Transcript of Domande principali Che cosè la luce? Di cosa è fatta? Una teoria dei fenomeni luminosi deve essere...
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- Domande principali Che cos la luce? Di cosa fatta? Una teoria
dei fenomeni luminosi deve essere in grado, tra le altre cose, di
spiegare: 1. la propagazione in linea retta della luce 2. perch la
luce si riflette 3. perch la luce si rifrange
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- Le due teorie sulla natura della luce A partire dalla seconda
met del Seicento, la domanda sulla natura della luce ha dato luogo
ad una controversia scientifica che durata per quasi due secoli.
Due erano le teorie rivali: quella corpuscolare e quella
ondulatoria.
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- Newton e la teoria corpuscolare La teoria corpuscolare venne
formulata da Isaac Newton (1642 - 1727).
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- Huygens e la teoria ondulatoria La teoria ondulatoria fu
formulata da Christian Huygens ( 1629 1695 )
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- La teoria corpuscolare Secondo la teoria corpuscolare, la luce
un insieme di minuscoli corpuscoli, i cosiddetti corpuscoli luce,
che vengono emessi dalle sorgenti luminose. Tali corpuscoli si
muovono ad una velocit molto elevata, che rende la forza di gravit
trascurabile. Essi si muovono in linea retta, penetrano nei
materiali trasparenti, rimbalzano come piccole palline sulle
superfici e quando penetrano nel nostro occhio stimolano il senso
della vista.
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- La teoria ondulatoria La teoria ondulatoria sostiene invece che
la luce unonda. Essa consiste quindi in un trasferimento di energia
e non di materia. Le sue propriet sono simili a quelle delle onde
elastiche, per esempio le onde che si propagano nellacqua o le onde
sonore.
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- La propagazione rettilinea secondo la teoria corpuscolare Le
particelle di luce si muovono in linea retta cos come fanno tutte
le particelle materiali in assenza di forze. Pertanto, anche i
corpuscoli luminosi seguono il principio di inerzia.
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- Einstein e la propagazione rettilinea della luce Scrive
Einstein: Uno dei fatti ottici pi elementari che la luce si propaga
in linea retta. Un esperimento rudimentale lo dimostra. Collochiamo
uno schermo munito di un foro davanti ad una sorgente luminosa
puntiforme. Sintende per tale una piccolissima sorgente luminosa,
come ad esempio una minuscola apertura in una lanterna chiusa. Su
una parete, situata ad una certa distanza dallo schermo, lapertura
nel medesimo ci apparir come unarea luminosa, nettamente
delimitata, sopra uno sfondo scuro. (Levoluzione della fisica)
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- Foto della propagazione rettilinea della luce (1)
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- Foto della propagazione rettilinea della luce (2)
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- La riflessione secondo la teoria corpuscolare Il corpuscolo
luce rimbalza contro una superficie solida e piana esattamente come
fa una palla durante lurto elastico contro una superficie. Anche in
questultimo caso langolo di incidenza uguale allangolo di
riflessione.
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- Einstein ed il fenomeno della riflessione della luce Dice
Einstein: Anche la riflessione della luce prodotta dagli specchi
viene spiegata dalla teoria corpuscolare assai semplicemente e per
analogia con quanto si osserva nellesperimento meccanico di palle
elastiche lanciate contro una superficie solida e piana.
(Levoluzione della fisica)
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- La rifrazione secondo la teoria corpuscolare (1) Consideriamo
una particella di luce che passa da un mezzo meno denso ad uno pi
denso. Per spiegare lavvicinamento alla normale, la teoria
corpuscolare suppone che la particella, quando incontra la
superficie di separazione, subisca una forza perpendicolare ad
essa.
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- La rifrazione secondo la teoria corpuscolare (2) La forza
produce unaccelerazione e quindi una variazione di velocit v
rivolta verso linterno del mezzo pi denso. La velocit della
particella di luce si piega verso la normale ed il suo valore
aumenta. La teoria corpuscolare prevede quindi che nel passaggio da
un mezzo meno denso ad uno pi denso la velocit della luce
aumenti.
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- Einstein e la legge della rifrazione della luce Einstein dice:
La spiegazione della rifrazione alquanto pi complicata. Tuttavia la
possibilit di una rappresentazione meccanica manifesta, anche senza
entrare in tutti i dettagli. Se ad esempio dei corpuscoli di luce
colpiscono una superficie di vetro, plausibile che subiscano gli
effetti di una forza esercitata su di essi dalle particelle
materiali, ancorch possa sembrare strano che tale forza agisca
soltanto nelle immediate vicinanze della materia. Come gi sappiamo,
ogni forza agente su una particella in movimento ne modifica la
velocit. Riducendo la forza esercitata sui corpuscoli luminosi a
unattrazione perpendicolare alla superficie del vetro, il moto
risultante seguir una via intermedia tra la direzione originale e
la perpendicolare.
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- La propagazione rettilinea secondo la teoria ondulatoria Le
onde circolari prodotta sulla superficie dellacqua si propagano in
direzione radiale. Ogni piccolo pezzo di onda si allontana dalla
sorgente in linea retta.
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- La riflessione secondo la teoria ondulatoria Unonda, prodotta
sulla superficie dellacqua immergendo e sollevando il bordo di una
riga, urta contro una barriera. Langolo tra la normale e la
direzione di avvicinamento (perpendicolare al fronte dellonda
incidente) e quello tra la normale e la direzione di allontanamento
(perpendicolare al fronte donda riflesso) sono uguali.
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- La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (1) Consideriamo
unonda che si propaga in una vasca dacqua e supponiamo che sia
costituita da fronti donda rettilinei che passano da una zona A a
una zona B in cui lacqua meno profonda. La diminuzione di profondit
pu essere causata, per esempio, da una lastra appoggiata sul fondo
del recipiente. In B londa avanza pi lentamente che in A, per il
maggior attrito contro il fondo.
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- La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (2) E proprio
questa diminuzione di velocit la causa che fa piegare i fronti
donda. Infatti, non appena un fronte donda giunge sulla linea di
separazione tra le due zone, la parte che attraversa il confine
viaggia pi lenta dellaltra e resta indietro. Il fronte donda si
spezza e man mano che avanza tende a disporsi lungo una direzione
pi parallela rispetto alla linea di separazione.
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- La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (3) Poich la
direzione di propagazione sempre perpendicolare ai fronti donda, vi
un cambiamento di direzione al passaggio tra le due zone. La teoria
ondulatoria prevede quindi che, passando da un mezzo meno denso ad
uno pi denso, la velocit della luce diminuisca.
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- Conclusioni (1) Le due teorie sembrano spiegare ugualmente bene
i fenomeni luminosi che abbiamo preso in considerazione. C per un
punto in cui le loro previsioni si discostano: la teoria
corpuscolare afferma che la luce si muove pi velocemente in un
mezzo pi denso che in uno meno denso, mentre la teoria ondulatoria
sostiene il contrario.
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- La misura della velocit della luce (1) Per decidere quale delle
due teorie falsa, occorre misurare la velocit della luce in alcuni
mezzi rifrangenti. Le misure eseguite da Fizeau verso la met
dellOttocento mostrarono con chiarezza che la luce si propaga tanto
pi lentamente quanto pi il mezzo denso.
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- Fizeau (1819 1896)
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- La misura della velocit della luce (2) La velocit della luce in
un mezzo che ha indice di rifrazione assoluto n : v = c / n dove c
la velocit della luce nel vuoto. Per esempio, la velocit della luce
nel vetro 2/3 di quella nel vuoto.
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- Conclusioni (2) Questi risultati convinsero definitivamente
sulla validit della teoria ondulatoria. Unaltra conferma era venuta
nei primi decenni dell800 dallo studio approfondito della
diffrazione e dellinterferenza della luce.
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- La diffrazione della luce (1) Siamo abituati a pensare che,
quando la luce incontra un ostacolo, proietti al di l di esso
unombra dai contorni netti e ben definiti. Per esempio, inviando un
fascio di raggi paralleli su una fenditura, ci aspettiamo che
proseguano solo quelli che non sono stati intercettati dallo
schermo. Sopra e sotto il fascio che emerge dovrebbe formarsi
unombra netta.
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- La diffrazione della luce (2) Di solito succede cos. Ma se la
fenditura molto stretta, si verifica un fenomeno curioso.
Illuminiamo con un fascio di raggi paralleli e di un solo colore
uno schermo opaco che ha una fenditura di larghezza
regolabile.
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- La diffrazione della luce (3) Se la fenditura abbastanza larga,
su uno schermo posto al di l di essa osserviamo una striscia
luminosa dai contorni ben definiti.
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- La diffrazione della luce (4) Restringendo la fenditura, la
striscia luminosa, invece di assottigliarsi si allarga. La luce
invade cos quella che dovrebbe essere la zona dombra. Leffetto
tanto pi pronunciato quanto pi la fenditura stretta.
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- Applet sulla diffrazione da una fenditura
http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/ani mazione014.html
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- La diffrazione della luce (4) Questo fenomeno, per cui la luce
aggira gli ostacoli ed invade la zona dombra geometrica, si chiama
diffrazione. Si tratta di un fenomeno tipico delle onde. Possiamo
osservarlo, per esempio, con le onde che si propagano sulla
superficie dellacqua.
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- La diffrazione della luce (5) Nella figura che segue si notano
due barriere che lasciano un passaggi libero, la cui larghezza pu
essere aumentata o diminuita. I fronti donda rettilinei,
incontrando le due barriere, proseguono al di l dellostacolo. Se la
fenditura larga, le onde disegnano due zona dombra ben definite
leggermente increspate ai bordi. Restringendo lapertura, la
perturbazione si apre a ventaglio e le onde invadono la zona dombra
geometrica.
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- Diffrazione da ostacoli Osserviamo lo stesso fenomeno se
mettiamo sul cammino delle onde un ostacolo al posto della
fenditura. Dietro un ostacolo grande si forma unombra netta, mentre
dietro un piccolo ostacolo le onde si incurvano, invadendo quella
che dovrebbe essere la zona dombra.
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- Conclusioni sulla diffrazione (1) La diffrazione si manifesta
in modo evidente quando le dimensioni dellapertura (o dellostacolo)
sono paragonabili o minori rispetto alla lunghezza donda della
perturbazione. In particolare: - Quando la lunghezza donda grande
rispetto alla dimensione dellapertura (o dellostacolo) si ha
diffrazione - Quando la lunghezza donda piccola rispetto alla
dimensione dellapertura (o dellostacolo) non c praticamente
diffrazione e ci sono ombre nette.
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- Conclusioni sulla diffrazione (2) Anche se di solito non ci
facciamo caso, assistiamo ogni giorno a fenomeni di diffrazione.
Riusciamo a sentire chi ci chiama anche se siamo dietro langolo,
per esempio dietro un muro che fa da barriera fra noi e laltra
persona. Questo possibile perch le onde sonore, oltre che
riflettersi, diffrangono incontrando ostacoli e aperture, e
riescono cos ad aggirarli.
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- Conclusioni sulla diffrazione (3) E difficile per vedere la
diffrazione delle onde luminose. Al contrario, siamo colpiti dalle
ombre nette che disegna la luce quando incontra un ostacolo.
Evidentemente gli ostacoli e le aperture su cui incide la luce sono
grandi rispetto alla sua lunghezza donda. Dobbiamo quindi
aspettarci che la luce abbia una lunghezza donda molto piccola
rispetto alle dimensioni degli oggetti che fanno parte della vita
quotidiana.
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- La lunghezza donda della luce In effetti, la lunghezza donda
della luce circa uguale a 0,000005 m. Questo ci spiega perch
impossibile vedere oggetti estremamente piccoli. Illuminandoli con
la luce naturale essi non formano ombre nette, ma rimandano
immagini confuse ( come quelle della fenditura). Non possiamo
quindi vedere direttamente gli atomi, che hanno una dimensione di
10^(-10) m, neppure con laiuto di un microscopio potentissimo. La
luce che li illumina non in grado di restituirci una loro immagine
chiara, ma solo una complessa figura di diffrazione.