E LE SUE CARATTERISTICHE. 6 alunne Classe 4I Liceo Scientifico Leonardo da Vinci A.S

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1 E LE SUE CARATTERISTICHE 6 alunne Classe 4I Liceo Scientifico Leonardo da Vinci A.S

2 A partire dal XVII secolo sono state date due risposte diverse a questa domanda come conseguenza allo sviluppo di due modelli antagonisti: -modello corpuscolare: la luce è un flusso di particelle miscoscopiche dette corpuscoli emesse da sorgenti luminose -modello ondulatorio: la luce è un onda

3 MODELLO CORPUSCOLARE e ONDULATORIO (confronto)

4 La rifrazione è un fenomeno fisico che si verifica quando un onda si trova a dover superare la superficie di separazione tra due mezzi tra due mezzi con proprietà diverse

5 RIFRAZIONE

6 VELOCITA DELLA LUCE: esperimenti Galileo Galilei: due lanterne a distanza di un miglio Ole Romer: moto di io

7 I VALORI DELLA VELOCITA DELLA LUCE - Valore velocità nel VUOTO: c =3,00 x 10 8 m/s. - Valore velocità nei MEZZI TRASPARENTI: v =c/n Dove n è : -indice di rifrazione -numero puro>1

8 LA VELOCITA DELLA LUCE:

9 Il modello ondulatorio si affermò del tutto alla fine del XIX secolo grazie alla conferma di Maxwell secondo il quale: la luce è un onda elettromagnetica che si propaga anche nel vuoto e come grandezze variabili in funzione del tempo e della posizione, ha il campo elettrico e quello magnetico.

10 MODELLO ONDULATORIO:

11 La frequenza per la luce indica il colore la luce è caratterizzata da una somma di colori Esperimento: un fascio di luce solare bianca viene fatta passare attraverso un prisma di vetro che provoca il cambiamento della direzione di propagazione del raggio luminoso.

12 LE ONDE LUMINOSE

13 In quanto onda, anche la luce ha la caratteristica di trasportare energia, ma non materia. Questo spiega perché un corpo lasciato al sole, dopo un po di tempo, si riscalda. L irradiamento può essere calcolato con una formula simile a quella dell intensità sonora; E R =E /A Δt

14 ENERGIA DELLA LUCE:

15 Flusso luminoso:: Quantità di energia luminosa emessa da una determinata sorgente nell'unità di tempo: Q v /s. LE GRANDEZZE FOTOMETRICHE Illuminamento: Rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da una superficie e l'area della superficie stessa Intensità luminosa : Flusso luminoso emesso all'interno dell'angolo solido unitario (steradiante) in una direzione data.

16 Flusso luminoso e illuminamento Intensità luminosa

17 Principio di Huygens (dal nome del fisico olandese C. Huygens) metodo di analisi applicato ai problemi di propagazione delle onde Data una sorgente (S) generante un'onda sferica nello spazio, ogni punto del fronte d'onda primario si comporta come sorgente secondaria generando altre onde con le stesse caratteristiche dell'onda primaria (lunghezza d'onda, frequenza, velocità) se non vi è un cambio di mezzo (in tal caso la lunghezza d'onda e la velocità si adatteranno al cambio di mezzo); la sovrapposizione di queste onde secondarie genera altri fronti d'onda, detti secondari che a loro volta ne produrranno degli altri determinando l'espansione dell'onda

18 Per spiegare la riflessione e la rifrazione si suppone che la luce si propaghi sotto forma di raggi rettilinei (ottica geometrica). Quando un raggio di luce che viaggia in un mezzo materiale trasparente (es. aria) incontra una superficie di separazione con un altro mezzo trasparente (es. acqua) si divide normalmente in due raggi: - uno viene riflesso dalla superficie - l'altro entra nel secondo mezzo variando la sua direzione di propagazione, cioè viene rifratto. Quando la superficie incontrata è perfettamente riflettente, non si ha rifrazione e la luce viene completamente riflessa, seguendo le leggi della riflessione caratteristiche delle onde: l'angolo di incidenza, i, è uguale all'angolo di riflessione, r, e i due angoli giacciono sullo stesso piano, perpendicolare alla superficie riflettente.

19 Una superficie riflettente piana è detta specchio piano. Si ha una sorgente luminosa puntiforme S di fronte a uno specchio piano: i raggi luminosi emessi dalla sorgente vengono riflessi dallo specchio, seguendo le leggi della riflessione (l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione).

20 Applicando la legge della riflessione a ogni singolo punto di un oggetto non puntiforme, è possibile costruirne l'immagine virtuale, avente le seguenti caratteristiche: ha le stesse dimensioni dell'oggetto reale si trova alla stessa distanza dallo specchio dell'oggetto reale è perfettamente simmetrica rispetto all'oggetto reale.

21 Gli specchi sferici sono superfici riflettenti aventi la forma di calotte sferiche. Possono essere: concavi o convessi, a seconda che la riflessione avvenga sulla superficie concava (la parte interna della calotta sferica) o sulla superficie convessa (la parte esterna della calotta sferica) dello specchio.

22 La costruzione di un'immagine su uno specchio sferico si basa sulle seguenti regole: - i raggi riflessi dai raggi incidenti paralleli all'asse ottico passano tutti per il fuoco e - i raggi che passano per il fuoco vengono riflessi parallelamente all'asse ottico. Nel caso dello specchio concavo l'immagine che si forma può essere reale (ricavata dai raggi riflessi e non dai loro prolungamenti) o virtuale, rimpicciolita o ingrandita, diritta o capovolta, a seconda della posizione dell'oggetto rispetto ai punti caratteristici dello specchio: se l'oggetto si trova fra il centro C e l'infinito, l'immagine sarà reale, capovolta e rimpicciolita se l'oggetto si trova fra C e F, l'immagine sarà reale, capovolta e ingrandita se l'oggetto si trova a una distanza dallo specchio minore di F, l'immagine sarà virtuale, diritta e ingrandita.

23 Se lo specchio concavo è grande, i raggi riflessi dai raggi paralleli all'asse ottico più lontani dall'asse stesso passano per un punto che non coincide con il fuoco, ma gli è solo vicino: di conseguenza l'immagine di una sorgente puntiforme è un disco, anziché un punto. Questo fenomeno è detto aberrazione sferica.

24 Per avere specchi senza aberrazione sferica, per esempio per i grandi telescopi, dove si ha necessità di far convergere la luce delle stelle nel fuoco dello specchio, si costruiscono specchi parabolici, ellittici o iperbolici, che non presentano questo fenomeno.

25 L'immagine su uno specchio convesso, costruita prolungando oltre lo specchio i raggi riflessi, è sempre virtuale, rimpicciolita e diritta.

26 Facendo passare un fascio di luce bianca (per esempio la luce solare) attraverso un prisma di vetro di forma triangolare, all'uscita del prisma la luce, raccolta su uno schermo, risulta scomposta nei colori fondamentali dello spettro luminoso Questo fenomeno, detto dispersione della luce, viene spiegato attraverso la rifrazione.

27 Questo fenomeno fu studiato per la prima volta da I. Newton nel Famoso soprattutto per le sue scoperte nel campo della meccanica, ma grande studioso di ottica, Newton dimostrò con questo esperimento che la luce bianca è in realtà formata da tutti i colori, secondo uno spettro che va dal rosso al violetto. A sostegno di questa asserzione, Newton fece passare un raggio di luce colorata, ottenuta dalla scomposizione, in un secondo prisma: in questo caso la luce non subiva ulteriore scomposizione.

28 La scomposizione della luce è un fenomeno reversibile: se il ventaglio di luce colorata viene fatto passare attraverso un secondo prisma, capovolto rispetto al primo, la luce bianca riappare, perché il secondo prisma inverte la situazione stabilitasi con il primo. La scomposizione della luce nei colori dello spettro è all'origine del fenomeno dell'arcobaleno: passando attraverso le goccioline d'acqua presenti Nell'atmosfera e attraverso quelle di pioggia, che fungono da minuscoli prismi, la luce del Sole si scompone nei colori dello spettro e forma l'arco colorato nel cielo.

29 In genere, lo spettro formato dalla luce bianca proveniente dal Sole è uno spettro continuo, nel senso che appare come una striscia continua composta dai vari colori. Anche la luce di una lampadina a incandescenza produce uno spettro continuo. Le sostanze gassose fortemente riscaldate producono invece uno spettro di emissione a righe colorate, separate tra loro, su fondo scuro. Attraverso l'analisi del tipo di spettro prodotto da una certa sostanza, portata per riscaldamento allo stato gassoso, è possibile risalire alla composizione chimica della sostanza: lo spettro di emissione funge da firma per ciascun elemento.

30 La rifrazione è la deviazione che un raggio luminoso subisce nel passare da un mezzo trasparente a un altro, per la differenza della velocità di propagazione nei due mezzi Se il primo è meno denso del secondo (per esempio l'aria rispetto all'acqua), il raggio di luce devia avvicinandosi alla perpendicolare alla superficie di separazione, mentre se il primo mezzo è più denso del secondo (l'acqua rispetto all'aria) il raggio devia allontanandosi dalla perpendicolare. Per questo motivo un bastoncino immerso nell'acqua sembra spezzato.

31 La rifrazione della luce è il caso più comunemente osservato, ma ogni tipo di onda può essere rifratta; quindi, per esempio, si ha il fenomeno della rifrazione anche quando onde sonore passano da un mezzo ad un altro o quando le onde dell acqua si spostano a zone con diversa profondità. La legge di Snell descrive quanto i raggi sono deviati quando passano da un mezzo ad un altro. Se il raggio proviene da una regione con indice di rifrazione n 1 ed entra in un mezzo ad indice di rifrazione n 2, gli angoli di incidenza θi e di rifrazione θr sono legati dall espressione:

32 Quando, nel passaggio da un mezzo più denso a uno meno denso (per esempio dal vetro all'aria), la luce raggiunge la superficie di separazione con un angolo di incidenza superiore a un valore (caratteristico di ogni sostanza) detto angolo limite, si verifica il fenomeno della riflessione totale, nel quale il raggio viene completamente riflesso e non vi è rifrazione. Nel passare da un mezzo all'altro, la luce si allontana dalla perpendicolare alla superficie di separazione, quindi l'angolo di rifrazione è superiore all'angolo di incidenza: se l'angolo di incidenza è superiore al valore limite, il raggio non esce dal primo mezzo materiale, ma viene riflesso all'interno dello stesso mezzo.

33 Per angoli esattamente pari all'angolo limite, l'angolo di rifrazione sarà di 90, parallelo alla superficie di separazione. L'angolo limite per il vetro è di circa 42. Questo permette di utilizzare dei prismi con angoli di per ottenere la riflessione totale della luce anziché utilizzare degli specchi, per esempio nei periscopi. Sulla riflessione totale si basa anche l'impiego delle fibre ottiche, sottili fili di vetro che fungono da guide d'onda per la luce, che vengono usate per la trasmissione a distanza di informazioni codificate sotto forma di segnali luminosi.

34 Fu condotto per la prima volta dal medico e fisico inglese Thomas Young e fornisce non solo la dimostrazione della natura ondulatoria della luce, ma anche il calcolo della sua lunghezza d onda λ. L esperimento consiste nel far passare attraverso una singola fenditura un fascio di luce monocromatico e poi di nuovo attraverso una doppia fenditura: la luce viene infine proiettata su uno schermo distante. Quello che Young osservo fu una serie di frange luminose alternate a frange scure che interpreto appunto come zone di interferenza costruttiva le frange luminose e zone di interferenza distruttiva le fasce scure. Ovviamente questo non accadrebbe se la luce si propagasse in linea retta.

35 Per spiegare il fenomeno della diffrazione, ossia la deviazione della traiettoria di propagazione delle onde che compare quando esse devono aggirare un ostacolo, dobbiamo ricorrere al principio di Huygens che afferma appunto questo: ogni fenditura agisce come se fosse una nuova sorgente di onde luminose, che si diramano verso l esterno in tutte le direzioni. Il fenomeno e analogo alle onde dell acqua che vengono diffratte quando passano attraverso una stretta fenditura tra gli scogli.

36 Per determinare le condizioni per le frange luminose e le frange scura prendiamo in esame lo schema seguente - per il principio di Huygens si possono considerare entrambe le fenditure come nuove sorgenti di onde - si prende poi in considerazione una coppia di onde con la stessa direzione e siccome lo schermo e distante si può assumere che le onde interferiscano nello stesso punto.

37 Dal disegno geometrico si vede chiaramente la differenza di cammino delle due onde, dove d e la distanza tra le due fenditura e θ la direzione delle due onde. Come per l interferenza di due sorgenti se la differenza di cammino e pari a un multiplo della lunghezza d onda l interferenza e totalmente costruttiva

38 E condotto sullo schema classico di Young, in cui tra una sorgente di luce e una lastra fotografica si dispone una barriera opaca con due fenditure parallele di larghezza opportuna. Nell'esperimento della doppia fenditura si adottano pero lastre rilevatrici moderne, molto più sensibili di quelle disponibili nell'ottocento, e una sorgente estremamente debole di luce o elettroni, fino all'emissione di un unico fotone o elettrone per volta. In questo modo si verifica che in entrambi i casi la lastra non viene impressionata in maniera continua, ma si formano singoli punti luminosi indicativi di un comportamento corpuscolare.

39 I punti pero non rispettano la distribuzione corpuscolare classica che li vorrebbe localizzati in corrispondenza delle fenditure, ma risultano inizialmente diradati e dall'apparente distribuzione caotica, per poi, aumentando man mano di numero, evidenziare le frange di interferenza tipiche del comportamento ondulatorio

40 Analogo risultato si ottiene anche utilizzando particelle di maggiori dimensioni. Ciò dimostra inequivocabilmente l'esistenza del dualismo ondacorpuscolo, sia della materia che della radiazione elettromagnetica. In particolare si può notare come la posizione della particella sullo schermo risenta della presenza delle due fenditure "come se" essa, comportandosi come un'onda e attraversandole entrambe, venisse scissa in due nuove onde che interferiscono fra loro, mentre nel momento in cui viene "osservata" tramite la rilevazione sullo schermo appare solamente come corpuscolo. La dimostrazione del fenomeno d'interferenza risulta quindi possibile solo attraverso l'osservazione di più particelle.

41 Una delle proprietà della luce e quella di propagarsi in linea retta; tuttavia, vi sono delle condizioni che fanno si che questa proprietà venga a cadere. Quando un fascio di luce e proiettato all interno di una fenditura, se lo spazio e molto largo, sullo schermo di proiezione appare una striscia di luce ben definita; il confine tra di essa e la zona d ombra e netto e ben marcato. Mano a mano, pero, che si restringe lo spazio della fenditura, ed essa diventa sempre più sottile, la luce proiettata sullo schermo si allarga sempre di più, invadendo lo spazio della zona d ombra; si può notare, infatti, che ai lati della fascia luminosa centrale si formano altre frange luminose che si alternano a piccole zone di ombra.

42 Questo fenomeno viene definito diffrazione della luce, ed e un fenomeno proprio delle onde; il fascio di luce originario viene quindi allargato sullo schermo di proiezione, e l effetto delle bande luminose e dovuto a fenomeni di interferenza caratterizzati da una serie di massimi di intensità luminosa decrescente. In particolare, la banda centrale, quella più luminosa, si ha in prossimità di quello che si definisce massimo principale, mentre le altre bande laterali sono originate dai massimi secondari. La sua scoperta di questo fenomeno determino un punto a favore della teoria ondulatoria su quella corpuscolare.

43 Esaminiamo il caso della diffrazione nel caso in cui il fascio di luce passi attraverso una singola fenditura di lunghezza a. Possiamo considerare la fenditura in questione come se essa fosse formata da tante fenditure piu piccole, ognuna delle quali puo essere considerata la sorgente di onde luminose sferiche. La fascia centrale luminosa che si forma sullo schermo e generata da un raggio di luce che si proietta in direzione perpendicolare al piano. Si nota, infatti, che tutti i punti che partono dalla fenditura hanno, all incirca, la stessa distanza dal punto di contatto; di conseguenza, le onde generate da essi giungono sullo schermo in fase, dando luogo a interferenza costruttiva.

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