I raggi di luce

LEZIONI
DI
OTTICA
CHE COS’E’
LA LUCE
 Perché vediamo gli oggetti
 Che cos’è la luce
 La propagazione della luce
Perché vediamo gli oggetti?
Perché vediamo gli oggetti?
Noi vediamo gli oggetti
perché da essi partono
radiazioni luminose che
giungono al nostro
occhio
Una SORGENTE
LUMINOSA emette luce
propria, mentre gli
OGGETTI ILLUMINATI
diffondono in tutte le
direzioni la luce da cui
vengono investiti.
I raggi di luce
Un raggio luminoso è un fascio di luce molto sottile,
che rappresentiamo con una retta.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Le sorgenti di luce
I corpi che emettono la luce
sono chiamati corpi luminosi
o sorgenti di luce.
I raggi che essi emettono
colpiscono gli altri oggetti
(i corpi illuminati),
sono diffusi in tutte le direzioni
ed entrano, infine, nei nostri
occhi.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
SORGENTI DI LUCE
Una sorgente di luce è
un qualsiasi corpo che
emette luce
• il sole
• il fuoco
• una lampadina
• ….
CORPI TRASPARENTI
Sono corpi che possono
essere attraversati dai
raggi di luce
• acqua
• aria
• vetro
• ……
CORPI OPACHI
Sono corpi che
impediscono il
passaggio dei raggi di
luce.
Si dividono in:
• assorbenti
• riflettenti
CORPI ASSORBENTI
Assorbono la luce e la
convertono in calore
• carbone
• nerofumo
•…
CORPI RIFLETTENTI
Respingono i raggi di
luce
• metalli
• foglio bianco
•…
COMPORTAMENTI MISTI
In realtà tutti i corpi opachi sono in
parte assorbenti e in parte riflettenti
L’acqua è trasparente, ma ci si può
specchiare sulla sua superficie, come
se fosse riflettente
Che cos’è la luce?
UN FLUSSO DI PARTICELLE
MICROSCOPICHE
emesse a ritmo continuo dalle
sorgenti luminose
fotoni
TEORIA CORPUSCOLARE
Che cos’è la luce?
UN FLUSSO DI PARTICELLE
MICROSCOPICHE
emesse a ritmo continuo dalle
sorgenti luminose
UN’ ONDA
cioè energia
che si
propaga
fotoni
TEORIA CORPUSCOLARE
TEORIA ONDULATORIA
La velocità della luce
La luce può propagarsi in un mezzo trasparente
(aria, vetro, acqua) ma anche nel VUOTO.
La sua velocità nel vuoto è
c= 300 000 km / s
La luce proveniente dal sole impiega circa 8 minuti
per arrivare a noi.
150 milioni di km = 8 minuti-luce
Sol
e
Terra
L’indice di rifrazione
Nei mezzi trasparenti la velocità della luce è minore
che nel vuoto.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Onde
Un’onda è caratterizzata da
una lunghezza d’onda e da un’ampiezza
lunghezza d’onda (λ)
ampiezza
La radiazione elettromagnetica trasporta un’energia
che aumenta al diminuire della sua lunghezza d’onda
B
Luce è una radiazione elettromagnetica
Onde elettromagnetiche
B
ONDE RADIO
= 1km – 10cm
trasmissioni radio-televisive
B
B
MICROONDE
= 10cm – 1mm
radar, telefono, forni
B
B
IR - VISIBILE - UV = 1mm – 10-9m
calore, luce, reazioni chimiche
B
B
B
RAGGI X – RAGGI GAMMA
radiografie
= 10-8 – 10-12m
Lo spettro elettromagnetico
LUNGHEZZA D’ONDA (m)
1fm
1m
1pm
10-14
102
10-12
RAGGI
GAMMA
B
B
B
1nm
10-10
RAGGI X
B
B
1μm
10-8
ULTRAVIOLETTO
B
10-6
INFRAROSSO
B
ENERGIA
VISIBILE
1mm
10-4
10-2
MICROONDE
B
1
ONDE
RADIO
Colori e lunghezza d’onda
L’occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte
dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE
COLORE LUNGHEZZA
D’ONDA (nm)
violetto
380-430
azzurro
430-470
verde
470-520
giallo
520-590
arancion
590-610
e
rosso
610-750
B
B
B
B
Ciascun colore corrisponde ad una radiazione
elettromagnetica di diversa lunghezza d’onda
B
L’occhio umano
L’occhio, tramite la lente del
cristallino, forma
un’immagine degli oggetti
sulla retina, da cui poi
partono gli impulsi elettrici
che arriveranno al cervello
La retina è ricoperta di coni e
bastoncelli.
I CONI sono i responsabili
della visione a colori
La propagazione della luce: le ombre
La luce si propaga in linea retta
La propagazione della luce: le ombre
La luce si propaga in linea retta
oggetto opaco
Sorgente
puntiforme
ombra
cono d’ombra
La propagazione della luce: le ombre
La luce si propaga in linea retta
oggetto opaco
Sorgente
puntiforme
ombra
cono d’ombra
C
Sorgente
estesa
penombra
P
ombra
La propagazione della luce: le ombre
La luce si propaga in linea retta
Sorgente
puntiforme
ombra
oggetto opaco
cono d’ombra
eclisse parziale
eclisse totale
SOLE
LUNA
TERRA
Le proprietà della luce
Cosa avviene quando la luce colpisce un oggetto?
Le proprietà della luce
Cosa avviene quando la luce colpisce un oggetto?
… può essere riflessa …
… trasmessa …
… assorbita e poi riemessa …
Le leggi della riflessione
raggio
incidente
i
Superficie riflettente liscia
(specchio)
Le leggi della riflessione
raggio
incidente
i r1
raggio
riflesso
i=r1
Superficie riflettente liscia
(specchio)
1a legge: il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale
alla superficie riflettente giacciono nello stesso piano
2a legge: l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di
riflessione
i=r1
Le leggi della riflessione
Superficie scabra
raggio
incidente
i r1
raggio
riflesso
i=r1
Superficie riflettente liscia
(specchio)
1a legge: il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale
alla superficie riflettente giacciono nello stesso piano
2a legge: l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di
riflessione
i=r1
La diffusione della luce riflessa
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Riflessione su uno specchio piano
oggetto
Riflessione su uno specchio piano
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio piano
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio piano
L’immagine è VIRTUALE,
delle stesse dimensioni
dell’originale,
DRITTA, ma
NON E’
SOVRAPPONIBILE
ALL’ORIGINALE
P
P’
C
C’
oggetto
immagine
Lo specchio piano
L’immagine riflessa
da uno specchio piano
è virtuale e appare
in posizione simmetrica
all’oggetto rispetto
allo specchio.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Destra o sinistra?
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Riflessione su uno specchio concavo
oggetto
SPECCHI CURVI
SPECCHI PARABOLICI
Specchi sferici di piccola apertura
In uno specchio sferico:
• il raggio è il raggio della
sfera da cui esso è tratto;
• l’asse ottico è il suo asse
di simmetria, che passa per
il centro C della sfera e per
il vertice V dello specchio;
• la distanza focale è la
distanza tra il fuoco F e il
vertice V e si verifica
sperimentalmente che è
uguale alla metà del raggio.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Riflessione su uno specchio concavo
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio concavo
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio concavo
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio concavo
L’immagine è REALE, rimpicciolita e CAPOVOLTA
P
C’
P’
C
oggetto
immagine
Raggio parallelo all’asse ottico
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Raggio per il fuoco
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Raggio per il centro
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Raggio nel vertice
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Oggetto oltre il centro
Immagine reale,
capovolta
e rimpicciolita
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Oggetto tra il centro e il fuoco
Immagine reale,
capovolta
e ingrandita
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Oggetto tra il centro e lo specchio
Immagine virtuale,
diritta e ingrandita
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
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Riflessione su uno specchio convesso
oggetto
Riflessione su uno specchio convesso
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio convesso
P
C
oggetto
Riflessione su uno specchio convesso
L’immagine è SEMPRE VIRTUALE, rimpicciolita
e DRITTA
P
P’
C’
C
oggetto
immagine
LEGGE DEI PUNTI CONIUGATI
f = VF
p = VA
q = VA’
SPECCHI CONVESSI
p ed r sono numeri positivi, perciò q sarà negativo: in uno specchio convesso
l’immagine sarà sempre virtuale
INGRANDIMENTO LINEARE
CONVENZIONI PER LA LEGGE DEI PUNTI CONIUGATI
APPLICATA AGLI SPECCHI
POSITIVO
NEGATIVO
Valore di q
immagine reale
Immagine virtuale
Valore di f
Specchio concavo
Specchio convesso
Valore di G
Immagine diritta
Immagine capovolta
Le leggi della rifrazione
raggio
incidente
i
raggio
incidente
i
Le leggi della rifrazione
raggio
incidente
i r1
raggio
riflesso
raggio
incidente
i r1
raggio
riflesso
Le leggi della rifrazione
raggio
incidente
i r1
r2
raggio
riflesso
raggio
rifratto
raggio
incidente
i r1
raggio
riflesso
Le leggi della rifrazione
raggio
incidente
i r1
r2
raggio
riflesso
raggio
rifratto
raggio
incidente
i r1
r2
raggio
riflesso
raggio
rifratto
1a legge: il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla
superficie riflettente giacciono nello stesso piano
2a legge: quando un raggio luminoso passa da un mezzo meno
“denso” a uno più “denso” si avvicina alla normale; se passa da un
mezzo più “denso” ad uno meno “denso” si allontana dalla normale
La rifrazione
La rifrazione avviene ogni volta che un raggio attraversa
la separazione tra due mezzi trasparenti nei quali la luce
ha velocità diverse.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Le leggi della rifrazione
Prima legge
Il raggio incidente, il raggio rifratto e la retta perpendicolare
alla superficie di separazione dei due mezzi, nel punto
di incidenza, appartengono allo stesso piano.
Seconda legge
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LEGGE DI SNELL
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
La moneta sott’acqua
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Riflessi e rifratti
Oltre al raggio rifratto
si forma anche un debole
raggio riflesso dentro il vetro.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
La riflessione totale
Si chiama angolo limite
quel valore dell’angolo
d’incidenza a cui corrisponde
un angolo di rifrazione
pari a 90°.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Angoli limite con l’aria
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Il punto di vista dei sub
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Le fibre ottiche
La luce che vi penetra si riflette all’interno della fibra
moltissime volte, fino a uscire all’altra estremità.
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Esempi di rifrazione
Il bastoncino
spezzato
Esempi di rifrazione
Il bastoncino
spezzato
Un bastoncino immerso
parzialmente in acqua
sembra spezzato
Esempi di rifrazione
Il bastoncino
spezzato
Un bastoncino immerso
parzialmente in acqua
sembra spezzato
P’
P
A causa della rifrazione, gli
oggetti in acqua appaiono più in
alto di dove realmente si
trovano
Esempi di rifrazione
Il miraggio
aria sempre più calda e
quindi sempre meno densa
sabbia bollente
Riflessione totale
Riflessione totale
Riflessione totale
Se la luce passa da un mezzo meno denso a uno
più denso incidendo con un angolo superiore di un
ANGOLO LIMITE, essa viene riflessa totalmente
alim alim
Riflessione totale
Se la luce passa da un mezzo meno denso a uno
più denso incidendo con un angolo superiore di un
ANGOLO LIMITE, essa viene riflessa totalmente
alim alim
PRISMA
a riflessione totale
Riflessione totale
Se la luce passa da un mezzo meno denso a uno
più denso incidendo con un angolo superiore di un
ANGOLO LIMITE, essa viene riflessa totalmente
alim alim
PRISMA
a riflessione totale
FIBRA OTTICA
Esempi di riflessione totale
PERISCOPIO
Esempi di riflessione totale
FIBRA OTTICA
PERISCOPIO
Esempi di riflessione totale
FIBRA OTTICA
PERISCOPIO
Esempi di riflessione totale
FIBRA OTTICA
PERISCOPIO
Esempi di riflessione totale
FIBRA OTTICA
PERISCOPIO
Esempi di riflessione totale
FIBRA OTTICA
PERISCOPIO
Lenti sferiche
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Le lenti convergenti
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Raggio parallelo all’asse ottico
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Raggio per il fuoco
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Raggio per il centro
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Oggetto oltre il doppio della distanza focale
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Oggetto al doppio della distanza focale
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Tra il fuoco e il doppio della distanza focale
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Oggetto nel fuoco
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Oggetto tra la lente e il fuoco
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Le lenti divergenti (1)
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Le lenti divergenti (2)
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Lenti convergenti e divergenti
Lenti convergenti
Immagine capovolta e rimpicciolita
Immagine capovolta e ingrandita
Lenti divergenti
Immagine SEMPRE VIRTUALE, diritta e rimpicciolita
FORMULA DEI PUNTI CONIUGATI PER
LENTI SOTTILI
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Il rapporto di ingrandimento di una lente
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CONVENZIONI PER LA LEGGE DEI PUNTI CONIUGATI
APPLICATA ALLE LENTI SOTTILI
POSITIVO
NEGATIVO
Valore di q
Immagine reale
Immagine virtuale
Valore di f
Lente convergente
Lente divergente
Valore di G
Immagine diritta
Immagine capovolta
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Applicazioni delle lenti
macchine
fotografiche
binocoli e
cannocchiali
microscopi e
lenti di
ingrandimento
occhiali da
vista
Gli occhiali da vista
occhio miope
Gli occhiali da vista
occhio miope
e la sua correzione
Gli occhiali da vista
occhio miope
e la sua correzione
occhio ipermetrope
Gli occhiali da vista
occhio miope
e la sua correzione
occhio ipermetrope
e la sua correzione
La macchina fotografica
L’obiettivo, che si comporta
come una lente convergente,
forma un’immagine reale
e capovolta dell’oggetto
fotografato.
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Il microscopio
Nel microscopio si
forma un’immagine
virtuale, capovolta ed
ingrandita.
Con i migliori
microscopi di
possono effettuare
ingrandimenti di
qualche migliaio di
volte vedere ad
esempio i batteri
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IL CANNOCCHIALE
Nel cannocchiale l’immagine è reale, capovolta e rimpicciolita e si forma
in corrispondenza del fuoco Fob. Per raddrizzare l’immagine si usano lenti
e prismi
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Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010