Misurare la costante di Rydberg con uno spettrofotometro fatto in casa P. Onorato, M.Malgieri, A. De Ambrosis Dipartimento di Fisica Università di Pavia 101° Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica Roma settembre 2015

ANALISI CON ACQUISIRE LE IMMAGINI OBIETTIVO!!! “MISURE DI POSIZIONE E INTENSITA’” JPEG

FILTRI CON TRASMISSIONE VARIABILE 100%-80%-60%-40%-20% Utilizzando lo strumento “profilo di linea” il software Tracker consente di misurare la luminosità (the brightness) lungo una linea Tracker fornisce la luminosità in unità “luma” e la posizione in pixels Luma è una somma pesata nelle componenti primarie RGB che rispecchia la luminosità percepita in un immagine fotografica Correzione-gamma Per ottenere una quantità proporzionale all’intensità luminosa dai valori RGB analizziamo l’immagine utilizzando la Correzione-gamma Y è una stima della luminanza proporzionale all’intensità luminosa (potenza su area) COSA STIAMO MISURANDO? BRIGHTNESS LUMINANCE Y(luma) = R G B GAMMA-CORRECTED ESPERIMENTO PRELIMINARE

La misura dell’intensità dipende dalla risposta dell’apparato (fotocamera, lenti ….) che dipende dalla lunghezza d’onda. K. H. Elliott and C. A. Mayhew, “The use of commercial CCD cameras as linear detectors in the physics undergraduate teaching laboratory,” Eur. J. Phys. 19, 107–117 (1998). Bringing the Digital Camera to the Physics Lab M. Rossi, L. M. Gratton, and S. Oss The Physics Teacher 51, 141 (2013) JPEG RAW JPEGRAW CONVERSIONE E RAW - JPEG PROBLEMI SATURAZIONE RISPOSTA SPETTRALE NARROW SLIT DIFFRACTION

Posizione dei minimi di interferenza e diffrazione FOTO DA THE REMOTELY CONTROLLED LABORATORIES - RCLS ( Foto di interferenza e diffrazione analizzate con Tracker MISURE DI LUMINOSITA’ E POSIZIONE Luce ambientale DIFFRAZIONE DA SINGOLA FENDITURA

Due tipi di spettrometro: SC 570, (reticolo da 570 l/mm fotocamera digitale compatta geometria lineare) SP 1000, (reticolo 1000 l/mm, smartphone) GLI SPETTROMETRI FATTI IN CASA EXPERIMENTAL SETUP SPETTRI SIMMETRICI ORDINI DIVERSI

CALIBRAZIONE DELLA LUNGHEZZA D’ONDA ( -CALIBRATION) Luce prodotta da una lampada commerciale a fluorescenza Rivestimento di materiale fluorescente (Europio e Terbio) emissione da Mercurio EXPERIMENTAL SETUP LINEARITA’ Costruzione delle rette di calibrazione: buona linearità

I S0 ( ) spectral irradiance of the solar disk at Earth's surface Y S0 ( ) misura di luminosità gamma corretta R( )=Y S0 ( )/I S0 ( ) relative sensitivity I( )=Y( )/R( ) Intensità corretta SPECTRAL IRRADIANCE Sulla superficie Misura della risposta spettrale e calibrazione dell’intensità EXPERIMENTAL SETUP La correzione è necessaria per ottenere una quantità proporzionale all’intensità partendo dalle misure di luminosità

Brightness (luma) Wavelength (nm))  CORRECTION CORRECTION EXPERIMENTAL SETUP LAMPADE FLUORESCENTI SPETTRO NOTO

. MISURA DELLA COSTANTE DI PLANCK USANDO DEI LED COLORATI MISURE DEGLI STUDENTI Misure di lunghezza d’onda fatte con gli spettrometri e caratteristica I-V misurata con sensore tensione corrente PASCO

MISURE DELLA SERIE DI BALMER E STIMA DELLA COSTANTE DI RYDBERG Le foto sono state scattate con SP 1000 mentre, per le misurazioni necessarie per la calibrazione, lo spettrometro viene dapprima puntato una lampada a mercurio. Le misure sono state ottenutie per 11 scatti dello spettro di un lampada ad idrogeno. Solo tre [B  (rosso, n i = 3), Bβ (ciano, n i = 4) e Bγ (blu, n i = 5)] delle quattro linee della serie di Balmer sono catturate dalla macchina fotografica, perché la quarta linea è fioca e molto vicina al limite UV dello spettro visibile. MISURE DEGLI STUDENTI Mercury calibration

Il valore ottenuto dagli studenti è R=1.097 ±0.004× 10 7 m -1 che differisce di meno dello 0.06% dal valore accettato × 10 7 m −1 e un’incertezza relativa sulla misura di 0.4%. Sperimentazione con 20 studenti del TFA RISULTATI MISURE DEGLI STUDENTI

risultati analizzati utilizzando una griglia di valutazione (Rubric) che include vari punti RISULTATI Gli studenti non chiariscono bene obiettivi e procedura. ANALISI DELLE RELAZIONI DI LABORATORIO

I commenti degli studenti evidenziano il ruolo formativo svolto da queste attività sperimentali e la loro utilità nell’introdurre il metodo della ricerca scientifica anche agli studenti delle scuole superiori "L'uso di analisi delle immagini può essere un utile strumento per introdurre e portare alla fisica anche gli studenti che non amano le materie scientifiche.... Attraverso l'uso del software è possibile trasformare qualsiasi aula in un laboratorio...." "L'attività è utile perché permette di sperimentare in prima persona le difficoltà di un processo di misura sperimentale.... Fornisce una buona idea del lavoro degli scienziati.... ti permette di lavorare in modo efficace sulle competenze specifiche della ricerca scientifica. " “lo studente può esplorare le fasi tipiche di una ricerca sperimentale: individuazione di un obiettivo,.... la necessità di calibrare l'apparato...., la necessità di analizzare i dati raccolti trovando i valori delle misure e delle incertezze da assegnare ad ogni misura,... la successiva discussione degli errori e il confronto dei risultati ottenuti, al fine di valutare la compatibilità tra i valori misurati e quelli noti. " COMMENTI DEGLI STUDENTI RISULTATI

SVILUPPI FUTURI STUDIO DELLA FLUORESCENZA CON GLI EVIDENZIATORI Transmission Fluorescent emission

K. H. Elliott and C. A. Mayhew, “The use of commercial CCD cameras as linear detectors in the physics undergraduate teaching laboratory,” Eur. J. Phys. 19, 107– 117 (1998). M. Rossi, L. M. Gratton, and S. Oss Bringing the Digital Camera to the Physics Lab The Physics Teacher 51, 141 (2013) A. Ramil - A. J. López - F. Vincitorio -Improvements in the analysis of diffraction phenomena by means of digital images American Journal of Physics - Vol Issue p. 999 (2007) R. D. Lorenz "A simple webcam spectrograph" Am. J. Phys. 82, (2014) Z. J. Smith, K. Chu, A. R. Espenson, M. Rahimzadeh, A. Gryshuk, M. Molinaro, D. M. Dwyre, S. Lane, D. Matthews, and S. Wachsmann-Hogiu, “ Cell-phone- based platform for biomedical device development and education applications,” PLoS One, 6, e1570 (2011). D. Brown and A.J. Cox, "Innovative Uses of Video Analysis" The Physics Teacher,47, , (2009) P. Onorato, M. Malgieri, A. De Ambrosis “Measuring the Hydrogen Balmer series and the Rydberg's constant with a home made spectrophotometer” Eur. J. Phys. in press (2015) Y. Kraftmakher “Experiments with light-emitting diodes” Am. J. Phys. 79, (2011) BIBLIOGRAPHY

The students’ laboratory reports are evaluated by means of the rubric below reported RUBRIC ANALYSIS OF LABORATORY REPORTS: EVALUATION TOOLS RESULTS

SOMMARIO 1)MEASURING LIGHT INTENSITY WITH TRACKER AND INTRODUCTION TO THE IMAGE ACQUISITION WHAT ARE WE MEASURING? PROBLEMS 2)MEASURING BRIGHTNESS AND POSITION 3)HOMEMADE SPECTROMETERS: APPARATUS AND SET UP * EXPERIMENTAL SETUP * THE WAVELENGTH CALIBRATION * THE I CALIBRATION 4)EXPERIMENTS AND STUDENTS MEASUREMENTS ° MEASURING PLANCK’S CONSTANT WITH LEDS ° MEASURING THE HYDROGEN BALMER SERIES AND THE RYDBERG'S CONSTANT 5) RESULTS: USING THE EXPERIMENTS WITH STUDENT TEACHERS # STUDENTS MEASUREMENTS # ANALYSIS OF LABORATORY REPORTS # DISCUSSING WITH STUDENTS 6) FUTURE DEVELOPMENTS