La luce Quale modello: raggi, onde, corpuscoli (fotoni)

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1 La luce Quale modello: raggi, onde, corpuscoli (fotoni)

2 Le onde luminose Le onde luminose onde elettromagnetiche con frequenza compresa tra 4. 10 14 e 8. 10 14 Hz la lunghezza donda e compresa fra 400nm e 750nm

3 Propagazione rettilinea (ottica geometrica) Per spiegare alcuni fenomeni la propagazione della luce viene descritta mediante raggi luminosi –formazione delle ombre e della penombra –eclissi –riflessione e rifrazione della luce

4 Ombra e penombra eclissi

5 velocità della luce nel vuoto c = 2,99792458. 10 8 m/s costante fondamentale della natura Come si può misurare?

6 Metodo astronomico misura eseguita nel 1676 2,14. 10 8 m/s Ole Christensen Roemer astronomo danese

7 Metodo terrestre (esperimento eseguito il 1849 da Armand Fizeau a Parigi) 313 300 km/s T=2n t t=T/2n t=2d/c c = 4nd/T c = 4 n d f

8 velocità della luce nei materiali materiale velocità della luce (m/s) aria2,997906. 10 8 acqua2,25. 10 8 vetro1,6. 10 8 – 2,0. 10 8 diamante1,2. 10 8 Indice di rifrazione n = c/v n > 1 Per uno stesso materiale il valore di n dipende dal colore della luce, cioè è funzione della lunghezza donda

9 Riflessione della luce angolo di incidenza = angolo di riflessione

10 Diffusione della luce Se la superficie è scabra, ciascun raggio riflesso rispetta le leggi della riflessione ma poichè le diverse porzioni di superficie hanno diverse inclinazioni, i raggi riflessi hanno direzioni che variano disordinatamente.

11 Rifrazione della luce passando da un mezzo meno denso ad un mezzo più denso il raggio si piega, avvicinandosi alla normale alla superficie di rifrazione oppure aria vetro

12 la rifrazione è diversa per i vari colori della luce: dispersione della luce da un prisma Lindice di rifrazione è maggiore per il violetto e minore per il rosso, di conseguenza la luce bianca viene separata nei suoi vari colori da un prisma o...... dalle goccioline di pioggia, formando larcobaleno

13 Conseguenze della rifrazione: le illusioni del miraggio e della fata morgana miraggio fata morgana

14 La riflessione totale Passando da un mezzo più denso ad uno meno denso, il raggio rifratto si allontana dalla normale alla superficie di separazione e, ad un certo punto, scompare Se il raggio incidente colpisce la superficie di separazione tra i due mezzi con angolo pari allangolo limite, il raggio rifratto e radente alla superficie, cioe langolo di rifrazione vale 90

15 Applicazioni della riflessione totale: la fibra ottica e il sensore del tergicristalli Il sensore del tergicristalli

16 La luce come onda Principio di Huygens Ciascun punto di un fronte donda si comporta come una sorgente puntiforme secondaria che ha la stessa frequenza di quella primaria: il fronte donda (inviluppo) è dato dalla sovrapposizione di tutte le onde sferiche prodotte dalle sorgenti secondarie.

17 Interferenza sullacqua Interferenza sullacqua sovrapposizione di onde coerenti, lenergia si distribuisce in massimi e minimi alternati linee nodali interferenza distruttiva N1N1 N -1 N -2 N2N2 linee antinodali interferenza costruttiva A0A0 A -2 A -1 A1A1 A2A2

18 d distanza tra le antenne Q 1 minimo di ordine 1 P 0 massimo centrale Problema d = 7,50 km L = 14km y = 1,88 km ? Interferenza di onde radio onde radio coerenti che si sovrappongono nello spazio danno massimi e minimi di interferenza soluzione

19 Interferenza di luce laser prodotta da due fenditure luce laser S 1 ed S 2 sono le fenditure schermo cio che appare sullo schermo: picchi chiari intervallati da zone oscure

20 Misura della lunghezza donda della luce di un laser He-Ne mediante interferenza valore atteso = 632,8nm (rosso) Si devono misurare: L = distanza tra le fenditure e lo schermo, y = distanza tra due frange colorate vicine, d = distanza tra le fenditure

21 Misura della lunghezza donda della luce di un laser He-Ne mediante interferenza Se invece della doppia fenditura si utilizza un reticolo a molte fenditure avente un passo d la distanza tra le frange luminose aumenta decisamente. Reticolo di diffrazione con 300 fenditure a mm Il passo d del reticolo e la distanza tra due fenditure vicine

22 Interferenza di luce esperimento di Young (1801) Se un pennello di luce attraversa due fenditure S 1 ed S 2 di piccola larghezza, sullo schermo si ottengono frange chiare (interferenza costruttiva) alternate a frange scure (interferenza distruttiva) d distanza tra le fenditure L distanza tra schermo e fenditure y distanza tra il massimo centrale e il massimo di ordine 1 sia d che la larghezza di ciascuna fenditura sono dello stesso ordine di grandezza di L L >>, d misurando L, d, y si puó ricavare il valore di

23 Esperimento di Young: come si spiega Se la differenza di cammino ottico e un multiplo intero di si ha interferenza costruttiva, cioe una frangia luminosa Se la differenza di cammino ottico e un multiplo dispari di /2 si ha interferenza distruttiva, cioe una frangia scura

24 Esperimento di Young: relazione approssimata L r1r1 r2r2 y distanza tra il massimo centrale e il massimo di ordine 1 L distanza tra le fenditure e lo schermo angolo evidenziato in rosa nei due triangoli simili

25 DIFFRAZIONE di luce bianca prodotta da un reticolo di 300 linee/mm si possono misurare le lunghezze donda delle frange colorate

26 DIFFRAZIONE DA UN RETICOLO laboratorio

27 DIFFRAZIONE prodotta da una fenditura rettangolare oltre lostacolo lintensitá luminosa si ridistribuisce luce onde dacqua

28 Reticoli di diffrazione se le fenditure sono numerose la figura di diffrazione che si ottiene é composta da tante frange chiare di uguale intensitá ed equamente spaziate La posizione dei massimi si ottiene imponendo che le onde giungano in fase sullo schermo anche per i reticoli vale la legge approssimata che abbiamo trovato per due fenditure d costante del reticolo, L distanza tra reticolo e schermo, y distanza tra due frange adiacenti y

29 Diffrazione da un reticolo: SPETTROSCOPIO serve per risolvere e misurare le lunghezze donda delle righe spettrali