Test di Fisica Soluzioni

Ottica e Onde

1° Quesito Stiamo nuotando immersi sott'acqua sul fondo di una lunga piscina; alziamo gli occhi e vediamo le cose sopra di noi, ma se spingiamo lo sguardo lontano dal punto in cui ci troviamo, notiamo che la superficie acqua-aria si comporta come uno specchio che rimanda le immagini interne alla piscina. Il fenomeno è dovuto: 1) alle proprietà della superficie dell'acqua 2) alle proprietà della riflessione totale interna 3) alle proprietà della superficie dell'acqua quando si aggiunge cloro 4) alla mancanza di luce diretta 5) all’eccessiva illuminazione esterna

1° Quesito Un fascio di luce nel passare da un mezzo ad un altro cambia di direzione. Un fascio di luce si propaga nel mezzo 1 ed incontra il mezzo 2 nel punto O. Il fascio incidente, i, è inclinato di un angolo a rispetto alla perpendicolare, N, alla superficie di separazione dei due mezzi. L’angolo a viene chiamato angolo di incidenza. Mezzo 1 Mezzo 2 O a i N

1° Quesito Il fascio incidente sulla superficie di separazione tra i due mezzi si divide in due parti. Mezzo 1 Mezzo 2 N a i O r b Il primo fascio viene riflesso nel mezzo 1 formando un angolo b che è uguale all’angolo di incidenza a. Tale angolo prende il nome di angolo riflesso, mentre il fascio prende il nome di raggio riflesso, r.

1° Quesito N r Mezzo 1 O r Mezzo 2 a i b r O Il secondo fascio attraversa il secondo mezzo formando un angolo, g, che è diverso dall’angolo di incidenza, a. g r Il raggio, r, prende il nome di raggio di rifrazione, mentre l’angolo g è l’angolo di rifrazione. La relazione che sussiste tra l’angolo di riflessione e quello di rifrazione è la seguente: Tale costante prende il nome di indice di rifrazione del mezzo 2 rispetto al mezzo 1.

1° Quesito Mezzo 1 Mezzo 2 N a i b r O g r La relazione tra l’angolo di incidenza e quello di rifrazione risulta (legge di Snell): dove: n21 è l’indice di rifrazione del mezzo 2 rispetto al mezzo 1; mentre n1 e n2 sono gli indici di rifrazioni assoluti.

1° Quesito N r Mezzo 1 O g r Mezzo 2 P a a b r O g r Il fascio luminoso attraversa il mezzo 2 ed arriva nel punto P, che si trova sulla superficie di separazione tra il mezzo 2 ed il mezzo 1. g Nel punto P, il fascio si divide ancora in due parti: una prima parte si riflette all’interno del mezzo 2. Poiché il mezzo 2 ha la forma di una lastra con facce parallele, allora l’angolo di incidenza è ancora g. l’angolo di riflessione è identico a quello di incidenza e quindi è uguale ancora a g. P a La seconda parte si rifrange e si propaga nel mezzo 1. L’angolo di rifrazione è maggiore dell’angolo di incidenza g ed è uguale ad a, poiché il mezzo 2 è a facce parallele,

1° Quesito La luce nel vuoto si propaga con velocità, c, pari a : c=2,9979108 ms-1. Se la luce si propaga in un mezzo qualsiasi la sua velocità, v, è più piccola del caso in cui la propagazione avvenisse nel vuoto. L’indice, n, di rifrazione assoluto di un mezzo materiale è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la sua velocità nel mezzo. Sostituendo tale relazione nella legge di Snell si ottiene:

1° Quesito Dall’analisi della legge di Snell, si osserva che il passaggio di un fascio luminoso tra due mezzi diversi dà luogo a tre situazioni. 1) Gli indici, n1 e n2, di rifrazione assoluti sono uguali: n1 = n2. 2) L’indice, n1, di rifrazione del primo mezzo è minore dell’indice, n2, di rifrazione del secondo mezzo: n1 < n2, 3) L’indice, n1, di rifrazione del primo mezzo è maggiore dell’indice, n2, di rifrazione del secondo mezzo: n1 > n2,

1° Quesito 1° caso Gli indici di rifrazione assoluti dei due mezzi in cui si propaga il fascio luminoso sono uguali: n1 = n2. Mezzo 1 Mezzo 2 a La legge di Snell diventa: i Gli angoli di incidenza, a e g sono uguali (a=g), per cui i due raggi si propagano nella stessa direzione. g r

1° Quesito 2° caso L’indice, n1, di rifrazione del primo mezzo è minore dell’indice, n2, di rifrazione del secondo mezzo: n1 < n2, Mezzo 1 Mezzo 2 a La legge di Snell diventa: i Il primo mezzo è meno rifrangente del secondo. Dalla legge di Snell si osserva che l’angolo di incidenza, a, è maggiore dell’angolo di rifrazione, g. g r Per qualsiasi valore dell’angolo di incidenza, oltre al raggio riflesso, è presente sempre un raggio rifratto.

1° Quesito 3° caso L’indice, n1, di rifrazione del primo mezzo è maggiore dell’indice, n2, di rifrazione del secondo mezzo: n1 > n2, Mezzo 1 Mezzo 2 a La legge di Snell diventa: i Il primo mezzo è più rifrangente del secondo. r Dalla legge di Snell si osserva che l’angolo di incidenza, a, è minore dell’angolo di rifrazione, g, ovvero l’angolo di rifrazione è maggiore di quello di incidenza: a < g g Quando si passa da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente il fenomeno presenta una situazione particolare.

1° Quesito 3° caso All’aumentare dell’angolo di incidenza, l’angolo rifratto aumenta fino ad avere un valore pari a quello di un angolo retto. Mezzo 1 Mezzo 2 a g i r

1° Quesito 3° caso All’aumentare dell’angolo di incidenza, l’angolo rifratto aumenta fino ad avere un valore pari a quello di un angolo retto. Mezzo 1 Mezzo 2 a g i r

1° Quesito 3° caso All’aumentare dell’angolo di incidenza, l’angolo rifratto aumenta fino ad avere un valore pari a quello di un angolo retto. Mezzo 1 Mezzo 2 a g i r

1° Quesito 3° caso All’aumentare dell’angolo di incidenza, l’angolo rifratto aumenta fino ad avere un valore pari a quello di un angolo retto. Mezzo 1 Mezzo 2 a i g r

1° Quesito 3° caso All’aumentare dell’angolo di incidenza, l’angolo rifratto aumenta fino ad avere un valore pari a quello di un angolo retto. Mezzo 1 Mezzo 2 a i r g

1° Quesito 3° caso All’aumentare dell’angolo di incidenza, l’angolo rifratto aumenta fino ad avere un valore pari a quello di un angolo retto. L’angolo di incidenza, a, per cui l’angolo di rifrazione è un angolo retto (g=p/2) si chiama angolo limite. Mezzo 1 Mezzo 2 a i r La legge di Snell, nella situazione in cui l’angolo di rifrazione è pari all’angolo retto, diventa: g Quando l’angolo di incidenza è uguale o superiore all’angolo limite, allora non vi rifrazione ma solo riflessione.

1° Quesito (risoluzione) 3° caso Quando un fascio luminoso passa da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente si il fenomeno della riflessione totale: il fascio luminoso viene solo riflesso, mentre non vi è rifrazione. Se si è immersi nell’acqua di una piscina e si guarda con un angolo superiore a quello limite la superficie di separazione dell’acqua con l’aria, allora tale superficie si comporta come uno specchio: ciò è dovuto al fenomeno della riflessione totale Mezzo 1 Mezzo 2 n1 > n2

2° Quesito Perché un raggio di luce proveniente dal Sole e fatto passare attraverso un prisma ne emerge mostrando tutti i colori dell'arcobaleno? 1) E’ solo un effetto ottico, la luce è ancora bianca 2) Perché riceve energia dal prisma a causa della sua forma 3) Perché deve cedere energia al prisma a causa della sua forma 4) Perché il prisma costringe la luce a fare molti giri al suo interno 5) Perché l’indice di rifrazione varia a seconda del colore

2° Quesito Un fascio di luce bianca quando passa da un mezzo meno rifrangente (vuoto o aria) ad un mezzo più rifrangente (vetro, acqua, ecc…) viene decomposto nei suoi colori che vanno dal rosso al violetto. Ciò significa che l’indice di rifrazione del mezzo più rifrangente rispetto al vuoto (o aria) dipende dalla lunghezza d’onda o dalla frequenza del fascio luminoso. Il fascio di luce violetta viene rifratto di più rispetto al fascio di luce rossa. Mezzo 1 Mezzo 2 L’indice di rifrazione del mezzo 1 (vuoto o aria) è n1. L’indice di rifrazione del mezzo 2 (vetro, acqua, ..) è n2. n1 < n2

2° Quesito Se il fascio di luce bianca incide su di una lastra trasparente a facce parallele, i fasci colorati fuoriescono dalla seconda superficie di separazione paralleli tra di loro. Perciò si ricombinano riformando il fascio di luce bianca. In questo caso non vi è dispersione. Mezzo 1 Mezzo 2

2° Quesito (soluzione) Se invece di avere un mezzo a facce parallele, si ha un mezzo in cui le facce si intersecano, cioè un prisma, allora i fasci colorati che fuoriescono dalla seconda superficie di separazione non si ricombinano. In questo caso vi è dispersione. Quando un fascio di luce bianca, proveniente dal sole, attraversa un prisma, la luce viene scomposta nei vari colori che compongono il fascio. Prisma La scomposizione è possibile poiché l’indice di rifrazione del prisma è una grandezza che dipende dalla lunghezza d’onda del colore.

3° Quesito In montagna, ci si abbronza facilmente e rapidamente perché. 1) l’energia perduta camminando si trasforma in calore; 2) siamo più vicini al sole e quindi l’intensità della luce è maggiore; 3) la pressione atmosferica inferiore limita le difese della pelle; 4) il ghiaccio e le rocce catalizzano i raggi solari; 5) la componente ultravioletta è maggiore.

3° Quesito (spettro) Il sole emette radiazione che copre tutto lo sprettro delle onde elettromagnetiche, come è mostrato in figura. Il grafico, in scale logaritmiche, fornisce lo spettro sia in lunghezza d’onda sia in frequenza.

3° Quesito (spettro) L’intensità della radiazione emessa non è la stessa per tutte le lunghezze d’onda delle onde elettromagnetiche. Essa si distribuisce seconda il seguente grafico. La curva in rosso è stata tacciata adoperando la formula di Planck dello spettro del corpo nero e considerando che la temperatura superficiale del sole sia di T=6000 K. Formula di Planck La radiazione luminosa è compresa tra le due linee verticali.

3° Quesito (attenuazione) La radiazione emessa dal sole si propaga in tutte le direzioni. Una parte di essa incontra il pianeta Terra. Però non tutta la radiazione arriva sul suolo terrestre, parte di essa viene attenuata o completamente assorbita dall’atmosfera terrestre. Le onde radio e, quasi completamente, la la luce visibile attraversano l’atmosfera. Le altre radiazioni vengono assorbite dall’atmosfera.

3° Quesito (soluzione) Una parte dello spettro delle radiazione ultravioletta (UV) riesce ad attraversare l’atmosfera. La lunghezza d’onda delle onde UV, che riesce ad attraversare uno strato dell’atmosfera, è compresa fra 290nm e la luce visibile, circa 390nm. I raggi ultravioletti sono responsabili dell’abbronzatura della pelle. Se due persone si trovano uno in alta montagna ed uno al livello del mare, il primo assorbirà una maggiore quantità di raggi UV, abbronzandosi più rapidamente e velocemente, poiché lo strato di atmosfera tra i due luoghi attenua la trasmissione dei raggi UV.

4° Quesito La corrente elettrica alternata a 50 Hz che fluisce dalla rete italiana nelle nostre case, ha la proprietà: 1) di riacquistare lo stesso valore 50 volte al minuto; 2) di essere continua e valere al massimo 50 Coulomb al secondo; 3) di valere al massimo 50 Ampere; 4) di riacquistare lo stesso valore 50 volte al secondo; 5) di alternare valori negativi e positivi arbitrari

4° Quesito (corrente elettrica) In un circuito elettrico la corrente elettrica può circolare in due modi: Corrente continua: significa che il valore della corrente nei diversi rami del circuito elettrico è costante nel tempo; Corrente alternata: significa che il valore della corrente varia nel tempo in modo periodico, cioè assumendo certi valori ad intervalli costante di tempo. Tale intervallo di tempo si chiama periodo.

4° Quesito (periodo) Nella figura è rappresentato l’andamento della corrente alternata in funzione del tempo. Il valore della corrente si ripete ad intervalli regolari di tempo. Tale intervallo è, graficamente, la distanza tra due punti omologhi, come sono due creste. Tale distanza temporale si chiama periodo. Il periodo si misura in secondi (s)

4° Quesito (frequenza) Il numero di creste contenute nell’unità di tempo si chiama frequenza e si misura in Hertz (Hz). La frequenza, n, è una grandezza fisica associata a fenomeni periodici, cioè a fenomeni che si ripetono dopo un intervallo di tempo unitario, cioè il periodo, T. Se l’intervallo di tempo unitario è il secondo, allora la frequenza è il numero di di volte in cui il fenomeno si ripete in un secondo, ovvero, facendo riferimento alla figura, è il numero di creste che si hanno in un secondo.

4° Quesito (soluzione) La relazione esistente tra la frequenza, n, ed il periodo, T, è: La frequenza con cui la corrente varia nel circuito elettrico è: n=50Hz Ciò significa che in un secondo si hanno 50 creste, riacquistando, quindi, in un secondo 50 volte lo stesso valore.

5° Quesito Con riferimento alla radiazione X, individui il candidato quale tra le seguenti affermazioni è giusta (si ricordi il valore dell’Angstrom: 1Å=10-10m). 1) Un fascio di radiazione X, quando attraversa la materia e non interagisce, aumenta la sua velocità di propagazione; 2) Un fascio di radiazione X, quando attraversa la materia e non interagisce, diminuisce la sua velocità di propagazione; 3) Un’onda elettromagnetica di lunghezza d’onda uguale a 104 Å può essere una radiazione X; 4) Un’onda elettromagnetica di lunghezza d’onda uguale a 0,1 Å può essere una radiazione X; 5) La velocità di propagazione della radiazione X nel vuoto è tanto maggiore quanto maggiore è la sua energia.

5° Quesito (soluzione) La radiazione X è un’onda elettromagnetica. Queste, indipendentemente dalla loro lunghezza d’onda o frequenza, si propagano nel vuoto alla stessa velocità, che è la velocità della luce (c=2,9979108m s-1). Se la radiazione X si propaga nella materia senza interagire con essa, la sua propagazione non viene attenuata per cui la velocità non cambia. Le radiazioni X o raggi X hanno una lunghezza d’onda compresa in un intervallo pari a: