L’onda

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parte 2/2

ESPERIMENTO 3:

 

Ottica geometrica:

 

L’ottica geometrica si basa sul principio di propagazione rettilinea della luce e sull’indipendenza dei raggi luminosi (entità astratta che corrisponde alla direzione del flusso dell’energia radiante) ma ignora la teoria ondulatoria della luce introdotta nel XVII secolo dall’olandese Christiaan Huigens. L’ottica geometrica è utilizzata per descrivere i fenomeni di riflessione e di rifrazione. Trova numerose applicazioni nella progettazione di lenti e altri componenti degli strumenti ottici.

 

Per osservare ed effettuare gli esperimenti riguardanti l’ottica geometrica ci siamo serviti di una strumentazione particolare.

 

Sopra una struttura metallica abbiamo posto una fonte di luce: A 12 centimetri da essa ,(distanza focale) è stata fissata una lente.

 

La distanza focale è tale che i raggi luminosi che divergono dalla sorgente, dopo

aver attraversato la lente, ne fuoriescono paralleli.

Per ottenere un solo raggio luminoso e non un fascio abbiamo successivamente fissato dietro alla lente ,una mascherina metallica con una sottile fessura nel centro.

In questo modo un solo raggio filtra, gli altri vengono bloccati.

Questo raggio è stato utilizzato per le varie prove con l’uso di lenti e specchi.

 

Gli specchi: riflessione

Se la superfici riflettenti sono pulite, levigatissime e non assorbono i raggi luminosi vengono chiamate specchi. Se la superficie riflettente è scabra, avviene il fenomeno della diffusione.

 

–         SPECCHIO PIANO:

E’ una superficie perfettamente riflettente piana. Si può notare come l’angolo d’incidenza (i) sia uguale a quello di rifrazione (r) e che il raggio di incidenza sia complanare a quello riflesso.

 

–         SPECCHI CURVI:

 

Sono superfici perfettamente riflettenti aventi la forma di una calotta sferica.

I principali elementi caratteristici degli spechi sferici sono:

1 –      

centro di curvatura: centro C della superficie sferica a cui appartiene la calotta;

2 –      Casella di testo: centro di curvatura

 asse ottico principale: rappresenta l’asse di simmetria della calotta passante per C

 

3 –      vertice: punto V di intersezione dell’asse ottico principale con la calotta sferica.

Si dividono in concavi, se la superficie speculare è quella interna della calotta, e convessi, se la superficie speculare è quella esterna.

Si considerino un fascio di raggi paralleli all’asse di curvatura che incontrino uno specchio concavo. Mediante le leggi della riflessione si possono costruire i raggi riflettenti, che si incontrano in un punto F chiamato fuoco. Questo punto si trova nel punto medio di VC (figura a lato) e la misura di VF si chiama distanza focale, pari alla metà del raggio di curvatura dello specchio. Ponendo la sorgente luminosa nel fuoco, i raggi riflessi risultano paralleli all’asse principale.

 

                                                    

 

Nel caso degli specchi convessi, un fascio di raggi paralleli all’asse principale, dopo la riflessione, diverge, come se provenisse dal punto medio del raggio di curvatura. Questo punto è chiamato fuoco virtuale, in quanto è solo un ente geometrico.   

 

 

 

  

Oggetti trasparenti: rifrazione

Gli oggetti trasparenti sono dei corpi i cui atomi non bloccano la propagazione dell’onda, in questo caso della luce.

Si prenderanno in considerazione casi in cui la sorgente luminosa è in un mezzo con minor indice di rifrazione rispetto all’oggetto rifrangente.

Quando il raggio luminoso passa da un mezzo con un indice di rifrazione minore ( ad esempio l’aria) a uno maggiore (ad esempio il vetro) si avvicina alla normale, ma quando ritorna nel mezzo dal quale proveniva, si riallontana dalla normale.

–         PARALLELEPIPEDI:

Se l’oggetto è posto ortogonalmente rispetto al raggio incidente, la visione non cambia in quanto il raggio rifratto non cambia direzione.

Se l’oggetto è posto invece  obliquamente, si può notare una duplice rifrazione e la riflessione (figura a lato).

–         LENTI:

Una lente è formata da un mezzo trasparente limitato da due superfici, delle quali almeno una di forma generalmente sferica. A seconda della curvatura, si dividono in convergenti e divergenti; le prime sono più spesse al centro, le seconde ai bordi

 

 

 

Gli elementi caratteristici più importanti di una lente sono:

1 –      C1 e C2: centri di curvatura delle calotte sferiche

2 –      C1C2: asse ottico principale

3 –      F1 e F2: fuochi situati a r/2 dalla lente

In una lente convergente i raggi  uscenti dal primo fuoco, dopo essersi rifratti due volte sulle due facce della lente, escono paralleli all’asse ottico (a). Se invece si considera un fascio di raggi paralleli all’asse ottico, questi, dopo essersi rifratti due volte sulle facce della lente, escono convergendo ne secondo fuoco(b).

 

 

In una lente divergente, i raggi incidenti in direzione tale che i prolungamenti geometrici convergano nel primo fuoco, dopo essersi rifratti due volte sulle due facce della lente, escono paralleli all’asse ottico (a). Se invece si considera un fascio di raggi paralleli all’asse ottico, questi, dopo essersi rifratti due volte sulle facce della lente, escono divergendo in modo che i prolungamenti geometrici passino per il secondo fuoco.

 

 


 

Se la sorgente luminosa fosse situata in un mezzo con indice di rifrazione maggiore rispetto a quello del mezzo rifrangente, tutti i risultati dei fenomeni descritti sopra si invertirebbero:

 

Casella di testo: N1>N2


 

Angolo limite e riflessione totale

Poichè i raggi che si rifrangono da un mezzo più rifrangente a un mezzo meno rifrangente si allontanano dalla normale, considerando successivamente raggi provenienti da una stessa sorgente e formanti con le rispettive normali angoli di incidenza via via crescenti, si perviene a un particolare raggio con un angolo l di incidenza tale che il raggio rifratto emerge radente alla superficie di separazione dei due mezzi. In queste condizioni l’angolo di rifrazine è di 90° e l’angolo l  è detto angolo limite. In altre parole esso è tale che il corrispondente angolo di rifrazione è 90°. Si può calcolare con la formula di pag. 5. (aria-acqua: 49°, aria-vetro: 42°)

Quando l’angolo di incidenza è maggiore dell’angolo limite, la luce viene solo riflessa e si ha il fenomeno della riflessione totale (altrimenti  il seno dell’angolo di rifrazione dovrebbe essere maggiore dell’unità). Questo è possibile solo quando la luce si propaga da un mezzo più rifrangente a uno meno.

 

                        

* 


 

Applicazione della rifrazione nella vita di tutti i giorni

 

Il nostro occhio considera i raggi luminosi sempre diritti, e, nel caso siano stati rifratti, ci mostra una visione che non è coerente con la realtà. Erano noti già agli antichi Greci fenomeni di questo tipo.

 

 

 

 

 

IL MIRAGGIO

 

 

(Si ha quando gli strati d’aria più bassi sono più caldi)

Mentre il raggio di luce SO (nella figura), che si propaga lungo uno strato d’aria caratterizzato da densità costante, non subisce deviazione, quello che si propaga verso il basso, incontrando strati d’aria più caldi e quindi meno densi (=minor indice di rifrazione) , si allontana dalla normale, finchè si riflette totalmente. L’osservatore vede così l’albero e la sua immagine capovolta come se l’oggetto fosse rispecchiato in una pozza d’acqua.

 

LA FATA MORGANA 

 

 

(Si ha quando gli strati d’aria più alti sono più caldi)

Un raggio luminoso che parte da un oggetto sulla superficie marina, se incontra strati d’aria meno densi, si rifrange allontanandosi dalla normale finchè si riflette totalmente. L’osservatore che lo intercetta vede quindi l’oggetto in alto.

 

 

LE FIBRE OTTICHE

 

Una fibra ottica è costituita da un nucleo trasparente circondato da una corona il cui indice di rifrazione è leggermente più piccolo di quello del nucleo. Una fibra ottica è un conduttore di luce flessibile, in quanto una raggio luminoso, una volta immesso nel nucleo, vi rimane confinato a seguito di una continua successione di riflessioni totali. Le fibre ottiche sono utilizzate in vari campi come quello medico (per visualizzare organi interni) o delle telecomunicazioni (per trasmettere informazioni tradotte in codice binario).

 

 

 

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