Ποιο χρώμα φωτός απορροφάται περισσότερο από την "ομίχλη";

Η δραστηριότητα αυτή πραγματοποιήθηκε από τους μαθητές Σ. Άγγελο, Τ. Ράνια, Όλγα Χ. και Χ. Έφη της Α’ Λυκείου του 2ου Γενικού Λυκείου Εχεδώρου,  στο πλαίσιο του μαθήματος της Τεχνολογίας.  Μαζί με την ανάπτυξη κώδικα στο προγραμματιστικό περιβάλλον Scratch, απαίτησε περίπου 6 διδακτικές ώρες. Οι μαθητές είχαν την ευκαιρία, μέσα από την αντιμετώπιση ενός πραγματικού προβλήματος, να ασκηθούν στην επιστημονική μεθοδολογία, να αναπτύξουν την αυτενέργεια και την εφευρετικότητά τους, να χειριστούν εργαλεία νέων τεχνολογιών (Scratchboard και Scratch) με τρόπο πρωτότυπο και πέρα από το πλαίσιο για το οποίο δημιουργήθηκαν.
Μπορείτε να εφαρμόσετε την πορεία που περιγράφεται παρακάτω τόσο στο μάθημα της Τεχνολογίας της Α' Λυκείου, δίνοντας ένα αντίστοιχο θέμα στους μαθητές σας, είτε στο μάθημα της Φυσικής Γ' Γυμνασίου, κατά τη διαπραγμάτευση του 6ου κεφαλαίου που αφορά στη φύση και τη διάδοση του φωτός.

(Λόγω της αξιοποίησης σε αυτό το σενάριο του Scratchboard, θα ήταν ενδεχομένως χρήσιμο καταρχάς να ενημερωθείτε  για το Scratchboard από αυτή τη σελίδα του ιστολογίου.)

Πρόκληση ενδιαφέροντος

• Γιατί οι προβολείς ομίχλης των αυτοκινήτων παλιά ήταν κίτρινοι ενώ πλέον είναι λευκοί;
• Εξαρτάται η απορρόφηση (ή αντίστοιχα η διεισδυτικότητα) του φωτός σε ένα οπτικό μέσο από το χρώμα του φωτός;

Σκοπός του εκπαιδευτικού σεναρίου είναι να διερευνηθούν τα παραπάνω ερωτήματα. Εύλογα, όμως, προσπαθώντας να τα προσεγγίσουμε ανακύπτουν νέα ερωτήματα, τόσο τεχνικής φύσης όσο και μεθοδολογίας.

Σχεδιασμός έρευνας

Πώς μπορούμε να μετρήσουμε την απορρόφηση του φωτός όταν διέρχεται από ένα οπτικό μέσο;

Η βασική ιδέα είναι να εξασφαλίσουμε μια σταθερής και μεγάλης φωτεινότητας πηγή, η οποία θα τοποθετηθεί στο ένα άκρο του οπτικού μέσου.  Για να μετρήσουμε την απορρόφηση του φωτός για διάφορα οπτικά μέσα, αρκεί να μπορούμε να μετράμε την ένταση του φωτός που εξέρχεται από τα μέσα αυτά, έχοντας διανύσει ίσου μήκους διαδρομές.

 Ως πηγή φωτός επιλέξαμε, κατά την εφαρμογή του σεναρίου, ένα φακό τσέπης με 18 λευκά LED, ιδιαίτερα υψηλής φψτεινότητας. Για να μετρήσουμε την ένταση του φωτός χρησιμοποιήσαμε την πλακέτα Scratchboard η οποία διαθέτει ενσωματωμένο αισθητήρα φωτός.

 Το Scratchboard επικοινωνεί με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του ελεύθερης διανομής προγραμματιστικό περιβάλλον Scratch. Για το λόγο αυτό γράφηκε ένα μικρό κομμάτι κώδικα (βλέπε παρακάτω βίντεο).

  

Πώς θα μπορέσουμε να μεταβάλλουμε του χρώμα του φωτός; Ποια χρώματα θα χρησιμοποιήσουμε για τις μετρήσεις;

Με δεδομένο ότι η πηγή που χρησιμοποιήσαμε ήταν λευκού φωτός, αποφασίσαμε να αξιοποιήσουμε τα έγχρωμα φίλτρα που συνοδεύουν την 1η εργαστηριακή άσκηση της Φυσικής Γενικής Παιδείας της Γ' Λυκείου (Εικόνα 1) για να παράγουμε 6 διαφορετικά χρώματα, αν και η αρχική ιδέα ήταν να χρησιμοποιηθούν διαφόων χρωμάτων ζελατίνες συσκευασίας. Η επιλογή αυτή έγινε ώστε να μπορούν να αναπαραχθούν τα αποτελέσματα από μαθητές κι άλλων σχολείων.
Επειδή τα ίδια φίλτρα απορροφούν με διαφορετικό τρόπο μέρος του λευκού φωτός, μετρήσαμε την ένταση του φωτός αμέσως μετά την διέλευση από το φίλτρο και πριν εισέλθει στο υπό μελέτη οπτικό μέσο, και λάβαμε υπόψη τις μικρές διορθώσεις στις τιμές που καταγράψαμε τελικά για την απορρόφηση του φωτός από το οπτικό μέσο.

 Εικόνα 1. Τα έγχρωμα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη.

  

Ποιο οπτικό μέσο θα χρησιμοποιήσουμε και πώς θα μεταβάλλουμε τις οπτικές ιδιότητες του μέσου;
Η δημιουργία ομίχλης θεωρήθηκε δύσκολο και επικίνδυνο να πραγματοποιηθεί στο σχολικό εργαστήριο. Έτσι, αποφασίστηκε, μετά από καταιγισμό ιδεών, να χρησιμοποιηθεί υδατικό διάλυμα του οποίου οι οπτικές ιδιότητες θα μεταβάλλονταν ρίχνοντας και ανακατεύοντας συγκεκριμένες μικρές ποσότητες συμπυκνωμένου γάλακτος. Το διάλυμα τοποθετήθηκε σε γυάλινη παραλληλόγραμμη λεκάνη που διαθέτουν τα σχολικά εργαστήρια.


Η πειραματική διάταξη

Μπροστά από τη φωτεινή πηγή εφαρμόστηκε ένα φίλτρο φωτός και το σύστημα τοποθετήθηκε στη μια πλευρά της γυάλινης λεκάνης  που γέμισε με 5 λίτρα νερό βρύσης. Στην απέναντι πλευρά τοποθετήθηκε το Scratchboard. Για να σταθεροποιηθεί τόσο η θέση της πηγής όσο και του αισθητήρα , χρησιμοποιήθηκαν κομμάτια φελιζόλ από συσκευασίες οργάνων του εργαστηρίου (Εικόνα 2).

Εικόνα 2. Η πειραματική διάταξη.

Οι μετρήσεις

Για κάθε έγχρωμο φίλτρο αλλά και για το λευκό φως μετρήθηκε η ένταση του φωτός που διαπερνά το καθαρό νερό. Στη συνέχεια, στο νερό προστέθηκαν σταγόνες συμπυκνωμένου γάλακτος  (Εικόνα 3) μεταβάλλοντας τις οπτικές ιδιότητες του μέσου. Για κάθε προσθήκη ποσότητας γάλακτος (τελικές τιμές: 1 ml, 2.1 ml και 3.2 ml, αντίστοιχα) αλλάζαμε διαδοχικά τα φίλτρα  και πέρναμε μετρήσεις της έντασης του φωτός (Εικόνες 4).

Εικόνα 3. Δημιουργία του γαλακτώματος

Συνολικά έγιναν 4 μετρήσεις για κάθε φίλτρο (4x6=24 μετρήσεις).

Εικόνες 4. Φωτισμός του διαλύματος με φως διαφόρων χρωμάτων.

Η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε παρουσιάζεται ολοκληρωμένη στο βίντεο που ακολουθεί.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων φαίνονται συγκεντρωμένα στο παρακάτω σχήμα. Στον κατακόρυφο άξονα αναπαριστάται, σε αυθαίρετες μονάδες, η ένταση του φωτός που καταγράφει ο αισθητήρας του Scratchboard. Στον οριζόντιο άξονα αναπαριστάται ο όγκος του γάλακτος που αναμίχθηκε στα 5 λίτρα νερού.

Συμπεράσματα

Από τις παραπάνω γραφικές παραστάσεις προκύπτουν διάφορα συμπεράσματα, πέρνοντας ως αναφορά την απορρόφηση του φωτός από το καθαρό νερό. (Ενδεχομένως, αν πέρναμε ως αναφορά την απορρόφηση από τον αέρα, τα αποτελέσματα να διαφοροποιούνταν.)

• Το λευκό φως των LEDs απορροφάται λιγότερο από ό,τι όλα τα υπόλοιπα χρώματα που μελετήσαμε. Το χρώμα αυτό μοιάζει πολύ με το φως που εκπέμπουν οι λαμπτήρες αλογόνου που χρησιμοποιούνται πλέον ως προβολείς ομίχλης στα αυτοκίνητα.
• Δεύτερο σε απορρόφηση χρώμα είναι το κίτρινο, γεγονός που υποδεικνύει γιατί χρησιμοποιούνταν μέχρι πρόσφατα στους προβολείς ομίχλης.
• Όλα τα χρώματα παρουσιάζουν μια εκθετική μείωση της διεισδυτικότητας με την αύξηση της περιεκτικότητας του διαλύματος σε γάλα.

Αν και τα αποτελέσματα που προκύπτουν είναι ποιοτικά σωστά και σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία, θα πρέπει να τονιστεί ότι δεν λάβαμε υπόψη το ενδεχόμενο ο αισθητήρας του Scratchboard να μην παρουσιάζει γραμμική απόκριση σε όλα τα χρώματα φωτός. Θα μπορούσε δηλαδή να είναι πιο ευαίσθητος σε κάποιο χρώμα προσθέτοντας κάποιο συστηματικό σφάλμα στις μετρήσεις μας. Κάτι τέτοιο ωστόσο, θεωρήθηκε πέρα από τους σκοπούς της συγκεκριμένης εργασίας.