Beatrice Luoni
cl. IV G
Data: 01/05/11
a.s. 2010/2011
Luogo: laboratorio di fisica del liceo
Materiale utilizzato
Premessa teorica
Montaggio dell’esperienza
Conclusioni
• Ondoscopio
2 percussori a pallina
Specchio parabolico
• Trasformatore
• Cavi
• Fogli di carta
asticelle
di metallo
• Specchio parabolico
• 2 percussori sferici
• Specchio piano
• 3 blocchetti di metallo
• Acqua
• Consolle
• Goniometro
Specchio piano
• L’onda è qualunque perturbazione che si trasmette nel tempo e nello spazio.
È caratterizzata da una lunghezza d’onda (λ) [m], ossia la distanza tra due
creste successive, da una frequenza (f) [Hz], che indica il numero di forme
d’onda complete che passano per un dato punto in un secondo, da
un’ampiezza (A) [m],ovvero la distanza tra la cresta dell’onda e l’asse di
propagazione e dal periodo (T), cioè il tempo impiegato da una forma d’onda
completa per passare in un determinato punto.
• La velocità di un’onda è data dal prodotto della sua lunghezza d’onda per al
sua frequenza: v=λf [m/s], .
• Il fronte d’onda: tutti i punti dell’onda che oscillano insieme
• L’onda generata da una sorgente puntiforme è composta da una successione
di fronti d’onda circolari. A una grande distanza dalla sorgente, una piccola
porzione di uno di questi fronti può essere considerato con buona
approssimazione un fronte d’onda piano.
Le onde vengono classificate sulla base di tre criteri: la direzione di
propagazione, il numero di dimensioni del mezzo in cui si propagano e il tipo di
propagazione. In base ad essi le onde sono suddivise in:
•Onde trasversali, in cui l’oscillazione è perpendicolare alla direzione di
propagazione dell’onda stessa.
• Onde longitudinali in cui l’oscillazione è parallela alla direzione di
propagazione dell’onda stessa.
• Onde monodimensionali dove la vibrazione avviene in una sola dimensione.
• Onde bidimensionali dove vibrazione avviene in due dimensioni.
• Onde tridimensionali dove la vibrazione avviene nelle tre dimensioni dello
spazio.
• Onde sferiche quelle in cui i fronti d’onda sono sferici.
• Onde piane quella in cui i fronti d’onda sono retti o piani.
• Il principio di Huyghens-Fresnel sostiene che ogni punto, colpito da un’onda
qualsiasi, diventa a sua volta sorgente di onde sferiche.
• Si ha il fenomeno della riflessione quando l’onda incontra la superficie di
separazione tra due mezzi e si riflette sul primo mezzo. Leggi della
riflessione:
1. L’angolo d’incidenza è uguale all’angolo di riflessione.
2. Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente
sono complanari.
•Si dice riflessione totale quando l’angolo d’incidenza supera l’angolo limite
(minimo angolo di incidenza), in prossimità del quale l’angolo di rifrazione
diventa uguale a 90° e l’onda torna totalmente nel primo mezzo.
•Si ha il fenomeno della rifrazione quando l’onda passa dal primo al secondo
mezzo, consiste quindi in una variazione di direzione di propagazione di
un’onda, che si verifica in corrispondenza della superficie di separazione tra
due mezzi. Leggi della rifrazione:
1. Il raggio incidente, il raggio rifratto e la normale alla superficie riflettente
sono complanari.
2. Il rapporto tra il seno dell’angolo d’incidenza e il seno dell’angolo di
rifrazione è costante ed è pari al rapporto tra le velocità dell’onda nei due
mezzi.
• Si ha il fenomeno dell’interferenza quando due o più onde si
sovrappongono , in un punto dello spazio.
• Si dicono sorgenti coerenti due sorgenti che producono due onde che
hanno la stessa ampiezza, lunghezza d’onda e fase.
• Il principio di sovrapposizione governa il comportamento di due onde
che interferiscono. Se le due onde hanno spostamenti concordi nel
punto in cui si incontrano, l’ampiezza dell’onda complessiva è
maggiore di quella di ciascuna delle due onde di partenza, è si ha
interferenza costruttiva. Se viceversa le due onde hanno spostamenti
discordi, l’ampiezza dell’onda complessiva è minore di quella delle
due onde di partenza e si ha interferenza distruttiva.
• Si ha il fenomeno della diffrazione quando un’onda deborda oltre i
margini di un ostacolo che essa ha incontrato sul suo cammino.
Quando l’apertura ha dimensioni prossime alla lunghezza d’onda delle
onde, la diffrazione produce onde circolari, invece quando l’apertura è
molto maggiore produce onde piane.
• Si ha il fenomeno della diffusione quando c’è la riflessione della luce
da parte di una superficie scabra.
• Si ha il fenomeno della dispersione quando c’è la separazione delle
lunghezze d’onda da parte di un fenomeno di riflessione o di rifrazione
anche se perlopiù di rifrazione.
ONDOSCOPIO:
L'ondoscopio è uno strumento che permette di studiare facilmente
i fenomeni ondulatori. Esso è composto da una vaschetta con fondo in
plexiglass trasparente, sopraelevata rispetto al bancone del laboratorio
mediante zampe di metallo; in essa si versa dell'acqua, poi si pone a pelo
della superficie del liquido una bacchetta metallica orizzontale sostenuta da
elastici, sopra la quale è montato un motorino dotato di massa eccentrica
(l’asse di rotazione non passa per il baricentro) . Il motore per mezzo di un
cavo è collegato ad una console, grazie alla quale è possibile regolare la
velocità del motore e della ventola (che funziona da otturatore)dello
stroboscopio, ed è alimentato a corrente continua. Lo stroboscopio è
costituito da un proiettore, collegato al trasformatore ed alimentato a
corrente alternata (6 Volt), e da una ventola. La ventola passando davanti al
proiettore fa avere luce ad intermittenza, generando così lampi di luce ad
intervalli regolari. Lo stroboscopio ci permette di fermare l’immagine,
perché attraverso la console si può riuscire a regolare la frequenza del
motore e quella dello stroboscopio in modo tale che coincidano e così si
vedono i fronti d’onda fermi.
ONDOSCOPIO:
Stroboscopio formato da
proiettore e ventola
Motore elettrico
Console
Trasformatore
Superficie di
proiezione
• Montare il dispositivo come spiegato nella premessa teorica.
• Collegare la console alla corrente continua e il trasformatore collegato al
proiettore alla corrente alternata.
• Utilizzando le manopole della console regolare le due frequenze in modo tale
che coincidano e si possano così vedere i fronti d’onda fermi.
• Utilizzare il vario materiale a disposizione per provocare vari effetti ottici, che
si possono poi o fotografare sul piano del bancone o disegnare su un foglio,
ricalcando il disegno proiettato.
PRODUZIONE DI ONDE PIANE:
Dopo aver acceso il motore elettrico, posizionato l’asta che lo supporta a
livello della superficie dell’acqua ed essere riusciti a far coincidere le
frequenze del motore con quelle dello stroboscopio si possono osservare
delle onde piane. Le linee che si formano sono tutte parallele e quelle scure
corrispondono alle creste dell’onda mentre quelle chiare al ventre.
Misurando la distanza tra le due linee scure è possibile arrivare alla
lunghezza d’onda, però bisogna considerare il fatto che il proiettore ha
mutato le dimensioni reali, aumentandole.
TRASFORMAZIONE DI ONDE PIANE IN ONDE CIRCOLARI:
Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 lo specchio parabolico,
appoggiandolo nella vaschetta di plexiglass. Come si può notare dalla foto le
onde piane incontrando lo specchio parabolico divengono circolari, e si
concentrano nel fuoco della parabola, è lo stesso fenomeno che avviene
nelle antenne paraboliche.
PRODUZIONE DI ONDE CIRCOLARI:
Dopo aver acceso il motore elettrico, agganciato il percussore a pallina
all’asta che supporta il motore, aver posizionato l’estremità del percussore
a livello della superficie dell’acqua ed essere riusciti a far coincidere
nuovamente le frequenze del motore con quelle dello stroboscopio si
possono osservare delle onde circolari. Le circonferenze che si formano
sono tutte concentriche e quelle scure corrispondono alle creste dell’onda
mentre quelle chiare al ventre.
TRASFORMAZIONE DI ONDE CIRCOLARI IN ONDE PIANE:
Aggiungere al sistema dell’esperienza n°3 lo specchio parabolico,
appoggiandolo nella vaschetta di plexiglass e facendo in modo che la
curvatura dello specchio corrisponda il più possibile alla linea che delinea le
circonferenze. Anche se non si nota molto dalla foto le onde circolari
incontrando lo specchio parabolico divengono piane è lo stesso fenomeno
che avviene nei fari delle automobili.
RIFLESSIONE DELLE ONDE MEDIANTE SPECCHIO PIANO:
Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 una barretta metallica diritta, non
parallela alla direzione delle onde, che fa da specchio piano. Si possono così
vedere le onde piane riflesse dalla barretta metallica. Riportando tutto,
ovvero la linea dello specchio, la normale, il raggio d’incidenza e il raggio
riflesso su un foglio di carta si può poi verificare con un goniometro come
l'angolo d'incidenza risulti congruente all'angolo di riflessione, secondo le
leggi della riflessione.
PRODUZIONE DI DIFFRAZIONE ATTRAVERSO UNA FENDITURA:
Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 due asticelle poste sulla stessa
retta, parallela ai fronti d’onda, con un piccolo spazio tra di esse (deve
essere inferiore della lunghezza d’onda) si può così osservare il fenomeno
della diffrazione che produce onde circolari.
PRODUZIONE DI DIFFRAZIONE ATTRAVERSO UNA FENDITURA:
Disporre l’attrezzatura con nell’esperienza n°6, ma lasciare uno spazio
maggiore tra le due asticelle, in modo che esso sia maggiore della lunghezza
d’onda. Si può osservare così come la diffrazione ci sia solo in prossimità
dei bordi dell’apertura.
PRODUZIONE D’ INTERFERENZA MEDIANTE DOPPIA FENDITURA:
Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 tre asticelle poste sulla stessa
retta, parallela ai fronti d’onda, con un piccolo spazio tra di esse (deve essere
inferiore della lunghezza d’onda) si può così osservare il fenomeno
dell’interferenza. Infatti le due fenditure divengono due sorgenti coerenti che
producono onde circolari che si sovrappongono creando interferenze
distruttive e costruttive e si possono osservare nitidamente le frange di
quest’ultime aventi entrambe la forma di iperboli equilatere.
PRODUZIONE D’ INTERFERENZA TRA DUE ONDE CICOLARI:
Dopo aver acceso il motore elettrico, agganciato due percussori a pallina
all’asta che supporta il motore, aver allineato l’estremità dei percussori a
livello della superficie dell’acqua ed essere riusciti a far coincidere
nuovamente le frequenze del motore con quelle dello stroboscopio si può
osservare il fenomeno dell’interferenza. Le onde circolari come
nell’esperienza n°8 si sovrappongono e sono nuovamente visibile le frange
dell’interferenza costruttiva e di quella distruttiva, aventi la forma di
un’iperbole equilatera.
Abbiamo così potuto osservare attraverso l’ondoscopio (nonostante
alcune imprecisioni e le difficoltà ad eguagliare la frequenza del motore
a quella dello stroboscopio per vedere le onde ferme) i fenomeni della
riflessione, diffrazione ed interferenza e verificarne praticamente le
leggi studiate teoricamente in classe.
Fonti
Sito internet: www.fmboschetto.it