RELAZIONI ED ESPERIMENTI DI FISICA a.s.2011/2012

“La Luce ed i fenomeni ad essa collegati”

ONDE E CORPUSCOLI Che cosa è la luce? A partire dal 1600 sono state date due risposte diverse a questa domanda, da cui si sono sviluppati due modelli rivali: IL MODELLO CORPUSCOLARE proposto da Newton IL MODELLO ONDULATORIO sostenuto da Huygens

MODELLO CORPUSCOLARE Secondo il modello corpuscolare, la luce è un flusso di particelle microscopiche (corpuscoli) emesse dalla sorgente luminosa.

MODELLO ONDULATORIO Secondo il modello ondulatorio, la luce è un’onda, simile alle onde che si propagano nell’acqua e alle onde sonore. I corpuscoli , come piccoli proiettili , sono materia in movimento, mentre le onde trasportano energia ma non materia.

Fino alla metà del 1800 la comunità degli scienziati riteneva valido il modello corpuscolare, perché descriveva in maniera efficace la formazione delle ombre nette (dove arrivano i corpuscoli c’è luce dove non arrivano c’è ombra)e riflessione della luce (i corpuscoli rimbalzano come palline sulle superfici riflettenti) Nei primi decenni del 1800 alcuni esperimenti mettono in crisi il modello corpuscolare: La luce che attraversa una fenditura molto sottile crea su uno schermo una serie di frange luminose alternate a zone scure.

Il modello ondulatorio si impone alla fine del 1800, quando trova conferma la previsione di Maxwell secondo cui: LA LUCE E’ UN’ONDA ELETTROMAGNETICA: LA PERTURBAZIONE E’ COSTITUITA DA CAMPI ELETTRICI E MAGNETICI OSCILLANTI CHE SI PROPAGANO ANCHE NEL VUOTO. Negli anni successivi fu scoperto che la luce è simile alle onde radio, raggi ultravioletti e raggi X

La disputa sembrava finita con la vittoria del modello ondulatorio, quando nel 1905 il quadro si complicò d nuovo. A. Einstain scoprì che la luce si comporta come se fosse costituita da una pioggia di particelle, i “fotoni”. Oggi si ritiene che i modelli siano tutti e due validi, nel senso che descrivono caratteristiche diverse della luce. In certe situazioni la luce si comporta come un’onda in altre come corpuscolo.

“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: ·        Cartoncino bianco ·        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 MATERIALE OCCORRENTE: Bicchiere trasparente Acqua Spaghetto ESECUZIONE: 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

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 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.