Lezioni sulle ONDE. Laboratorio di fisica - ITIS. Lezioni sulle onde

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1 Lezioni sulle onde

2 Esempi : 1- Ad un amico si parla 2- Ad un amico, se e lontano si telefona 3- Oppure si scrive una lettera 4- Le torri di controllo comunicano via radio con i piloti 5- La luce verde del semaforo indica via libera 6- Il clacson avverte un pedone distratto L ENERGIA TRASPORTATA DA Ogni messaggio contiene una certa quantità di energia. Deve essere trasportata da chi invia a chi riceve SORGENTE RICEVITORE A) - Trasporto di energia accompagnato da trasporto di materia Trasmissione meccanica B) - Trasporto di energia senza trasporto di materia Trasmissione per onde

3 Segnali trasmessi per onde Fenomeno di perturbazione che trasporta energia senza trasportare materia. Acustici luminosi telefonici radiofonici televisivi Viviamo in un mondo pieno di fenomeni ondulatori: Naturali Artificiali Onde del mare terremoti luce Forni a microonde onde elettromagnetiche raggi x raggi ultravioletti

4 Sorgente: corde vocali, clacson, telefono, computer, antenna, radio Trasmissione per onde Mezzo: aria (per il suono), cavo telefonico, conduttore elettrico, le onde radio e la luce si trasmettono anche nel vuoto. Ricevitore: orecchie, ricevitore telefonico, occhi, un altro computer, antenna radio-ricevente All origine c è sempre una serie di impulsi di natura oscillatoria. -Vibrano le corde vocali -vibra la membrana dell altoparlante -oscillano gli elettroni in una antenna radio o in una lampadina Oscillazione di un oggetto Onde meccaniche Oscillazione di cariche elettriche Onde elettromagnetiche

5 RIEPILOGO Una massa che oscilla genera nel mezzo circostante Onde meccaniche Hanno necessariamente bisogno di un mezzo per propagarsi (aria, acqua, ecc.) Una carica elettrica che oscilla genera Onde elettromagnetiche Si propagano anche nel vuoto

6 Ricevitori Un tipo di onde meccaniche sono le onde sonore Un tipo di onde elettromagnetiche sono le onde luminose Le onde sonore Le onde luminose

7 TRASVERSALI E LONGITUDINALI SULLE in generale Trasversale Su una corda elastica Sulla superficie dell acqua Longitudinale Di compressione su una molla Di compressione di un gas in un tubo Onde sonore

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10 ONDA PERIODICA Un onda periodica può essere considerata come generata da una successione regolare e continua di singoli impulsi.

11 Onde di superficie (sasso gettato in uno stagno) l

12 Onde di superficie (sasso gettato in uno stagno) Fotografia dell onda

13 Derivano in parte dalla sorgente che le ha emesse, in parte dal mezzo in cui si propagano Frequenza ( f ) CARATTERISTICHE: Numero di oscillazioni al secondo (hz) Periodo ( T ) Durata di una oscillazione (sec) T = 1 / f Ampiezza Max distanza dalla posizione di equilibrio Onde persistenti Onde smorzate È legata all energia Lunghezza d onda (l) Spazio percorso in un periodo (m) Più usati cm Ä=10-8 cm Velocità di propagazione (m/sec) Varia col mezzo v = l / T = l f nel vuoto c=l f velocità della luce.

14 Fotografia dell onda Ampiezza Rappresentazione nello spazio Lunghezza d onda

15 Rappresentazione nel tempo Periodo

16 Perturbazione a carattere ondulatorio prodotta dalle oscillazioni di un mezzo elastico. Onde elastiche Si propagano tramite gli impulsi oscillatori da una molecola all altra del mezzo che attraversano. La mai perfetta elasticità di qualunque mezzo fa si che l onda si smorzi

17 Onde meccaniche RIEPILOGO 2 Generati in un solido (molla, corda, terreno) trasversali longitudinali Onde dell acqua Onde sonore Provocate dal vento o da un sasso Percepite dall orecchio trasversali longitudinali Velocità dell onda dipende da Densità del mezzo Elasticità del mezzo + densità + velocità

18 si propagano Le onde elettromagnetiche Nel vuoto Nei mezzi Laboratorio Con velocità di fisica - ITIS c =3x10 8 m/s Con velocità che dipende dalla densità del mezzo +densità -velocità Dalla frequenza dipendono le caratteristiche fisiche delle onde Al contrario delle onde elastiche In particolare l energia trasportata +frequenza +energia Vedi: spettro delle onde elettromagnetiche Maggiore potere penetrante

19 PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE: Due o più onde che si incontrano nel loro moto di propagazione si sovrappongono sommando algebricamente le loro ampiezze.

20 Sovrapposizione di due impulsi

21 Sovrapposizione di due impulsi

22 Sovrapposizione di due onde Un onda complessa può essere vista come risultante dalla sovrapposizione di più onde che si propagano nello stesso senso.

23 Fourier Due vibrazioni armoniche con frequenza una il doppio dell altra, si sovrappongono dando luogo ad una vibrazione periodica non armonica (curva tratteggiata). Ogni perturbazione periodica può essere analizzata armonicamente (teorema di Fourier).

24 FENOMENI CONNESSI Riflessione Rifrazione Diffrazione Diffusione Interferenza

25 Riflessione Il raggio (la direzione) dell'onda incidente, il raggio dell'onda riflessa e la normale alla superficie di riflessione nel punto di incidenza giacciono sullo stesso piano. L'angolo di riflessione r è uguale all'angolo di incidenza i. II fenomeno della riflessione si verifica quando un'onda incontra un ostacolo che non può attraversare. In tal caso, essa viene rinviata all'indietro. Possiamo facilmente osservare il fenomeno inviando un fascetto di luce su uno specchio.

26 Rifrazione Un raggio luminoso incide sulla superficie piana di un blocco di vetro. Si potrà osservare che una piccola parte dell'onda incidente viene riflessa, mentre la restante, dopo avere attraversato la superficie di separazione, cambia direzione.

27 Rifrazione La rifrazione si ottiene quando un'onda passa da un mezzo a un altro avente diversa densità e tale, quindi, da determinare una diversa velocità dell'onda. Nel passaggio, l'onda cambia direzione. Si può studiare il fenomeno utilizzando un fascetto di luce (onda ottica) che passi, ad esempio, dall'aria all acqua.

28 Diffusione

29 Riflessione totale Consideriamo, adesso, cosa avverrebbe se avessimo un proiettore in acqua che invia un fascetto di luce verso l'esterno (aria). In tal caso, siccome si passa da un mezzo più denso a uno meno denso, il fascetto di luce, quando attraversa la superficie di separazione dei due mezzi, subisce una deviazione allontanandosi dalla normale

30 Riflessione totale Se ruotassimo il proiettore in modo che l'angolo di incidenza i aumentasse, l'angolo di rifrazione r aumenterebbe anch'esso. Al valore dell'angolo di incidenza i al quale corrisponde un valore di r pari a 90, si da il nome di «angolo limite». Per valori di i superiori all'angolo limite non si ha più rifrazione; il fascetto di luce si riflette. Tale riflessione è detta «riflessione totale».

31 Riflessione totale Un'applicazione del fenomeno descritto si ha nelle cosiddette «guide di luce» costituite da fili molto sottili di vetro o di plastica (fibre ottiche) opportunamente piegati n modo da consentire, dopo una serie di riflessioni totali, di guidare la luce da un estremo all'altro. Esse trovano largo impiego in medicina e nelle telecomunicazioni. Anche i periscopi dei sommergibili consentono di guardare in superfìcie sfruttando la riflessione totale della luce operata dai due prismi.

32 Diffrazione dovuta ad un ostacolo Per diffrazione si intende la capacità delle onde di aggirare gli ostacoli. Naturalmente dipende tutto dalle dimensioni del corpo.

33 Diffrazione dovuta ad un foro Se al posto dell ostacolo poniamo una parete con un foro, al di là del foro si propaga una serie di onde circolari che si comportano come se la sorgente fosse posta nel foro stesso. Il fenomeno della diffrazione diventa vistoso quando l'ampiezza del foro è all'incirca uguale alla lunghezza d'onda della perturbazione.

34 DIFFRAZIONE

35 DIFFRAZIONE

36 Diffrazione

37 Quando due o più onde di eguale frequenza si sovrappongono, esse danno luogo a particolari figure dette «figure di interferenza». Si considerino ad esempio due sorgenti puntiformi S 1 e S 2 come in figura. Esse, siccome vibrano in perfetta sincronia, daranno luogo a due onde perfettamente uguali che si propagano nel liquido. Interferenza

38 Interferenza Queste due onde, sovrapponendosi, daranno luogo a figure di interferenza. In questa figura si possono notare strisce chiare generate dalla sovrapposizione di due gole separate da zone dove si sovrappongono creste e gole. In queste zone, il liquido è immobile.

39 Interferenza costruttiva e distruttiva La sovrapposizione di una cresta con una gola da luogo a «interferenze distruttive». Il risultato è che il tappo resta immobile. Se il tappo, invece, fosse posto in un punto dove giungono contemporaneamente due creste (o due gole) delle due onde, allora il tappo oscillerebbe con un'ampiezza doppia di quella con la quale oscillerebbe se fosse raggiunto da una sola onda. In questo caso si parla di «interferenza costruttiva». E facile comprendere che «l'interferenza distruttiva» si ha quando due onde giungono in un punto in opposizione di fase, e «l'interferenza costruttiva» si ha quando le due onde giungono in concordanza di fase. È evidente che la differenza di fase con cui le due onde arrivano nel punto considerato, dipende dalla distanza di esso dalle due sorgenti.

40 Interferenza costruttiva e distruttiva

41 Superfici nodali e ventrali

42 SPETTRO oem

43 Links utili sulle onde Società Geologica Italiana - Sezione Giovani - Tsunami fisica Onde, maree, correnti Onde, maree e correnti costiere Nautica On Line - Le onde marine Sull esposizione alle onde radio Misure di frequenza con l'oscilloscopio LE MARINE I movimenti del mare Elettrosmog La fisica dei suoni Scoperte della fisica Indice libro primo Test VF sulle onde in generale VERIFICA SULLE