OTTICA
La luce: Isaac Newton pensava che fosse costituita da corpuscoli molto veloci e talmente piccoli da poter considerare nulle le loro interazioni.
Per poter stabilire da che cosa fosse costituita la luce ci furono due teorie:
Natura ondulatoria: All'inizio dell'800 lo scienziato inglese Young osservò l'interferenza di due raggi di luce. Dato che solo le onde possono interferire, da quel momento fu chiaro che la luce ha una natura ondulatoria.
Teoria corpuscolare: Esprimeva la teoria di Newton, e fu quella che prevalse per molto tempo; questa teoria spiegò in modo molto semplice i fenomeni di riflessione e di rifrazione e la teoria dei colori, le quali erano le uniche proprietà della luce fino ad allora scoperte ed osservate
Mentre, contemporaneamente, una teoria opposta era sostenuta dal fisico Huygens, per il quale la luce era un'onda.
La luce non ha bisogno di un mezzo materiale per propagarsi, la quale si può propagare anche nel vuoto ad una velocità c di circa 3.00*10^(8 ) m/s
Il modello dell'ottica geometrica fornisce le leggi dei fenomeni della riflessione della rifrazione e della teoria dei colori.
La riflessione della luce: Per evidenziare il comportamento della luce che viene riflessa, per prima cosa disegniamo una semiretta normale , la quale è perpendicolare alla superficie riflettente nel punto di incidenza del raggio.
Rispetto alla normale, il raggio incidente forma un angolo θ1, l'angolo di incidenza, e successivamente troviamo l'angolo di riflessione, θr, il quale viene formato con il raggio riflesso con la normale
LEGGE DELLA RIFLESSIONE: Il raggio incidente, la normale e il raggio riflesso giacciono tutti sullo stesso piano; di conseguenza l'angolo di riflessione è uguale all'angolo di incidenza => θr = θ1
La riflessione della luce varia in base alla superficie
Superficie liscia e lucida, riflessione speculare; i raggi riflessi si propagano nella medesima direzione
Superficie ruvida, riflessione diffusa o diffusione; i raggi riflessi si propagano in varie direzioni
La rifrazione della luce: questo fenomeno si ha quando la luce si propaga da un mezzo ad un altro, cambiando la sua direzione di propagazione
La rifrazione può essere interpretata in due modi diversi in base alle due teorie.
Teoria corpuscolare: I corpuscoli che formano il raggio incidente, quando passano da un mezzo ad un altro, cambiano la loro traiettoria perché subiscono un'accelerazione dovuta alla risultante delle forza di coesione delle molecole del mezzo.
Teoria ondulatoria: Nel passaggio dal mezzo 1 al mezzo 2 le direzioni dei fronti d'onda variano, e l'unica spiegazione che possiamo dare a ciò è di dire che la lunghezza d'onda è diminuita.
LEGGE DELLA RIFRAZIONE: Espressa dagli indici di rifrazione dei materiali, dall'angolo di incidenza θ1 e l'angolo di rifrazione θ2
n1 sen θ1 = n2 sen θ2
La riflessione totale: Questo fenomeno di presenta quando la luce incontra la superficie di separazione tra due mezzi e viene in parte rifratta e in parte riflessa.
Per poter calcolare l'angolo limite (determinato valore dell'angolo di incidenza, per il quale il raggio rifratto non passa più nel secondo mezzo, ma è diretto parallelamente alla superficie di separazione) della riflessione totale: sen θ1 = n2/n1
La riflessione totale avviene solamente quando la luce che si propagane in un mezzo incontra la superficie di separazione con un secondo mezzo in cui la sua velocità è maggiore.
La dispersione: L'indice di rifrazione dipende, oltre che dal materiale attraversato, anche dalla lunghezza d'onda.
La luce visibile, ovvero la luce bianca, è formata da un insieme di colori che va dal rosso al violetto; ciò prende il nome di spettro
Perciò minore è la lunghezza d'onda e maggiore è l'indice di rifrazione; quando la lunghezza d'onda è minore, si ha un colore tendente al rosso; mentre quando la lunghezza d'onda è maggiore, si ha un colore tendente al viola.
La diffrazione: questo fenomeno si ha quando le onde che si propagano in acqua, passano attraverso una fenditura, le onde vengono diffratte e cambiano la loro direzione.
Il fenomeno della diffrazione avviene solo quando la fenditura ha una dimensione paragonabile alla lunghezza d'ona.
Uni degli aspetti più importanti del comportamento delle onde è la sovrapposizione, in quanto esprime la somma algebrica delle perturbazioni causate causate da ogni singola onda.
ESPERIMENTO DI YOUNG: In questo esperimento un fascio di luce monocromatica viene fatto passare attraverso una fenditura presente su uno schermo; la luce che esce dalla fenditura, illumina altre due fenditure presenti su un altro schermo, passa attraverso esse e produce, su uno schermo lontano, una figura di interferenza in cui si alternano frange luminose e frange scure
Interferenza costruttiva: Si ha quando giungono insieme i massimi poi i minimi di oscillazione tra le onde:
l2-l1 = mλ
Interferenza distruttiva: Si ha quando il massimo che deriva da un'onda incontra il minimo proveniente da un'altra onda andando ad annullare la perturbazione: l2-l1= (m-1/2) λ
INTERFERENZA DI ONDE RIFLESSE: Le onde riflesse da oggetti in posizioni diverse possono interferire fra loro, come la luce proveniente da due fenditure.
La frangia luminosa centrale si forma perpendicolarmente rispetto alle due fenditure; qui m=0
Quando si hanno dei valori di m positivi, si indicano le frange al di sopra o a sinistra della frangia centrale
Quando si hanno dei valori di m negativi, si indicano le frange al di sotto o a sinistra della frangia centrale
Per determinare la distanza y di una frangia da quella centrale, viene utilizzata l'espressione: y= L tg θ
Le onde riflesse cambiano la loro fase secondo due diverse modalità:
La fase cambia in funzione della distanza percorsa dall'onda
La fase di un'onda riflessa può cambiare in seguito al processo di riflessione stesso.
Un'onda luminosa che incontra un mezzo con un indice di rifrazione minore, è riflessa senza cambiamento di fase; al contrario se la luce incontra un mezzo con un indice di rifrazione maggiore, è riflessa con un cambiamento di fase di mezza lunghezza d'onda