Alcuni fenomeni connessi con la propagazione delle onde (2^ parte)
IV Sc.co A 7 e 8/04/14
Lezioni del 7 e 8/04/14 IV sc.co A [Selezionare la data]
Riflessione totale e diffrazione.
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Alcuni fenomeni connessi con la propagazione delle onde (2^ parte) Lezioni del 7 e 8/04/14 IV sc.co A Conseguenze/applicazioni della rifrazione della luce
Esperienza del bastone spezzato
L’acqua del mare appare meno profonda di quanto realmente sia.
Le lenti comunemente usate per la correzione dei difetti visivi sfruttano il fenomeno della rifrazione
Riflessione e rifrazione di un raggio luminoso. Riflessione totale. I fenomeni di riflessione e rifrazione della luce possono avvenire anche contemporaneamente. Quando un raggio luminoso incontra la superficie di separazione tra due mezzi trasparenti esso viene in parte riflesso e in parte rifratto seguendo le leggi già viste.
Tuttavia, in opportune condizioni, il raggio può subire solo la riflessione e si parla di riflessione totale. Vediamo quando questo accade: Nel passare da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente il raggio luminoso si allontana dalla normale. Al crescere dell’angolo d’incidenza cresce anche l’angolo di rifrazione.
La luce bianca è composta da radiazioni di diverse lunghezze d’onda (colori). Tutti i colori della luce bianca incidono con lo stesso angolo d’incidenza sul prisma, ma vengono rifratti con angoli di rifrazione diversi, crescenti nel passaggio dal rosso al violetto.
Si dice angolo limite l’angolo d’incidenza cui corrisponde un angolo di rifrazione di 90°; il raggio rifratto è radente la superficie. Per angoli d’incidenza superiori all’angolo limite il raggio luminoso non passa nel secondo mezzo e viene
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interamente riflesso. Il valore dell’angolo limite si deduce come segue:
n n senlˆ 2 lˆ arcsin 2 sen90 n1 n1
Esempio di riflessione totale:
Prismi ottici (con base il triangolo rettangolo isoscele) che sfruttano il fenomeno della riflessione totale per deviare raggi luminosi. L’angolo d’incidenza (45°) è superiore all’angolo limite (circa 42° nel passaggio vetro-aria)
Diffrazione di onde piane nell’acqua. La figura riporta il comportamento di un’onda rettilinea che incontra un ostacolo con una fenditura. Le quattro fenditure hanno ampiezza decrescente.
Nella prima immagine l’onda si propaga solo in direzione della fenditura, e non si propaga dietro l’ostacolo, formando una zona di ”ombra”. Nell’ultima immagine il fronte d’onda è circolare e la perturbazione interessa anche la regione dietro lo schermo. Si ha la diffrazione quando un’onda si propaga dietro un ostacolo invadendo quella che dovrebbe essere una zona d’ombra.
Fibra ottica composte da un nucleo interno (core) e un rivestimento (cladding). Il core è più rifrangente del cladding. Un raggio luminoso che entra nella fibra con angolo d’incidenza superiore all’angolo limite viene ripetutamente riflesso seguendo il percorso della fibra.
Nel primo caso la lunghezza d’onda ha dimensioni molto piccole rispetto alla fenditura e non si ha diffrazione. Nel secondo caso la lunghezza d’onda ha dimensioni confrontabili con quelle della fenditura e si ha diffrazione.
Il fenomeno si interpreta con il Principo di HuygensFresnel secondo il quale ogni punto del fronte d’onda si può considerare come una sorgente secondaria di onde circolari in fase. Il fronte d’onda dopo un certo intervallo di tempo sarà l’inviluppo delle onde elementari (cioè la curva tangente a tutti i fronti d’onda elementari) Allora, se la fenditura è grande rispetto alla lunghezza d’onda, il fronte d’onda è rettilineo ed è il segmento tangente a tutte le onde semicircolari emesse dai punti della fenditura.
Alcuni fenomeni connessi con la propagazione delle onde (2^ parte)
Se il foro è piccolo, confrontabile con la lunghezza d’onda, esso diventa sorgente di onde circolari e si ha il fenomeno della diffrazione oltre lo schermo.
Questo esperimento mostra che anche la luce diffrange, cioè aggira gli ostacoli come un’onda.
Interferenza attraverso due fenditure: ondoscopio Le due fenditure si comportano come sorgenti di onde in fase e si ha interferenza costruttiva o distruttiva come già studiato.
Il fenomeno avviene anche quando non abbiamo una fenditura in uno schermo, ma un ostacolo come nell’immagine che segue: anche in questo caso il fenomeno si osserva per ostacoli confrontabili con la lunghezza d’onda.
Diffrazione della luce da una fenditura Un fascio di luce monocromatica incide perpendicolarmente su una barriera opaca contenente una fenditura. Oltre la barriera si trova uno schermo lontano su cui si osserva una striscia luminosa netta se la fenditura è larga. Restringendo la fenditura, si osserva una figura di diffrazione con parecchie righe, come mostrato nelle figure che seguono.
Interferenza attraverso due fenditure: esperienza di Young. L’esperienza di Young di cui abbiamo visto i video, mostra che anche le onde luminose sono soggette a interferenza.
Alcuni fenomeni connessi con la propagazione delle onde (2^ parte)
Il modello corpuscolare non si presta alla spiegazione della diffrazione e dell’interferenza,
Natura della luce. Tutti i fenomeni fin qui esaminati conducono alla conclusione che la luce è un’onda. Prima di affermarsi, il modello ondulatorio (sostenuto da Huygens) ha dovuto superare le molte perplessità della comunità scientifica che accettava il modello corpuscolare di Newton, secondo il quale la luce è un flusso di particelle (che si propagano in linea retta) emesse dalle sorgenti luminose. Il modello corpuscolare spiega bene il fenomeno della riflessione (esempio della palla da biliardo: nell’urto elastico di una palla contro una parete l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione)
e decade quando le misure della velocità della luce mostrano che essa ha una velocità inferiore nei mezzi trasparenti (ad esempio acqua) rispetto al vuoto. La disputa sembrava conclusa, ma la scoperta dell’effetto fotoelettrico riaprì la questione. Il fenomeno si manifesta con l'emissione di particelle elettricamente cariche da parte di un corpo esposto a onde luminose o a radiazioni elettromagnetiche di varia frequenza
Il modello corpuscolare spiega anche l’avvicinamento alla normale del raggio luminoso nel passaggio dal mezzo meno rifrangente a quello più rifrangente, ma prevede che la velocità della luce sia maggiore nell’acqua che nell’aria.
Nel 1905 Albert Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico con l'ipotesi che i raggi luminosi trasportassero particelle, chiamate fotoni. Secondo la teoria formulata da Einstein, incidendo sulla superficie di un corpo metallico, i fotoni cedono parte della propria energia agli elettroni liberi del conduttore, provocandone l'emissione. In conclusione oggi sono accettati entrambi i modelli e si ipotizza che la luce si comporti in certe situazioni come un’onda, in altre come un insieme di particelle.