Laboratorio classi quarte Esperienza 1 LSS J.F. Kennedy. Vogliamo studiare come si comporta la luce entrando e uscendo da una mezzaluna di plexiglas.

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1 RIFRAZIONE E DISPERSIONE 1 Esercizio 1 Vogliamo studiare come si comporta la luce etrado e uscedo da ua mezzalua di plexiglas. u La mezzalua deve essere posta sul foglio di carta millimetrata: il lato diritto coiciderà co la retta u. Si devoo allieare due spilli co il cetro del lato dritto v della mezzalua. Uo spillo viee apputato el puto M e si prede la mira guardado attraverso la mezzalua. Si può verificare che uo spillo collocato el puto N è allieato co O e co l immagie dello spillo posto i M vista attraverso la mezzalua e, se lo spillo è più alto della mezzalua, ache co la parte di spillo vista direttamete attraverso l aria. La posizioe dello spillo vista attraverso l aria coicide co quella vista attraverso la mezzalua. Questo accade solo guardado dalla direzioe fissata dallo spillo i N. Se ivece si guarda da u altra direzioe le due immagii o coicidoo più. Perché? Lo spillo, come tutti gli oggetti illumiati dalla luce del gioro, è ua sorgete di luce riflessa, che emette raggi i tutte le direzioi. A secoda di dove posizioiamo l occhio, raccogliamo luce di uo di questi raggi e così vediamo lo spillo. Se lo spillo è più alto della mezzalua, accade che i raggi proveieti dalla sua parte alta ci giugoo direttamete attraverso l aria, metre quelli proveieti dalla sua parte bassa 1 Scheda tratta da La propagazioe della luce SCHEDE ALLIEVO a cura di Giulio Cortii - Uiversità di Roma La Sapieza. 5 giugo 2007 PLS Pg. 1/6

2 attraversao il materiale trasparete. Questi ultimi, ua volta giuti sulla superficie di separazioe, cambiao direzioe, come descritto dalla legge di rifrazioe. Accade allora che il ostro cervello ricostruisca u immagie prolugado i raggi che attraversao la mezzalua, e oi siamo portati a pesare che provegao da u secodo spillo immagiario, posto i ua posizioe leggermete spostata: questo dà origie all immagie spezzata. Esercizio 2 Vogliamo studiare cosa accade spostado lo spillo dal puto M, lugo l arco AM B. u v Allotaado lo spillo da M si vedrao due repliche dello spillo: ua direttamete attraverso l aria e l altra attraverso la mezzalua. Quest ultima si allotaa più rapidamete della prima dalla direzioe origiaria. Questa volta si deve apputare il terzo spillo i modo che risulti allieato co la retta che passa per O e co l immagie dello spillo vista attraverso la mezzalua. I questo modo si può determiare i quale misura i raggi di luce che permettoo di vedere lo spillo vegoo deviati el passaggio dalla mezzalua all aria. S Allieado l immagie della parte bassa dello spillo co la S 1 posizioe O, stiamo selezioado, fra gli ifiiti raggi e- messi da S, quello che attraversa la superficie di separazioe proprio el puto O. O L occhio viee colpito ache da u raggio passate direttamete attraverso l aria e proveiete dalla parte alta dello spillo (i giallo ella figura). 5 giugo 2007 PLS Pg. 2/6

3 Per otteere risultati sigificativi è ecessario procedere sistematicamete. 1. Si deve mettere lo spillo a circa 0,5 cm dal puto M; trovare la posizioe i cui mettere u secodo spillo per otteere l allieameto (sempre guardado attraverso la mezzalua); segare co ua matita le posizioi dei due spilli e cotrassegarli (per esempio come S1 e T1). 2. Si deve mettere lo spillo a circa 1 cm dal puto M e ripetere l operazioe. Si avrà così ua uova coppia di puti, S2T2. E così via. Ua volta raccolte diverse coppie di puti (per esempio 4 o 5 coppie, al miimo 3) si realizza la costruzioe idicata ella figura; si calcolao i rapporti tra le lughezze delle coppie dei segmeti trovati, come S1Q1 e T1R1, ecc. È possibile riempire la tabella seguete: segmeto 1 segmeto 2 rapporto S 1 Q 1 = T 1 R 1 = T 1 R 1 / S 1 Q 1 = S 2 Q 2 = T 2 R 2 = T 2 R 2 / S 2 Q 2 = S 3 Q 3 = T 3 R 3 = T 3 R 3 / S 3 Q 3 = S 4 Q 4 = T 4 R 4 = T 4 R 4 / S 4 Q 4 = S 5 Q 5 = T 5 R 5 = T 5 R 5 / S 5 Q 5 = Il valore del rapporto è «pressoché» costate ed uguale a I realtà, i ua trattazioe completa di tutti gli errori, i rapporti risultao sperimetalmete uguali. I modo puramete idicativo si possoo calcolare il valore medio del rapporto e la semidispersioe ValMax -Val 2 mi. Si può quidi cocludere che: 5 giugo 2007 PLS Pg. 3/6

4 Esercizio 3 Abbiamo verificato che, i questo caso, quado aumeta l agolo di icideza, l agolo di rifrazioe aumeta più rapidamete, e che l agolo di rifrazioe è sempre maggiore dell agolo di icideza. Ciò sigifica che esiste u agolo limite per il quale l agolo di rifrazioe è di 90, ossia tale che se si vuole vedere acora l immagie dello spillo, allie- raggio riflesso tot S ata co O, la si deve osservare lugo la retta u. Oltre l agolo limite o avviee più rifrazioe e si ha raggio rifratto u feomeo uovo: la riflessioe totale. L agolo limite può essere determiato come tot 1 = arcsi ; si può posizioare uo spillo i corrispodeza di questo agolo e verificare che il raggio rifratto è parallelo al lato dritto della mezzalua. Si può provare, ache se di più delicata osservazioe, a spostare lo spillo lugo la parte curva della mezzalua, si isegue co l occhio l immagie della sua parte bassa fiché essa o esce dal campo visivo e l occhio o si trova allieato come i figura. I queste codizioi l agolo è proprio l agolo limite. Agolo limite = Esercizio 4 (prisma di Amici) Il plexiglas ha u agolo limite = arcsi 1 = (secodo la teoria 1 = arcsi = 42,25 ) 1,487 Facedo passare u fascio di luce attraverso ua feditura sigola e facedolo icidere su u prisma retto co agolo di icideza = 45, si osserva ua riflessioe totale, co u ribaltameto di 90 dell immagie. 5 giugo 2007 PLS Pg. 4/6

5 Esercizio 5 (prisma di Porro) Ruotado il prisma, l agolo a di icideza sarà comuque maggiore di 45, si può osservare ua doppia riflessioe totale. Esercizio 6 Sempre sfruttado la blu blu riflessioe totale itera si può mostrare come u fascio di raggi paralleli fuoriesca acora co i raggi paralleli dopo due rifrazioi ed ua riflessioe totale itera. U fascio di luce viee fatto passare attraverso ua feditura tripla. Si può seguire il percorso dei raggi all itero del prisma: si osserverà uo scambio delle loro posizioi, ovvero questo dispositivo produce u ribaltameto dell immagie. Utilizzado raggi di diverso colore, otteuti co l uso di u filtro, quato esposto sarà acora più evidete. Esercizio 7 U fascio di luce viee fatto icidere su u prisma a sezioe triagolare, esso subisce ua doppia rifrazioe: la prima quado icotra la superficie del prisma, la secoda quado, dopo averlo attraversato, riemerge ell aria. Sullo schermo biaco che raccoglie la luce proveiete dal prisma si osserva la successioe dei colori dell iride. Il feomeo osservato prede il ome di dispersioe e può essere spiegato attraverso le due segueti ipotesi: - la luce biaca è ua combiazioe di compoeti moocromatiche (di u solo colore); c - le diverse compoeti moocromatiche della luce biaca hao diverso idice di rifrazioe; più i particolare, la velocità della luce rossa è u po maggiore di quella della luce violetta: violetto =v >v = meo deviata di quella violetta. luce biaca c violetto poiché violetto >. Ciò fa sì che la luce rossa sia 5 giugo 2007 PLS Pg. 5/6 aracioe giallo verde blu idaco violetto

6 La doppia rifrazioe amplifica la divergeza delle differeti compoeti moocromatiche, che emergoo dal prisma secodo direzioi sesibilmete diverse. Nel disego viee illustrato quato descritto, ovvero quato osservabile sperimetalmete. 1, acqua Soo riportati gli adameti degli idici 1,3450 di rifrazioe del vetro flit e dell acqua al variare della frequeza della luce (colore). 1,3400 1,3350 1,3300 1,3250 Colore vetro flit acqua violetto 1,7637 1,3448 idaco 1,7486 1,3412 azzurro 1,7320 1,3380 verde 1,7234 1,3357 giallo 1,7144 1,3336 aracio 1,7070 1,3320 1,7049 1,3310 1,3200 1,7700 1,7600 1, vetro flit 1,7400 1,7300 U ultima osservazioe. 1,7200 1,7100 Ua fibra ottica è u sottile cavo di diametro ache iferiore ad 1 mm, co i- 1,7000 1,6900 1,6800 dice di rifrazioe molto basso. Il raggio 1,6700 di luce, all itero della fibra ottica, icotra la superficie laterale della fibra co u agolo di icideza sempre maggiore dell agolo limite. La luce che vi peetra è riflessa (co riflessioe totale) all itero più volte e pertato rimae cofiata ella fibra attraversadola da ua estremità all altra seza apprezzabili variazioi di itesità. L elevata velocità co cui viaggia la luce all itero della fibra ottica permette di trasferire, i modo pratico ed ecoomico, ua grade quatità di iformazioi fra puti molto distati. Le fibre ottiche soo utilizzate elle teciche edoscopiche, i campo medico. La luce che fuoriesce da ua delle estremità permette di illumiare gli orgai iteri, cosetedoe la visioe; u altra fibra, affiacata alla prima, cosete di vedere la zoa illumiata icaalado u po di luce verso l estero. Le fibre ottiche soo utilizzate ache elle telecomuicazioi per trasportare segali televisivi e comuicazioi telefoiche. 5 giugo 2007 PLS Pg. 6/6