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mercoledì 5 dicembre 2018

Misurare la velocità della luce in classe

Il famoso esperimento di Michelson e Morley per la misurazione della velocità della luce era costituito da un sistema più o meno complicato di specchi rotanti. Senza realizzare sistemi complicati, si può provare a misurare la velocità della luce anche in classe: l'obiettivo, però, non è quello di determinare tale valore nel vuoto, ma in differenti mezzi, in modo da far comprendere agli studenti come la velocità della luce non sia la stessa in ogni occasione.
Per lo scopo si utilizza un misuratore di distanza laser, ovvero uno strumento che determina la distanza utilizzando un laser. Tale dispositivo è stato costruito per le misurazioni in aria, e dunque la velocità della luce da considerare è quella nell'aria, ovvero \[c_{air} = 29970551819 \frac{m}{s}\] Poiché la misurazione è fatta per un viaggio di andata e ritorno, la distanza visualizzata sullo schermo $s_l$ è data dalla formula \[s_l = c_{air} \cdot \frac{t}{2}\] Se si utilizza un laser di questo genere per misurare la lunghezza di un oggetto trasparente, confrontando la distanza visualizzata sullo schermo con le dimensioni reali $s_r$ dell'oggetto è possibile ricavare la velocità della luce nel mezzo.
In particolare, poiché \[s_r = c_{mezzo} \cdot \frac{t}{2}\] è un facile esercizio di confronto ricavare la velocità della luce nel mezzo: \[c_{mezzo} = \frac{s_r}{s_l} \cdot c_{air}\] A questo punto si possono mettere ai capi del laser vari materiali trasparenti. Nel caso dei liquidi si può utilizzare un contenitore trasparente da riempire di volta in volta con un liquido differente.
Risulta interessante esaminare i risultati ottenuti, anche nell'ottica del livello scolastico degli studenti: la prima e più ovvia osservazione è quella sul legame tra la velocità della luce nel mezzo e la densità di quest'ultimo - più è grande quest'ultima, più è bassa la velocità della luce; una seconda e più profonda osservazione può essere fatta quando si considera che la velocità della luce è maggiore in aria, poi diminuisce nei liquidi e diventa molto bassa nei poliacrilici. Questo fatto, però, è in contraddizione con il comportamento delle onde, come ad esempio il suono, poiché la velocità aumenta all'aumentare della densità del mezzo attraversato. E questo permette di introdurre alla discussione quantistica sulla doppia natura della luce.
Heiszler, F. J. (2016). Measuring the speed of light in classroom. Physics Education, 52(1), 013009. doi:10.1088/1361-6552/52/1/013009

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