1. La luce
Teoria corpuscolare (Newton): la luce è composta da
particelle che si propagano in linea retta
Teoria ondulatoria (Huygens-Young): la luce è un’onda
Oggi sappiamo che il comportamento della luce
dipende dal rapporto tra la lunghezza d’onda e le
dimensioni degli ostacoli incontrati sul suo percorso
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1. La luce
La luce è un’onda elettromagnetica che non ha
bisogno di un mezzo materiale per propagarsi
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2. Il modello dell’ottica geometrica
Se lasciamo cadere un sasso in una pozza, dal
punto di impatto partono onde circolari
I raggi perpendicolari ai fronti d’onda indicano la
direzione di propagazione delle onde
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2. Il modello dell’ottica geometrica
Allontanandosi dalla sorgente di un’onda sferica i
fronti d’onda diventano sempre più piatti
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2. Il modello dell’ottica geometrica
La legge della riflessione afferma che l’angolo di
incidenza e l’angolo di riflessione sono uguali
θi = θr
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2. Il modello dell’ottica geometrica
La riflessione su una superficie liscia è detta
riflessione speculare; se la superficie è ruvida si
parla di riflessione diffusa
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2. Il modello dell’ottica geometrica
La luce si muove con velocità diverse in mezzi diversi
La variazione della
velocità al passaggio da
un mezzo all’altro
modifica
la direzione
di propagazione
del raggio luminoso
(rifrazione)
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2. Il modello dell’ottica geometrica
L’angolo di rifrazione è legato alle velocità nei due
mezzi
La velocità della luce in un mezzo dipende
dall’indice di rifrazione di quest’ultimo
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2. Il modello dell’ottica geometrica
Alcuni indici di
rifrazione tipici
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2. Il modello dell’ottica geometrica
Esprimiamo l’angolo di rifrazione in termini dell’indice di
rifrazione:
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2. Il modello dell’ottica geometrica
Proprietà fondamentali della rifrazione:
• Quando un raggio di luce entra in un mezzo con indice di
rifrazione maggiore, nel quale quindi la sua velocità diminuisce, si
avvicina alla normale
• Quando un raggio di luce entra in un mezzo con indice di
rifrazione minore nel quale quindi la sua velocità aumenta, si
allontana dalla normale
• Non c’è cambiamento nella direzione di propagazione se non
cambia l’indice di rifrazione: maggiore è la differenza tra gli indici
di rifrazione, maggiore è il cambiamento della direzione di
propagazione
• Se un raggio di luce passa da un mezzo a un altro lungo la
normale, non viene deviato, indipendentemente dall’indice di
rifrazione
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2. Il modello dell’ottica geometrica
Quando la luce si propaga da un mezzo con indice di
rifrazione maggiore a uno con indice di rifrazione minore,
per angoli di incidenza maggiori di un valore critico θc si ha
riflessione totale
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2. Il modello dell’ottica geometrica
L’indice di rifrazione dipende anche dalla lunghezza
d’onda della luce.
In generale, l’indice di rifrazione aumenta al diminuire della
lunghezza d’onda.
In seguito alla rifrazione, la luce bianca si scompone in
tanti colori diversi (dispersione)
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3. Le onde: sovrapposizione e interferenza
Quando due onde occupano la stessa regione di
spazio, le loro ampiezze si sommano in ogni punto
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3. Le onde: sovrapposizione e interferenza
Si ha interferenza solo se le sorgenti di luce sono
monocromatiche (stessa lunghezza d’onda) e coerenti
(la relazione tra di fase tra le sorgenti deve essere
costante nel tempo e nello spazio)
Quando queste condizioni sono soddisfatte si ha
interferenza costruttiva quando le due onde sono in fase,
e distruttiva quando sono in opposizione di fase)
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3. Le onde: sovrapposizione e interferenza
La figura mostra che si ha
interferenza costruttiva
quando la differenza di
cammino tra le onde è
uguale a un numero intero
di lunghezze d’onda;
quando i cammini
differiscono di un numero
semi-intero di lunghezze
d’onda l’interferenza è
distruttiva
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3. Le onde: sovrapposizione e interferenza
Per riassumere
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4. L’esperimento della
doppia fenditura di Young
In questo esperimento non è
necessario che la luce sia
coerente quando viene emessa
dalla sorgente:
lo diventa dopo aver
attraversato la doppia fenditura
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4. L’esperimento della doppia fenditura di
Young
Se la luce avesse una natura
puramente corpuscolare, sullo
schermo finale apparirebbero due
strisce sottili, una per fenditura
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4. L’esperimento della doppia fenditura di
Young
Avendo la luce una natura
ondulatoria, ogni fenditura agisce
come una sorgente di nuove onde
(si veda la figura) e sullo schermo si
osserveranno gli effetti della loro
interferenza
Il fenomeno è detto principio di
Huygens
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4. L’esperimento della doppia fenditura di
Young
La figura illustra la
numerazione delle
frange
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5. Interferenza di onde riflesse
Si può avere interferenza anche quando la luce viene riflessa
e rifratta dalle due superfici di una pellicola sottile
È a causa di questo fenomeno che le chiazze d’olio e le bolle
di sapone si colorano in maniera cangiante
Non basta tenere conto delle
differenze di cammino e delle
variazioni di fase dovute alla
riflessione: bisogna
considerare anche la
variazione di lunghezza
d’onda della luce che si
propaga nella pellicola
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5. Interferenza di onde riflesse
Il funzionamento dei compact disc (CD) dipende
dall’interferenza
Il segnale è codificato sotto forma di minuscole
“gobbe” sulla superficie del CD e l’intensità del laser
riflesso varia in funzione del fatto che la gobba sia
riflettente o no
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6. La diffrazione
Quando un’onda
attraversa un’apertura di
piccole dimensioni viene
diffratta, come si vede
nella figura
Significa che al di là
dell’apertura le onde
viaggiano in direzioni
diverse dalla direzione
dell’onda incidente
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6. La diffrazione
La diffrazione è la ragione per cui riusciamo a udire un
suono anche se la sorgente è nascosta: le onde
sonore possono venire diffratte da porte, angoli e altri
ostacoli
L’entità della diffrazione dipende dalla lunghezza
d’onda, ed è per questo che possiamo sentire
qualcuno che ci chiama da dietro l’angolo ma non
possiamo vederlo
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6. La diffrazione
Per capire la diffrazione
esaminiamo cosa
succede quando la luce
passa attraverso una
piccola fenditura
Come ci mostra la figura,
sullo schermo vedremo
una figura di diffrazione
da singola fenditura
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7. Spettro elettromagnetico
La parola spettro ci richiama alla mente la striscia di
colori che Newton ottenne facendo passare la luce solare
attraverso un prisma ottenendo così un fascio di luce
(costituito dal rosso, arancio, giallo, verde, blu, indaco,
violetto) che non sono
altro che i colori che vediamo
quando sorge l’arcobaleno.
Questo fenomeno di
scomposizione della luce
bianca fu definito dispersione.
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7. Spettro elettromagnetico
L’insieme di tutte le possibili onde
elettromagnetiche costituisce lo
spettro elettromagnetico
Le onde elettromagnetiche viaggiano
nel vuoto con velocità c, frequenza f
e lunghezza d’onda l.
I vari tipi di onde elettromagnetiche,
prodotte tutte da cariche accelerate,
sono mostrate in figura.
Es.: onda radio di frequenza
f=94.7MHz
l = c/f = 3.17 m
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7. Spettro elettromagnetico
L’insieme delle onde elettromagnetiche
costituisce lo spettro elettromagnetico.
In figura vediamo quattro colonne.
Nella prima colonna ci sono le sorgenti
di radiazione che vanno da un ordine di
grandezza maggiore a un ordine di
grandezza minore,come ad esempio:
acceleratori di particelle, lampade e
laser,antenne paraboliche, antenne
radio.
Nella seconda colonna ci sono le
finestre atmosferiche che indicano quali
radiazioni riescono ad attraversare
l’atmosfera che circonda la terra.
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7. Spettro elettromagnetico
Nella terza colonna ci sono le
radiazioni con rispettive lunghezze
d’onda e frequenze.
Le prime,ossia i raggi gamma,
avendo una piccolissima
lunghezza d’onda, vengono dette
onde corte.
Le ultime, ossia le onde radio,
avendo una grande lunghezza
d’onda (anche di 10 km) vengono
dette onde lunghe.
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7. Spettro elettromagnetico
Nella quarta colonna ci sono gli oggetti
rilevabili come ad esempio quark, cellula,
ape, casa.
Perché un oggetto possa essere rilevato,
le sue dimensioni devono essere
confrontabili o maggiori della lunghezza
dell'onda incidente:
più l'oggetto è grande rispetto alla
lunghezza dell'onda incidente, tanto più
netta risulta la rilevazione dell'oggetto ed
i suoi contorni.
Questo perché l'oggetto deve poter
riflettere bene l'onda senza dare origine
a fenomeni di diffrazione rilevanti.
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