Didattica delle scienze (FIS/01)

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1 Facoltà di Studi Classici, Linguistici e della Formazione SCIENZE DELLA FORMAZIONE PRIMARIA (LM-85 bis) Lucia Quattrocchi Didattica delle scienze (FIS/01)

2 Le onde Onda: perturbazione che si propaga nello spazio, trasportando energia e quantità di moto, ma senza trasporto di materia

3 La perturbazione viene trasmessa, ma l acqua non si sposta Appoggiando un tappo di sughero sull acqua e provocando un onda si nota che il tappo oscilla verticalmente ma non ha spostamenti orizzontali: la materia non viene trasportata dall onda!

4 L onda, cioè la deformazione, si muove lungo la corda. Tuttavia, ciascun punto della corda resta dov è e oscilla in su e in giù

5 Le onde Segnali trasmessi attraverso le onde Acustici luminosi telefonici radiofonici televisivi Viviamo in un mondo pieno di fenomeni ondulatori Onde del mare Raggi X Terremoti Forni a microonde Luce

6 Classificazione delle onde Onde meccaniche Necessitano di un mezzo per propagarsi e sono prodotte perturbando un punto del mezzo. Esempi: corda tesa in oscillazione, onda nello stagno, suono Onde elettromagnetiche Sono prodotte da campi elettrici e magnetici variabili nel tempo e non necessitano di un mezzo nel quale propagarsi si propagano anche nel vuoto Esempi: la luce

7 Classificazione delle onde Onde Longitudinali lo spostamento delle singole particelle avviene nella stessa direzione di propagazione dell onda Esempi: onde in una molla che viene compressa e allungata, suono vibrazione propagazione

8 Classificazione delle onde Onde Trasversali lo spostamento delle singole particelle avviene in direzione perpendicolare a quella di propagazione dell onda Le onde radio, le onde luminose e le microonde sono esempi di onde trasversali. Sono onde trasversali anche quelle che si propagano nelle corde di strumenti musicali come la chitarra o il violino vibrazione propagazione

9 Frequenza ( f ) Caratteristiche di un onda Numero di oscillazioni al secondo (hz) Periodo ( T ) Durata di una oscillazione (sec) T = 1 / f Ampiezza Max distanza dalla posizione di equilibrio È legata all energia Lunghezza d onda ( ) Velocità di propagazione (m/sec) Distanza dopo la quale un onda si ripete (m) Varia col mezzo v = / T = f nel vuoto c = f velocità della luce.

10 AMPIEZZA Caratteristiche di un onda LUNGHEZZA D ONDA distanza fra due creste, distanza percorsa in un periodo T PERIODO T: tempo necessario per un oscillazione completa e regolare! Varia col mezzo v = / T = f nel vuoto c = f velocità della luce. cresta nodo ventre t fisso x fisso

11 ESERCIZI Una sorgente sonora produce onde periodiche di frequenza pari a 500 Hz e lunghezza d onda pari a 662 mm. Calcola la velocità con la quale si propaga il suono emesso dalla sorgente

12 Caratteristiche di un onda Un onda del mare, nella quale le creste distano 3 metri ha una lunghezza d onda di 3 metri. Se le creste sono sollevate di 1 m rispetto al livello normale dell acqua, l ampiezza è di 1 m

13 Il suono Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali che si propagano nei mezzi comprimibili o elastici. Le particelle del mezzo subiscono spostamenti avanti e indietro rispetto alle posizioni di equilibrio creando variazioni di densità e di pressione, quindi zone di compressione seguite da zone di rarefazione. La velocità di propagazione del suono è diversa a seconda del mezzo in cui il suono si propaga: Aria (20 C): 344 m/s Acqua (20 C): 1482 m/s Acciaio: 5940 m/s

14 La velocità del suono

15 Il suono infrasuoni Sensibilità orecchio umano ultrasuoni 20Hz Frequenze rilevabili dall orecchio umano Hz

16 Caratteristiche del suono Un suono è caratterizzato da: Altezza: è rappresentata dalla frequenza. Per frequenze elevate un suono è detto acuto, mentre è detto grave per frequenze basse; Vibrazione di frequenza maggiore SUONO ACUTO ( Alto ) SUONO GRAVE ( basso ) Vibrazione di frequenza minore Timbro: è legato alla forma dell onda. Suoni della stessa altezza possono quindi avere timbri diversi,poiché caratterizzati da una diversa forma dell onda;

17 Caratteristiche del suono Intensità: è l energia trasportata dall onda per unità di tempo e per unità di superficie (W/m 2 ). L intensità del suono emesso da una sorgente puntiforme diminuisce con il quadrato della distanza Quando il suono arriva all osservatore 2 la sua intensità è diminuita! I pipistrelli si servono di questa dipendenza dell intensità del suono dalla distanza per localizzare oggetti di piccole dimensioni

18 Caratteristiche del suono La risposta dell orecchio umano alle diverse intensità è espressa dal livello sonoro o livello di intensità del suono, una grandezza la cui unità di misura è il bel (B). Comunemente si usa il sottomultiplo decibel (db). La minima intensità percepibile dall uomo è detta soglia dell udibile I 0 = W/m 2 e corrisponde ad un livello di intensità pari a 0 db. La massima intensità tollerabile dall uomo è detta soglia di dolore I = 1 W/m 2 e corrisponde ad un livello di intensità di 120 db. Moltiplicare l intensità di un fattore 10 equivale ad addizionare al livello sonoro 10 db. Un suono che ci sembra due volte più forte di un altro, in realtà, è dieci volte più intenso

19 Effetto Doppler acustico La percezione del suono è dipendente anche dalla VELOCITA relativa della sorgente e dell osservatore! L effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza (e quindi della lunghezza d onda) di un onda percepita da un osservatore se l osservatore stesso o la sorgente sono in movimento

20 Effetto Doppler acustico Il medesimo effetto si osserva se la sorgente è ferma ed è l osservatore che si muove. Per l osservatore che si muove verso la sorgente con velocità v il suono ha una frequenza f (frequenza percepita) maggiore di f (frequenza emessa dalla sorgente). Viceversa se si allontanasse la frequenza f percepita sarebbe minore rispetto a quella emessa dalla sorgente.

21 Eco Quando un suono incontra una parete che non lo assorbe, esso viene riflesso. Un ascoltatore posto nei pressi della sorgente riuscirà a distinguere i suoni riflessi, e a riconoscerne i suoni emessi, se il tempo impiegato dal suono per arrivare alla parete e tornare è abbastanza lungo. Se la distanza dalla sorgente alla parete è d, tale tempo è: La riflessione delle onde sonore avviene sempre, e in alcune circostanze genera il fenomeno dell'eco. Nell'aria, l'eco si forma quando la distanza tra la sorgente sonora e l'ostacolo è maggiore di 17m. Quando l'ostacolo che riflette l'onda sonora è troppo vicino (a meno di 17m ), le onde riflesse giungono all'orecchio quasi contemporaneamente a quelle dirette e vi si sovrappongono: il nostro orecchio non riesce a distinguere il suono che gli giunge direttamente dalla sorgente e il suono riflesso. E il fenomeno del rimbombo.

22 Eco e Sonar Un suono emesso verso il fondo da un'imbarcazione, viene riflesso dal fondo. L'onda riflessa viene rivelata ed elaborata da opportune apparecchiature per trovare la profondità ed altre caratteristiche del fondo.

23 La luce Noi vediamo gli oggetti perché da essi partono radiazioni luminose che giungono al nostro occhio Una SORGENTE LUMINOSA emette luce propria, mentre gli OGGETTI ILLUMINATI diffondono in tutte le direzioni la luce da cui vengono investiti

24 Cos è la luce? Onda o corpuscolo?? Sembrerebbe proprio che lo siano entrambe Quindi la luce è un onda elettromagnetica, un onda trasversale che può propagarsi in un mezzo trasparente (aria, vetro, acqua) ma anche nel VUOTO. La sua velocità nel vuoto è C = km / s La luce proveniente dal sole impiega circa 8 minuti per arrivare a noi. 150 milioni di km -> 8 minuti Sole Terra

25 La luce è un onda lunghezza d onda (λ) B ampiezza La radiazione elettromagnetica trasporta un energia che aumenta al diminuire della sua lunghezza d onda

26 Come si propaga la luce oggetto opaco Sorgente puntiforme ombra cono d ombra C penombra Sorgente estesa P ombra

27 Come si propaga la luce La luce si propaga almeno in un ambiente trasparente e omogeneo seguendo rette uscenti dalla sorgente detti raggi luminosi. L insieme dei raggi che passano per le aperture forma un fascio. Gli oggetti a seconda del materiale di cui sono fatti si comportano in modo diverso quando vengono illuminati. Trasparenti: se lasciano passare la luce e vedere gli oggetti che stanno dietro (es. vetro) Opachi: se non lasciano passare la luce e nascondono gli oggetti(es. legno) Traslucidi: se lasciano passare solo in parte la luce (es. foglio di carta velina)

28 Spettro Elettromagnetico

29 B B B B B B B B Spettro Elettromagnetico ONDE RADIO = 1km 10cm trasmissioni radio-televisive MICROONDE = 10cm 1mm radar, telefono, forni IR - VISIBILE - UV = 1mm 10-9 m calore, luce, reazioni chimiche RAGGI X RAGGI GAMMA = m radiografie

30 Spettro Elettromagnetico Onde Radio: 0.1m<λ<104m usate in comunicazioni radio e tv, prodotte da antenne Microonde: 10-4 m< λ<0.3m adatte a radar, forni microonde Infrarossi: 7 x 10-7 m<λ<1mm, prodotte da corpi caldi sono facilmente assorbite dalla maggior parte dei materiali. Usate in telecomandi ecc. 4 x 10-7 m<λ< 7 x 10-7 m, parte dello spettro cui l occhio umano è sensibile, corrisponde al minimo assorbimento da parte dell acqua (ragione evoluzionistica: veniamo dall acqua). Prodotte da oggetti incandescenti ma anche da transizioni atomiche (LED). Luce visibile: Luce Ultravioletta: 6 x10-10 m<λ< 4 x 10-7 m, prodotta abbondatemente dal sole, assorbita dall ozono nella stratosfera Raggi X: m<λ<10-8 m, prodotti da elettroni decelerati su bersaglio metallico, hanno lunghezza d onda simile a distanze interatomiche nei cristalli Raggi Gamma: m<λ<10-10 m, emessi da nuclei radioattivi, alto potere penetrante, molto pericolosi

31 B B B B B Lo spettro visibile L occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE COLORE LUNGHEZZA D ONDA (nm) violetto azzurro verde giallo arancion e rosso Ciascun colore corrisponde ad una radiazione elettromagnetica di diversa lunghezza d onda

32 Riflessione e Rifrazione Un onda si muove a velocità costante in un mezzo omogeneo. Se incontra un altro mezzo materiale, l onda, meccanica o elettromagnetica, subisce una deviazione: parte dell onda, dopo aver incontrata la superficie di separazione tra i due mezzi, torna indietro riflettendosi, parte dell onda attraversa il secondo mezzo materiale, deviando il suo percorso e cambiando velocità, (rifrazione). Nei mezzi trasparenti la velocità della luce è minore che nel vuoto. Il rapporto tra la velocità c della luce nel vuoto e la velocità v nel mezzo trasparente si chiama indice di rifrazione assoluto del mezzo:

33 Onda incidente i Riflessione i=r normale r Onda riflessa L angolo di incidenza è uguale all angolo di riflessione (formati rispetto alla normale); il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente giacciono nello stesso piano Superficie scabra Poiché tutte le piccole porzioni di superficie hanno inclinazioni diverse tra di loro, i singoli raggi riflessi sono sparpagliati in tutte le direzioni. L effetto che risulta è quello di una luce diffusa che proviene dalla superficie illuminata

34 Rifrazione il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente giacciono nello stesso piano quando un raggio luminoso passa da un mezzo con indice di rifrazione più basso a uno più alto si avvicina alla normale; se passa da un mezzo con indice di rifrazione n più basso ad uno più alto si allontana dalla normale

35 Rifrazione A causa della rifrazione, gli oggetti in acqua appaiono più in alto di dove realmente si trovano Guardando un righello immerso in un recipiente pieno d acqua notiamo che esso appare piegato I raggi riflessi dalla moneta escono dall acqua allontanandosi dalla perpendicolare e arrivano all occhio come se provenissero da un punto più in alto, dove si incontrano i loro prolungamenti.

36 Riflessione totale Se la luce passa da un mezzo con indice di rifrazione più basso a uno più alto incidendo con un angolo superiore di un ANGOLO LIMITE, essa viene riflessa totalmente. L angolo di rifrazione è pari a 90 o

37 Riflessione totale FIBRA OTTICA Le fibre ottiche sono una tecnologia che si basa sul fenomeno della riflessione totale. La luce che vi penetra si riflette all interno della fibra moltissime volte, fino a uscire all altra estremità. Le fibre ottiche, che sono fili sottili di diametro anche minore di 1 mm, funzionano così da guide di luce.

38 Fenomeno della Dispersione Il fenomeno della rifrazione può dare origine a situazioni e fenomeni particolari, quale ad esempio la dispersione della luce; tale fenomeno si può osservare quando una radiazione non monocromatica, come ad esempio quella bianca, incide su di un prisma di vetro con un angolo di incidenza diverso da zero. la luce bianca è la sovrapposizione dei diversi colori dello spettro. La dispersione della luce è dovuta al fatto che l indice di rifrazione di una sostanza trasparente dipende dal colore.

39 Arcobaleno Arco luminoso in cui si può osservare la scomposizione della luce visibile Un arcobaleno infatti è il risultato di un prisma naturale in grande scala: le goccioline d acqua sospese in aria possono comportarsi in modo simile ad un prisma, separando i colori della luce per produrre quel tipico spettro luminoso. La luce viene rifratta nel passaggio da un materiale (aria) ad un altro (acqua) e viceversa

40 I Colori Ciascun colore corrisponde a una particolare frequenza e, quindi, a una particolare lunghezza d onda. Perché gli oggetti hanno colori diversi? Perché quando sono investiti dalla luce bianca, come quella del Sole o di una lampadina, assorbono alcuni colori e ne riflettono altri.

41 L illusione ottica Una illusione ottica è una qualsiasi illusione che inganna l'apparato visivo umano Un miraggio è un esempio di illusione naturale dovuta a un fenomeno ottico. Esso si verifica quando i raggi del Sole incontrano uno strato d'aria più calda rispetto agli strati sovrastanti dove l'aria più fredda è di densità maggiore. Così i raggi di luce subiscono una riflessione totale ed è possibile vedere le immagini come se fossero veramente riflesse al suolo

42 Fenomeno della fata Morgana illusione ottica, simile al miraggio, che si manifesta per lo più sulla superficie del mare nei pressi della costa. In presenza del fenomeno della fata morgana gli oggetti appaiono sospesi nell aria, con dimensioni e forme continuamente mutevoli. La spiegazione fisica della fata morgana risiede nella variazione della densità che comporta un cambiamento dell indice di rifrazione dell aria in prossimità del suolo causato da elevate variazioni a contrasto di temperatura.