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Gli studenti di Scienze della formazione è i nodi concettuali di ottica: Analisi di alcuni quesiti interessanti sul questionario di ottica.

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Presentazione sul tema: "Gli studenti di Scienze della formazione è i nodi concettuali di ottica: Analisi di alcuni quesiti interessanti sul questionario di ottica."— Transcript della presentazione:

1 Gli studenti di Scienze della formazione è i nodi concettuali di ottica: Analisi di alcuni quesiti interessanti sul questionario di ottica

2 Contesto 83 studenti di Scienze della formazione primaria a.a. 2014/15 Che hanno affrontato il questionario come prova parziale d’esame.

3 Un caso di successo Il 93% degli studenti ha risposto in modo coerente ed esauriente ai quesiti Q1.1-4,. La discussione qui riportata in cui vengono tracciati i raggi che rendono conto delle risposte è patrimonio solo di «pochi» (1/83)

4 Q3: Riflessione e immagine: una convivenza problematica?

5 Tipologia A: 41/83 (49%) indica una posizione da cui effettivamente si può osservare l’immagine, Tipologia B: 42/83 (51%) indicano regioni da cui non si può vedere l’immagine) All’interno della metà delle risposte del rimo tipo si risposte si possono riconoscere alcune differenziazioni: 10/41 costruiscono i percorsi dei raggi estremanti illustrando anche come hanno applicato la legge della riflessione per costruire i raggi rifessi estremanti all’interno dei quali posizionarsi per vedere l’immagine di A 16/41 costruiscono in modo qualitativo i percorsi dei raggi estremanti, in genere tracciando solo la normale ai punti di incidenza, indicando anche in questo caso i raggi riflessi estremanti all’interno dei quali posizionarsi per vedere l’immagine di A 3/16 specificano anche in quale posizione compresa tra i raggi incidenti e quelli riflessi non è possibile vedere la sorgente

6 26/41 (10/ /41) Tipiche motivazioni si focalizzano o sulla legge con cui sono stati costruiti i raggi e sul perché sono stati scelti quegli specifici raggi: «Una persona deve mettersi nella zona C. Per il fenomeno della riflessione il raggio riflesso è riflesso dallo specchio con lo stesso angolo con cui il raggio incidente colpisce lo specchio» [L’illustrazione esplica la risposta; la didascalia focalizza come la legge della riflessione viene applicata per indicare come i singoli raggi sono stati costruiti] «Nella posizione compresa tra i raggi riflessi R1 e R2 (es. in C). Perché alcuni raggi luminosi colpiscono una parte dello specchio generando dei raggi riflessi: in questa zona è quindi possibile vedere l’immagine riflessa si A» «C è la zona dove viene riflessa l’immagine. I raggi luminosi devono riuscire a superare l’ostacolo, perché per vedere l’immagine riflessa basta che l’immagine arrivi allo specchio» Tipologia A: 41/83 (49%) indica una posizione da cui effettivamente si può osservare l’immagine

7 11/41 costruiscono i percorsi dei raggi estremanti, senza rispettare nella riproduzione grafica la legge della riflessione Raggi riflessi paralleli (7/11) sorgente estesa e raggi paralleli (1/11) raggi riflessi convergenti (3/11) Tipiche motivazioni: «La persona per vedere l’immagine si deve posizionare nel punto C, poiché l’immagine A si riflette su quella minima parte di specchio, cambia però grado di riflessione» «la persona di deve mettere nella zona compresa tra l’angolo di rifrazione e C, in quanto poi da questa zona sarebbe presente o troppa illuminazione o lo specchio non rappresenterebbe più l’oggetto fuori dell’angolo di rifrazione» «Per vedere l’immagine è necessario che questa arrivi allo specchio. Ho tracciato i raggi che riescono a superare l’ostacolo e a raggiungere lo specchio. Prendiamo i raggi estremanti: uno a filo dell’ostacolo e uno che arriva al termine dello specchio. Poi si riflettono tenendo conto che l’angolo incidente è uguale all’angolo riflesso. Così riusciamo ad individuare una regione di spazio dentro la quale posso vedere l’immagine di A.» Tipologia A: 41/83 (49%) indica una posizione da cui effettivamente si può osservare l’immagine

8 1/41 («Bisogna valutare dove si può vedere l’immagine riflessa di A tenendo conto del paravento e quindi della zona d’ombra e della lunghezza dello specchio. L’omino può vederlo solo in quella zona dove l’ho posto perché nella zona inferiore dello specchio i raggi della sorgente non riescono a raggiungere lo specchio a causa del paravento mentre nella parte superiore riescono a raggiungere lo specchio riflettendosi su di esso. Quindi la sorgente si vede nella zona di riflessione») [NB questo rientrerebbe nelle risposte sbagliate, ma viene messo qui perché ha tutti gli ingredienti delle risposte giuste] 3/41 («La persona deve posizionarsi nella zona in cui c'è il raggio riflesso». «Lungo il raggio riflesso». «Lungo la retta disegnata perché l’oggetto subisce il fenomeno della riflessione ovvero l’immagine viene riflessa dallo specchio con lo stesso angolo di incidenza rispetto alla normale») 4/41 danno risposte parziali. Tipologia A: 41/83 (49%) indica una posizione da cui effettivamente si può osservare l’immagine

9 Tipologia B: 42/83 (51%) indica una posizione da cui NON si può osservare l’immagine 21/42 indicano come regione quella soprastante il raggio incidente che parte dalla sorgente e lambisce il paravento, anche qui con precisazioni ulteriori 12/21 – individuando la zona di fronte allo specchio come in figura. «Ci si deve mettere sopra la retta di propagazione della sorgente perché sotto ad essa c'è il paravento (B) che impedisce alla luce della sorgente di arrivare allo specchio. La zona è delimitata dal raggio incidente e dal raggio riflesso dell'incidente che parte dalla sorgente e arriva all'estremità dello specchio» 6/21, estendendo la zona a "un qualsiasi posto al di sopra del prolungamento del raggio incidente della sorgente verso lo specchio«, ma comunque limitando la regione superiormente almeno nel disegno 3/21 estendendo senza limitazioni la zona di visibilità «Nella parte superiore dello specchio, la sorgente viene riflessa. Nella parte inferiore invece il bordo limite tra luce e ombra va oltre l'ultimo pezzo dello specchio, perciò la luce della sorgente non viene riflessa. Per poter vedere l'immagine A riflessa si trova sopra AP». «Poiché il paravento non permette ai raggi luminosi di riflettersi sullo specchio si possono escludere tutte le posizioni in cui il paravento interferisce il percorso del raggio incidente verso lo specchio»

10 Tipologia B: 42/83 (51%) indica una posizione da cui NON si può osservare l’immagine Per altri 15/42 la normale al punto di incidenza ha un ruolo essenziale 13/15 delimitando la zona di visibilità dell’immagine tra raggio riflesso e normale («La persona può vedere l'immagine di A riflessa dallo specchio, solo nel caso in cui si posizioni sopra la normale dell'angolo riflesso). 2/15 posizionandosi sulla normale ("la persona dovrà essere alla stessa altezza dalla parte di specchio colpita dalla luce". "Nella perpendicolare dell'angolo riflesso«)

11 Tipologia B: 42/83 (51%) indica una posizione da cui NON si può osservare l’immagine 3/6 Sulla retta di propagazione del fascio («E’ possibile vedere l'immagine riflessa: ci si dovrebbe mettere sulla retta di propagazione poiché spostandosi si trova il paravento che impedisce alla luce di arrivare allo specchio» 1/6 «Nella posizione 1 sicuramente si vede l'immagine riflessa di A. Anche in 3 si vedrebbe l'immagine riflessa perché la luce viaggia in linea retta». 2/6 I raggi luminosi devono superare l'ostacolo arrivando così allo specchio, Tracciamo quindi i raggi luminosi che superano l'ostacolo. 6/42 individuano delle rette non adeguate, o non riescono proprio a definire la regione, pur basandosi su assunti corretti

12 Nel rispondere al quesito la chiara comprensione della legge della riflessione, come pure di quali sono i raggi estremanti grazie ai quali si riesce ad individuare la zona da cui si osserva l’immagine sono ovviamente importanti, ma non sembra essere decisiva: -vi sono infatti non pochi studenti (15/41) che pur applicando in modo approssimativo la legge della riflessione, ovvero non individuando adeguatamente i raggi estremanti, rispondo adeguatamente al quesito (risposte della tipologia A) -d’altro canto la gran parte degli studenti (34/52) che non ha saputo dare una risposta adeguata (Risposte della tipologia B) ha dimostrato comunque di possedere una adeguata conoscenza della legge della riflessione e di aver compreso quali sono i raggi estremi da tenere in conto. Ciò si spiega con il fatto che il quesito mette in campo anche le concezioni su «dove si forma l’immagine». Molte delle risposte della tipologia B sono evidentemente basate sull’idea che l’immagine si formi sullo specchio nel punto di incidenza della luce, ma, bisogna osservare che tale concezione vien applicata in modo incoerente (ad esempio nessuno sostiene che si può vedere l’immagine della sorgente ponendosi nella zona compresa tra il paravento e lo specchio). È presumibile che questa «incoerenza» sia la spia di un processo di evoluzione concettuale, ovvero di un modello di transizione: dall’idea di immagine sullo specchio a quella di immagine formata da raggi. Commento ai dati emersi dall’analisi delle risposte date a Q3.

13 Indicazione didattica: è estremamente importante proporre situazioni diverse in cui si ricostruisce la posizione dell’immagine a partire dalla legge. Alcuni esempi come variazioni sul tema Domande tutoriali: -Quali raggi emessi dalla sorgente vengono riflessi dallo specchio? tracciarli -Costruire i prolungamenti dei raggi riflessi oltre lo specchio per costruire il punto immagine di A -Individuare dalla costruzione fatta le zone da cui è visibile l’immagine di A

14 Ombra penombra, diffusione ….Non è solo un problema di geometria, ma anche di fisica (il ruolo dell’intensità della luce nell’ottica geometrica) Q4. Perché nelle giornate nuvolose non si vede l’ombra degli oggetti? Spiegare NRNr2 A Intensità di luce non è sufficiente per creare le ombre36 B Per la riflessione diffusa. La diffusione. La luce viene mandata in tutte le direzioni.12 C A causa della diffusione la luce non proviene da un'unica direzione4 D L'oggetto viene illuminato nella direzione del sole e da altre direzioni4 E Non ci sono raggi che arrivano in un punto (l'ombra non è nitida è dispersa)13 F Si crea una zona di penombra8 G Le nuvole che sono corpi opachi molto consistenti bloccano il passaggio della luce4 Questo quesito è stato il più problematico. Le risposte D ed E sono state considerate corrette, pur nella loro parzialità, le risposte di tipo C è stata considerata parzialmente corretta

15 Il modello predominante per spiegare il perché in una giornata nuvolosa non si formano nuvole è quello della bassa intensità della luce che viene trasmessa in forma diffusa dalle nuvole (Cat A - 36/84 pari al 43%). Ci si potrebbe chiedere: come mai nelle giornate assolate, in cui l’intensità della luce diffusa che proviene dal cielo o comunque maggiore di quella diffusa nelle giornate nuvolose, si formano comunque lo ombre? L’ombra formata da un ombrellone è ombra o penombra? Il precedente modello a volte viene spiegato con quello dei raggi diffusi (categoria B - 12/83 pari al 14%), che ha una minore consistenza numerica ed è stato mantenuto separato perché compare autonomamente. Questo secondo modello, quando non accompagnato da considerazioni sull’intensità della luce, rimanda al meccanismo della visione per cui si vedono gli oggetti perché siamo immersi in un mare di luce. I due ultimi modelli (F: «le nubi assorbono la gran parte dei raggi luminosi riflessi dal sole creando sulla superficie una zona di penombra» (8/84) e G (4/84) (nel complesso) 14%) «Perché la luce viene in parte assorbita dalle nuvole e in parte diffusa in tutte le direzioni. L’ombra di un oggetto è assenza di luce dovuta a un corpo opaco che si trova tra la fonte luminosa e la zona da essa illuminata. Le nuvole che sono corpi opachi molto consistenti bloccano il passaggio della luce») attingono al processo con cui si forma l’ombra creando un modello ibrido.

16 I tre modelli C, D, E (he coinvolgono risposte = 21/83 pari al 25%) includono solo parte degli elementi che rendono conto del perché non si formano le ombre nelle giornate nuvolose: -Il fatto che la luce non arrivi sugli oggetti da un’unica direzione (C - «La luce che si vede è diffusa dalle nuvole: non viene da una direzione precisa, ma da più direzioni e non può fare l'ombra. Per fare l'ombra devo mettere uno schermo contro la luce diretta») -L’illuminazione dell’oggetto (indicata esplicitamente) da più parti (D – «L'oggetto viene illuminato nella direzione del sole e da altre direzioni») -Il fatto che i raggi essendo diffusi non arrivano tutti su un punto (D – «Non ci sono raggi che arrivano in un punto (l'ombra non è nitida è dispersa)»), modello che pare sottendere il fatto che la luce incidente sull’oggetto non proviene da un’unica direzione, pur senza esplicitare effettivamente questo punto essenziale.

17 I diversi modelli hanno diversi punti di contatto e in certe risposte effettivamente hanno trovato delle sintesi: «la luce del sole non riesce ad arrivare in maniera forte agli oggetti, poiché le nuvole determinano un fenomeno di diffusione della luce. La nuvola presenta asperità e i raggi sono sparpagliati in tutte le direzioni quindi c'è della luce diffusa ma non intensa» (modelli A e B) «i raggi diffusi in tutte le direzioni non riescono a raggiungere gli oggetti»; «si crea una zona di penombra perché la luce non arriva diretta» (modelli B e G) «Perché la luce viene in parte assorbita dalle nuvole e in parte diffusa in tutte le direzioni. L’ombra di un oggetto è assenza di luce dovuta a un corpo opaco che si trova tra la fonte luminosa e la zona da essa illuminata. Le nuvole che sono corpi opachi molto consistenti bloccano il passaggio della luce» (modelli B e F) «1) la luce non è sufficientemente intensa; 2) l'ombra c'è ma non la percepiamo; 3) la luce viene diffusa in tutte le direzioni --> la nuvola diffonde in tutte le direzioni e non sono dei precisi raggi che arrivano in un punto. Non si forma un'ombra nitida. L'ombra fa da sistema diffondente» (Modelli A, B, C, E)

18 Anche a questo quesito praticamente nessuno ha risposto in modo adeguato. La categoria di risposta prevalente sottolinea che si ha un buon illuminamento per diffusione e quindi non si può avere con uno specchio, ovvero che lo specchio non diffonde la luce e pertanto la stanza non è ben illuminata (62/83 pari al 75%) «La stanza sarebbe male illuminata perché il soggetto vede la lampadina riflessa sugli specchi ma non c'è diffusione di luce» «Sarebbe male illuminata perché lo specchio riflette l'immagine, ma non diffonde la luce. Si vedrebbero solo tante lampadine». «male illuminata. Non c’è diffusione. Le lampadine farebbero luce a se stesse» «l'illuminazione è data dal processo della diffusione. Vedrei solo tante lampadine» Una minoranza afferma che si vedrebbero solo tante lampadine ma la stanza sarebbe comunque male illuminata (15/83 pari 1l 16%) «Male illuminata, vedrei solo tante lampadine e o specchio farebbe luce solo a se stesso» «vedrei tante lampadine ma niente dentro» ha avuto esiti disa NRMale illuminata, si vede la lampadina riflessa sugli specchi ma non c'è diffusione di luceMale illuminata, vedrei solo tante lampadine e lo specchio farebbe luce solo a se stessoRagi perpendicolari/raggi sghembilo specchio illumina poco e malemale illuminara per i fenome della riflessione e rifrazione, la luce sarebbe poco intensaPer effetto di tutti quegli specchi sarebbero riprodotte in tutta la stanza tantissime lampadine, ma non si vedrebbe niente (a acausa della troppa luce) Q9. Si immagini di essere in una stanza con le pareti, il pavimento, il soffitto ricoperti totalmente di specchi perfettamente riflettenti, e con una sola piccola lampadina da bicicletta. Q11.1 La stanza sarebbe bene o male illuminata? Perché? Riflessione dell’oggetto o riflessione della luce e… intensità

19 Una minoranza afferma che si vedrebbero solo tante lampadine ma la stanza sarebbe comunque male illuminata (16/83 pari al 18%) «Male illuminata, vedrei solo tante lampadine e o specchio farebbe luce solo a se stesso» «vedrei tante lampadine ma niente dentro» Una studentessa precisa però: «Se il fascio di luce incidente è perpendicolare alla superficie il raggio risulterà riflettersi solamente in un punto, senza la sua propagazione, se invece la sorgente luminosa incide sullo specchio formando un angolo di incidenza inferiore a 90# il raggio luminoso si rifletterà su tutte le pareti. In entrambi i casi però l'illuminazione tuttavia, è poca perché lo specchio fa sì che venga riflessa l'immagine e non la luce, quindi avremo tante immagini della lampadina, ma poca luce» Q9. Si immagini di essere in una stanza con le pareti, il pavimento, il soffitto ricoperti totalmente di specchi perfettamente riflettenti, e con una sola piccola lampadina da bicicletta. Q11.1 La stanza sarebbe bene o male illuminata? Perché? Riflessione dell’oggetto o riflessione della luce e… intensità

20 Risposte di singoli: -«lo specchio illumina poco e male» -«male illuminata per i fenomeno della riflessione e rifrazione, la luce sarebbe poco intensa» In due soli casi (uno per altro in modo contraddittorio) affermano che «Per effetto di tutti quegli specchi sarebbero riprodotte in tutta la stanza tantissime lampadine, ma non si vedrebbe niente (a causa della troppa luce)» «La stanza è male illuminata, perché gli specchi riflettono l'immagine della sola sorgente, ma non illuminano tutto quanto. Per assurdo però è ben illuminata se gli specchi "funzionano bene" e non c'è niente nella stanza»

21 Prossimamente: Sorgenti puntiforme, estese e formazione delle ombre: un problema solo di geometria?

22 Prossimamente: L’incidenza normale: questa sconosciuta


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