luminosa

al PC

Gervasio M, Michelini M (2009) Lucegrafo. A Simple USB Data Acquisition System for Diffraction Experiments, MPTL14 Proceeding, CD-ROM and http://www.fisica.uniud.it/URDF/mptl14/contents.htm

Michelini, Stefanel



Analisi quantitativa della distribuzione di intensità di luce

Xm vs mXM vs MxM vs IM

Posizione MINIMI Posizione MASSIMI Intensità dei massimi vs ordine dei minimi vs ordine dei massimi vs posizione dei massimi

2

sin

z

zII o

m

a

sin

If D>> a L D

ma sin

sina

z a

x

x0

L

D

am

D

xxm

0



tgzz

a

Msen2

12

aM

aD

xxM

20

220 12

4

MI

IM

01

01

xx

xx

I

I

M

M

M

M

2

0

1

zII

a

Ma

z2

12sin



Modellizzare sulla base del principio di Huygens e fit dei risultati sperimentali previsti sulla base di un modello

basato sul principio di Huygens-Fresnel.


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.


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?


IBL Tutorial worksheets (PEC cycles)WS1) riconoscimento della diffrazionePrincipali caratteristiche in situazioni della quotidianitàAnalisi qualitativa della figura di diffrazione di luce laser filtrata da una fenditura di largezza aWS2) EXP: posizione dei minimi vs ordine dei minimiWS3) EXP posizione dei massimi vs ordine dei massimi; WS4) EXP: intensità dei massimi vs posizione dei massimiWS5)EXP: differenti larghezze a, a’ e a’’ e differenti distanzeWS6) modeling e fit dei dati con modello

Analisi qualitativa

Esperimenti On line

Modeling

Strumenti di monitoraggio


Pre/Post TestCome cambiano le concezioni degli studenti sulla diffrazione ottica (estensione e intensione dei concetti esplorati)9 quesiti (Q1-Q9) – con 2-3 domandeQ1-2-3: diffrazione nei fenomeni quotidiaiQ4-5-6: 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 diffrazioneDa singola fenditura (larghezza 0,2 mm)Q8 elaborazione di dati sperimentali riguardanti intensità e posizione di massimiQ9 Immagini di diffrazione e richiesta di rappresentare la distribusione di intensità in funzione della posizione in funzione delle diverse larghezze di fenditura usate

Strumenti di monitoraggio


MetodologiaAnalisi 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


WS1.1 Observe a light source through the gap formed between two fingers placed very close.Describe/illustrate..

Linee // ai bordi16/29

Perdita di definizioneBordi sfuocatiLuce sfuocata, oscurata (7/29)

Raggi o fasci diffusi (2/29);

La pelle delle dita sembra fondersi o le linee tendono a fondersi (4/29);


•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 si espande 7La luce rimane la stessa La luce si espande

verticalmente (nella stessa direzione della fenditura)

6

La luce rimane la stessa Più linne all’interno 2


Esperimento

Ponti/linee (7/29).

(21/29)Allargamento alla fenditura

•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


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


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


D) Previsione della distribuzione di intensità per feditura dii 0,2 mm

14/29

2/29

12/29

1/29 NR

4/12


D) Previsione della distribuzione di intensità per feditura dii 0,2 mm

14/29

2/29

12/29

4/12

Linee // al bordo 16/29

11/29

10/29

7/29


Rappresentazioni del grafico sperimentale

1/29

28/29


1/29

Previsioni


28/29


1/29

Esperimento


28/29


maD

xxm

0

Analisi della posizione dei minimi vs m effettuata dagli studenti


Analisi della posizione dei massimi vs M effettuata dagli studenti


20

1

xxkI

M

M

Analisi dell’intensità dei massimi in funzione della loro posizione effettuata dagli studenti


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)


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)

- In singoli casi:

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


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)

Dati comuni all’insieme degli studenti di tutte le sperimentazioni (N=85)

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:

•Includere l’osservazioen qualitativa di differenti situazioni in cui si ha diffrazione …•…ma anche situazioni in cui NON si ha diffrazione

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

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 della luce.Un’attività di modeling e fit di dati con

modello può aiutare gli studenti a cambiare il proprio paradigma sulla natura della luce


www.fisica.uniud.it/URDFhttp://www.fisica.uniud.it/URDF/secif/ottica/ottica.htm

Grazie dell’attenzione

F Corni, V Mascellani, E Mazzega, M Michelini, G Ottaviani, A simple on-line system employed in diffraction experiments, in Light and Information, Girep book, L C Pereira, J A Ferreira, H A Lopes Editors, Univ. do Minho, Braga 1993Michelini M, Stefanel A, Santi L (2004) Teacher training strategies on physical optics: experimenting the proposal on diffraction, in Quality Development in the Teacher Education and Training, Michelini M ed., selected papers in Girep book s, Forum, Udine [ISBN: 88-8420-225-6], pp.568-576Michelini M, Stefanel A (2007) Interpreting Diffraction Using the Quantum Model, selected papers in Modelling in Physics and Physics Education, Van den Berg E, Ellermeijer T, Slooten O eds., selected papers in GIREP publication, University of Amsterdam, Amsterdam, [978-90-5776-177-5], pp. 811-815 and in www.girep2006.niGervasio M, Michelini M (2009) Lucegrafo. A Simple USB Data Acquisition System for Diffraction Experiments, MPTL14 Proceeding, CD-ROM and http://www.fisica.uniud.it/URDF/mptl14/contents.htm

V.Mascellani, E.Mazzega, M.Michelini, L'elaboratore on-line per lo studio di figure di diffrazione ottica, Ricerche in Didattica della Fisica, Atti del VII Convegno Nazionale GNDF, Pavia 1988, pag.251V.Mascellani, E.Mazzega, M.Michelini, Un sistema per esperienze di ottica on-line e indicazioni per attività didattiche nello studio della diffrazione ottica, La Fisica nella Scuola, XXV, 1 (Speciale congiunto AIF-SIF), 1992 p.132Michelini M (2010) Diffrazione: appunti a supporto dell’attività sperimentale, in Proposte didattiche sulla fisica moderna, Strumenti per una didattica laboratoriale, Michelini M ed., MIUR-PLS-UniUD, Udine [ISBN 978-88-97311-04-1], pp.127-141Michelini M, Stefanel A, Santi L (2002) Un percorso di esperimenti con sensori on-line in ottica fisica, in Nuovi obiettivi, curricoli e metodologie nella didattica della matematica e delle scienze , V Dileo, R Fazio, G Leoci eds, ADT, Bari, p.146Michelini M, Santi L, Stefanel A (2006) Esperimenti e modelli in ottica fisica per l’innovazione didattica e la formazione degli insegnanti, in Incontri di discipline per la didattica, Griggio C ed., Franco Angeli, Milano (Italy) [ISBN: 88-4647-735-9], pp. 365-392

http://www.girep2006.ni/

http://www.fisica.uniud.it/URDF/mptl14/contents.htm

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