Formazione immagini Superfici rifrangenti Lenti sottili Strumenti ottici
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Formazione immagini Superfici rifrangenti Lenti sottili Strumenti ottici
Fisica II - CdL Chimica Formazione immagini Superfici rifrangenti Lenti sottili Strumenti ottici Ottica geometrica In ottica geometrica si analizza la formazione di immagini assumendo che la luce si propaghi in modo rettilineo (raggio: maniera comoda di descrivere il cammino seguito dall'onda luminosa e cioè ortogonali ai fronti d'onda e diretti nel verso di propagazione) Quando, invece, gli effetti della diffrazione sono rilevanti, siamo nel dominio dell'ottica fisica (ondulatoria): interferenza e diffrazione. Fisica II - CdL Chimica Formazione immagini Usando uno specchio o una lente per guardare un oggetto, osserviamo un’immagine non l’oggetto reale ! Formazione immagini: determinare il percorso di un raggio luminoso che incontra specchi e/o lenti, ricorrendo alle leggi di riflessione e rifrazione. Il cervello elabora l’informazione luminosa, ambiente circostante, memoria e costruisce una «plausibile» immagine dell’oggetto e del contorno: talvolta SBAGLIA! Esempio Miraggio Fisica II - CdL Chimica Formazione immagini specchio piano forma immagini virtuali: 1) Attraverso la posizione apparente dell'oggetto non passano i raggi di luce 2) L'immagine non può essere proiettata su uno schermo (per vederla occorre guardare nello specchio o nella lente) 3) L'immagine virtuale prodotta da un singolo specchio (o lente) è sempre diritta. L’immagine reale invece: 1) dopo aver incontrato lo specchio o la lente, il raggio luminoso passa effettivamente attraverso la posizione dell'immagine 2) l'immagine reale può essere proiettata su uno schermo. 3) l'immagine reale prodotta da un singolo specchio o lente è sempre capovolta. Fisica II - CdL Chimica Specchio piano Dalla legge delle riflessione nel caso riportato in figura deve essere: i o Per un oggetto esteso: E’ sufficiente trovare la posizione di un punto dell’immagine per localizzarla interamente Ingrandimento trasversale m h h Se negativo immagine capovolta Fisica II - CdL Chimica Specchio piano (esercizio) Trovare l’altezza minima h di uno specchio che consenta ad una persona alta H di vedersi interamente riflessa nello specchio. Dal grafico si vede che la lunghezza dello specchio deve essere pari ad ac. Essendo 1 ab te 2 1 bc ef 2 1 1 e si ha ac ab bc te ef tf 2 2 1 e ponendo h ac e H tf h H 2 Indipendente dalla distanza della persona dallo specchio ! Fisica II - CdL Chimica Specchi sferici raggio di curvatura r raggio di curvatura r 1 1 2 1 1 1 ovvero Equazione dello specchio o i r o i f sferico r essendo f lunghezza focale 2 Fisica II - CdL Chimica Derivazione equazione specchio triangolo: angolo esterno = somma angoli interni opposti a e a 2 combinando a 2 s s s se s av si ha a , , o r i 1 1 2 da cui o i r Fisica II - CdL Chimica ipotesi raggi parassiali (a piccolo) Superfici rifrangenti sferiche La distanza dell’immagine i è legata alla distanza dell’oggetto o, al raggio di curvatura r ed ai due indici di rifrazione n1 e n2. n1 n2 n2 n1 o i r Questa equazione, con opportune convenzioni sui segni, è in grado di descrivere la traiettoria dei raggi che attraversano i mezzi rifrangenti (valida per raggi parassiali). Fisica II - CdL Chimica Derivazione equazione superfici rifrangenti sferiche Legge della rifrazione n1 sin 1 n2 sin 2 Teorema dell’angolo esterno: 1 a e 2 n1a n2 n2 n1 Ipotesi raggi parassiali: n11 n2 2 da cui Fisica II - CdL Chimica s s s in radianti a , , o r i n1 n2 n2 n1 o i r Convenzioni sui segni Se la luce convergente che proviene dalla superficie di separazione deve formare una immagine reale, questa deve trovarsi dalla parte opposta rispetto a quella da cui proviene la luce (regione R). Le immagini virtuali sono invece prodotte sullo stesso lato (regione V). Il raggio di curvatura è considerato positivo se il centro di curvatura C è situato nella regione R (negativo se è in V). La distanza dall’oggetto è positiva per oggetti reali (nella regione V) mentre la distanza immagine è positiva per immagini reali (nella regione R). Per gli specchi la situazione è diversa: Fisica II - CdL Chimica Esercizio (dov’e’ il pesce ?) Si consideri che il pesce, posto in una vasca di raggio 15 cm, si trova sul piano equatoriale a 10 cm dalla superficie esterna. Essendo l’indice di rifrazione dell’acqua n1=1.33, si determini la posizione del pesce per un osservatore esterno alla vasca (trascurare l’effetto di rifrazione del vetro, supposto sottile). Con riferimento alla figura, per la convenzione sui segni o è positivo, (oggetto nella regione V rispetto alla superficie sferica), r è negativo (perché C è nella stessa regione di V) quindi dalla relazione: n2 n2 n1 n1 1 1.33 1.33 0.66 3.99 0.111 cm 1 30 cm i r o 15 cm 10 cm si ha: i 9 cm Vale a dire che il pesce appare più vicino alla parete della vasca di quanto non lo sia in realtà. Fisica II - CdL Chimica Lenti sottili Lente sottile: lo spessore della lente è piccolo se paragonato alla distanza dell’oggetto o, a quella dell’immagine i e ai raggi di curvatura r1 e r2 delle due superfici rifrangenti. Tipi di lenti 1 1 1 o i f 1 1 1 con n 1 f r1 r2 ingrandimento Fisica II - CdL Chimica m i o Lenti sottili: convenzioni sui segni (a) 1. r1 e r2 > 0 : se i corrispondenti centri di curvatura si trovano nella regione R (fig. a, r1 > 0 e r2 < 0). Lunghezza focale f positiva (lente convergente). 2. o > 0 : se l’oggetto è reale e giace nella regione V della lente (fig. a e b). 3. i > 0 se l’immagine (reale) giace nella regione R (fig. a e c). 4. m < 0 : se i ed o > 0 (fig. a immagine capovolta) Fisica II - CdL Chimica (b) (c) Lenti sottili raggi paralleli come tracciare i raggi Fisica II - CdL Chimica Strumenti ottici: lente d’ingrandimento Per oggetti piccoli a distanza grande h d h e m d Oggetto nel fuoco della lente (o~f) i h d o h i h f d m hd hd hd f Fisica II - CdL Chimica punto prossimo occhio umano 25 cm d 25 cm m f È possibile ingrandire fino a circa 10 volte (oltre si osservano aberrazioni) Strumenti ottici: microscopio composto • • • • • Oggetto O, di altezza h, a piccola distanza da F1 (obiettivo). Immagine reale e capovolta I di altezza h’ h s tan m Ingrandimento trasversale m: h f ob tan s (lunghezza tubo) tale che I cada in F’1 Oculare agisce da lente d’ingrandimento: s d M mm f ob f oc 10X max 100X campione sorgente luminosa Fisica II - CdL Chimica s f ob s 25 cm f ob f oc oculare obiettivo Strumenti ottici Telescopio rifrattore m Fisica II - CdL Chimica oc h foc f ob ob h f ob f oc Strumenti ottici : fibroscopio Fisica II - CdL Chimica