Esperimenti sull`ottica geometrica di Viviana

RELAZIONI ED
ESPERIMENTI DI FISICA
a.s.2006/2007
A cura di:
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Viviana Spinelli
Federica Maraglino
Claudia Notaristefano
Nadia Barulli
“La Luce ed i fenomeni ad essa
collegati”
La luce è l'agente fisico che rende visibili gli oggetti.
Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro
elettromagnetico visibile all'occhio umano, ma può
includere altre forme della radiazione
elettromagnetica.
Le tre grandezze base della luce (e di tutte le
radiazioni elettromagnetiche) sono la luminosità (o
ampiezza), il colore (o frequenza) e la polarizzazione
(o angolo di vibrazione).
A causa della dualità onda-particella, la luce mostra
simultaneamente proprietà che appartengono sia alle
onde che alle particelle.
PROPAGAZIONE RETTILINEA DELLA
LUCE
In un mezzo omogeneo ed isotropo, caratterizzato, cioè, dalle stesse
proprietà, la luce si propaga lungo traiettorie rettilinee, dette RAGGI. La
velocità di propagazione nel vuoto rappresenta una costante della natura,
il cui valore si approssima a 300.000.000m/s.
Si può notare, infatti, come,
interponendo fra una sorgente
puntiforme e uno schermo un corpo
opaco, sullo schermo appare l‘ombra
del corpo, la cui estensione, in
accordo con la propagazione della
luce, si ottiene proiettando dalla
sorgente il contorno del corpo.
RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLA LUCE
Se un raggio di luce incontra la superficie di separazione
di due mezzi trasparenti, in parte si riflette, ritornando
nel primo mezzo, in parte si rifrange, penetrando nel
secondo mezzo, dove si propaga con direzione diversa
da quella del raggio incidente.
ESPERIMENTO SULLA RIFLESSIONE
MATERIALE OCCORRENTE:
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Cartoncino bianco
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Torcia elettrica
·
Cartoncino nero
·
Goniometro
·
Specchio
ESECUZIONE:
Abbiamo praticato un forellino nel cartoncino nero e abbiamo posto
quest’ ultimo davanti alla torcia, in modo da renderla una sorgente
puntiforme. Poi abbiamo disegnato, sul cartoncino bianco, la sagoma
del goniometro e lo abbiamo sistemato sul piano di un tavolo,
perpendicolarmente allo specchio. Abbiamo quindi diretto il raggio
luminoso (raggio incidente) della torcia sul cartonino bianco, in modo
da colpire il centro del goniometro. Esso veniva riflesso (raggio riflesso)
con un angolo uguale a quello incidente.
CONCLUSIONE:
Quando un raggio luminoso viene riflesso da un corpo lucido e levigato,
l’angolo di incidenza è uguale all’angolo riflesso.
2 SEMPLICI ESPERIMENTI SULLA RIFRAZIONE
1.LA PAROLA CHE GALLEGGIA
MATERIALE OCCORRENTE:
•Contenitore di plastica
•Pennarello
•Acqua
ESECUZIONE:
Abbiamo scritto con un pennarello indelebile una parola sul fondo del contenitore, e,
dopo averlo riempito d’acqua, abbiamo notato che la parola scritta veniva a galla.
Ciò avviene perché le lettere riflettono verso i nostri occhi dei raggi luminosi.
Senz’acqua, i raggi riflessi dalla scritta si muovono in linea retta; allontanandosi dal
recipiente la parola scompare perché i raggi riflessi vengono bloccati dal bordo e non
raggiungono i nostri occhi. Con l’acqua i raggi riflessi dalla scritta subiscono, al
passaggio acqua-aria, una deviazione.
2.LA RIFRAZIONE DELLO SPAGHETTO
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MATERIALE OCCORRENTE:
Bicchiere trasparente
Acqua
Spaghetto
• ESECUZIONE:
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Abbiamo messo dell’acqua nel bicchiere ed inserito lo spaghetto.
Questo sembra spezzato. Si tratta di un’illusione ottica dovuta al fenomeno
della rifrazione, che si verifica quando un’onda passa da un mezzo materiale
ad un altro. Il raggio viene deviato e prosegue nel secondo mezzo. Se passa da un
mezzo meno denso (aria) ad uno più denso (acqua), si avvicina alla normale,
viceversa si allontana. Noi vediamo lo spaghetto spezzato perché la luce riflessa
e poi rifratta giunge ai nostri occhi, che inviano tale messaggio luminoso al cervello.
Il cervello, nella ricostruzione dell’immagine applica solo la legge di propagazione
rettilinea della luce, e non le leggi della rifrazione.
Questo principio è alla base di tutte le illusioni ottiche.
LA DISPERSIONE DELLA LUCE
In ottica la dispersione è un fenomeno che causa la
separazione di un'onda in componenti spettrali con
diverse lunghezze d'onda, a causa della dipendenza
della velocità dell'onda dalla lunghezza d'onda. È
spesso descritta in onde luminose, ma può avvenire in
ogni tipo di onda che interagisce con un mezzo o che
può essere confinata in una guida d'onda, come le
onde sonore. La dispersione è anche chiamata
dispersione cromatica per enfatizzare la sua
dipendenza dalla lunghezza d’onda.
Questo fenomeno può essere semplicemente
ottenuto inviando attraverso un prisma di vetro un
sottile pennello di “luce bianca”, proveniente per
esempio dal Sole o da una lampadina. La luce,
dopo aver attraversato il prisma ed essersi raccolta
sullo schermo, evidenzia la distribuzione delle
componenti monocromatiche.
Mentre un raggio di luce bianca si può
suddividere mediante un fenomeno di
dispersione nelle componenti monocromatiche, i
colori che si ottengono non sono ulteriormente
scomponibili.
ESPERIMENTO SULLA DISPERSIONE
MATERIALE OCCORRENTE:
- prisma di vetro
- torcia
- schermo
ESECUZIONE:
Abbiamo disposto il prisma in modo tale che il raggio
luminoso collimato colpisca una delle sue facce,lo attraversi
ed esca da una delle facce non parallele alla prima. Infine,
abbiamo disposto lo schermo in modo che su di esso venga a
formarsi lo spettro di scomposizione della luce bianca.
L'arcobaleno è un fenomeno ottico e meteorologico che produce uno spettro (quasi)
continuo di luce nel cielo quando il Sole si riflette sulle gocce rimaste in sospensione
dopo un temporale, o presso una cascata o una fontana.
Visivamente è un arco multicolore, rosso sull'esterno e viola sulla parte interna; la
sequenza completa è rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto. Esso è
la conseguenza della dispersione e dalla rifrazione della luce solare contro le pareti
delle gocce stesse.
In rari casi, un arcobaleno lunare, o notturno, può essere visto nelle notti di forte
luce lunare. Ma, dato che la percezione umana dei colori in condizioni di poca
luminosità è scarsa, gli arcobaleni lunari sono percepiti come bianchi.
2 SEMPLICI ESPERIMENTI PER
OTTENERE UN “ARCOBALENO”
ARTIFICIALE
1.Abbiamo facilmente ottenuto un arcobaleno facendo
scorrere rapidamente un dito sulle setole bagnate di uno
spazzolino da unghie in modo che ogni setola,
risollevandosi di scatto dopo essere stata piegata, lanci in
aria una gocciolina d’acqua. Questo esperimento può essere
svolto al sole o con l’ausilio di una torcia elettrica.
2.Abbiamo, in secondo luogo, disposto
una bottiglia di cristallo (o un
bicchiere) piena d’acqua tra una torcia
e il nostro schermo, in modo tale che
su di esso si formi lo spettro di colori
che compongono la luce bianca,
analogamente a quanto visto per il
prisma.
Altri due fenomeni legati
alla rifrazione della luce:
MIRAGGIO
e
FATA MORGANA
MIRAGGIO:
Generalmente, gli strati d’aria atmosferica più vicini alla terra sono
anche quelli più densi e gli strati superiori sono invece meno densi. Se
però la terra è molto calda, può avvenire che gli strati più bassi, che
sono a più diretto contatto col suolo, siano meno densi di quelli
superiori.Ciò avviene soprattutto nei deserti.
Mentre un raggio che si propaga lungo uno strato d’aria caratterizzato
da densità costante non subisce deviazioni, quelli che si propagano verso
il basso, incontrando strati d’aria meno densi, si allontana dalla
normale finché si riflette totalmente. L’osservatore vedrà l’immagine
capovolta, come se l’oggetto fosse riflesso in uno specchio d’acqua.
FATA MORGANA:
Un raggio luminoso che parte da una nave, se
incontra strati d’aria meno densi, si rifrange
allontanandosi dalla normale, finché si riflette
totalmente. L’osservatore che lo intercetta vede la
nave in alto.
ESPERIMENTO SUL FENOMENO DEL MIRAGGIO
MATERIALE OCCORRENTE:
-laser
-lastra metallica
-fornello da campeggio
-specchietto
ASSEMBLAGGIO DEL DISPOSITIVO:
abbiamo collocato la sorgente (laser) sul tavolo, procurandoci spessori per variare la
direzione del pennello luminoso uscente. Abbiamo collocato immediatamente davanti alla
sorgente, a pochi cm di distanza dal pennello luminoso, una lastra metallica, lunga 20cm,
sostenuta da un apposito supporto. Abbiamo collocato sotto la lastra il fornetto e fissato
alla parete opposta della stanza uno specchietto e regolato la posizione della sorgente in
modo che il pennello luminoso colpisse lo schermo.
FASI DI LAVORO:
abbiamo segnato sulla parete alle spalle della sorgente la posizione della macchia
luminosa prodotta dal pennello riflesso dallo specchio. Abbiamo acceso il riscaldatore e
abbiamo segnato sulla parete lo spostamento subìto dalla macchia luminosa.
Ci siamo infine cimentate nel tentativo di
riprodurre …
“IL TRAMONTO IN UNA STANZA”
MATERIALE OCCORRENTE:
-contenitore di plastica o di vetro
-acqua
-latte in polvere
-torcia
-cartoncino
-forbici
ESECUZIONE:
In una stanza buia abbiamo riempito una bacinella d’acqua e
proiettato, parallelamente allo spigolo maggiore della
bacinella, un fascio di luce sottile tramite una torcia (resa,
attraverso il posizionamento del cartoncino, una sorgente
puntiforme). Senza l’aggiunta del latte in polvere, il fascio
di luce attraverserà, in buona parte non visto, la bacinella.
Abbiamo poi aggiunto lentamente il latte in polvere. Dopo
ogni aggiunta abbiamo mescolato bene e lasciato riposare il
tutto. Abbiamo osservato come cambia progressivamente la
colorazione del fascio luminoso lungo la bacinella.
SPIEGAZIONE:
Il latte è costituito da acqua e da fini goccioline di grasso in
sospensione. Le loro dimensioni sono tali da essere paragonabili alle
lunghezze d’onda delle onde luminose visibili. L’interazione fra le
onde luminose e le goccioline di grasso non è perciò più descritta
dalle leggi dell’ottica geometrica. Si hanno dei fenomeni di
diffrazione che fanno sì che le lunghezze d’onda più corte (viola,
azzurro) vengano deviate rispetto alla direzione di propagazione del
fascio di luce in maniera maggiore rispetto alle lunghezze d’onda più
lunghe (arancione, rosso). Solo queste ultime possono raggiungere il
fondo della bacinella, dando vita ad un’immagine di colore
arancione-rosso. Quello che avviene nella bacinella è simile a
quanto avviene con i raggi del sole che attraversano l’atmosfera. In
questo caso non sono goccioline di grasso ad interagire con le onde
luminose, bensì le stesse molecole che compongono l’aria.
Questa esperienza sperimentale ci ha
molto entusiasmato, e ci auguriamo,con
questo nostro lavoro, di averlo
dimostrato.
GRAZIE
da:
Viviana Spinelli
Federica Maraglino
Claudia Notaristefano
Nadia Barulli
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