Modelli Il concetto di modelli nasce con la matematica per poter spiegare la realtà. la fisica...
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Modelli
Il concetto di modelli nasce con la matematica per poter spiegare la realtà.la fisica moderna sperimenta infatti attraverso modelli macroscopici i fenomeni
che i nostri sensi non sono in grado di percepire.
Lo spettrofotometroper verificare il modello atomico di Bohr.
Lunghezza d’onda della luce.
Il carrelloper rappresentare il comportamento dell’elettrone nell’atomo
elettrone
Forza coulomb
radiazione
Il sonometrocome metafora della quantizzazione della radiazione
Orbita
La spettrometriaStudio degli spettri di emissione
Il modello atomico di Bohr
• Ogni elettrone, a seconda della quantità di energia che possiede, orbita seguendo una traiettoria circolare detta stato stazionario. L’energia è quindi quantizzata poiché ad ogni orbita corrisponde una quantità definita di energia. Per saltare da un’orbita all’altra la particella deve ricevere o emettere energia sufficiente.
• Quando un elettrone viene colpito da energia sufficiente, questo si eccita e salta nello stato successivo. A causa della sua instabilità in seguito la particella tende a decadere, tornando nell’orbita di partenza. Per fare ciò l’elettrone deve perdere l’energia precedentemente ottenuta, che viene emessa sotto forma di fotoni, quindi luce.
Lampade a scarica
• La tensione ai poli di una lampada a gas causa movimento di elettroni
• urtando violentemente contro le molecole del gas, gli ioni negativi cedono a queste parte della loro energia cinetica
• La molecola acquisisce energia in eccesso e diventa instabile
• Tornando alla condizione iniziale la molecola cede l’energia in eccesso sotto forma di fotoni
• Il fotone ha energia: ∆E = E2 – E1 = hv
• La radiazione emessa produce uno spettro a righe luminoso che varia a seconda della composizione chimica del gas
• Al variare della composizione chimica variano anche le frequenze rilevate
Con la Teoria di Bohr questi spettri di emissione trovano una giustificazione
spettrofotometroLo spettro luminoso viene misurato dallo spettrofotometro:1. Ia radiazione luminosa emessa
attraversa una fenditura che diviene la nuova sorgente del fascio fotonico (principio di Huygens)
2. Il fascio viene canalizzato da una lente
3. I raggi vengono diffratti a seconda della loro lunghezza d’onda, questa viene calcolata tramite l’equazione
λ = d sen(θ)
Grafico della luce Led
Grafico dell’Elio (He)
NEON
Rad Angolo°Lunghezza d'onda (nm) Aspettativa
0,121535 6,967 201,98 0,365374 20,945 595,26 5960,381266 21,856 619,91 6200,397053 22,761 644,25 0,416992 23,904 674,75 6700,440699 25,263 710,67 7150,45462 26,061 731,57
ELIO
Rad Angolo°Lunghezza d'onda (nm) Aspettativa
0,248304 14,234 409,44 0,284275 16,296 467,25 0,29523 16,924 484,74 485
0,317035 18,174 519,38 0,37291 21,377 606,97
0,426377 24,442 689,02 680
0,453521 25,998 729,93 720
ESPERIMENTO DELLA RISONANZA CON IL CARRELLO
Moto armonico smorzato:è un sistema reale in cui si tiene conto dell’attrito per ciò l’oscillazione non continuerà all’infinito ma nel giro di qualche periodo si esaurirà (rosso)
Moto armonico: è un sistema ideale in cui non si tiene conto dell’attrito e per ciò l’oscillazione continuerà all’infinito (blu)
Premesse Teoriche
𝜔= 𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑧𝑎𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑎
Il nostro obiettivo era studiare il comportamento del corpo (carrellino) quando riceve una spinta costante e regolare chiamata forzante (equazioni in basso) e determinare quando si ottiene una risonanza.
La risonanza è un particolare avvenimento nel quale la frequenza del corpo che oscilla è uguale alla frequenza che riceve così si ottiene la risposta massima dal corpo alla sollecitazione (cioè l’ampiezza massima).
F0 = forza forzante
m = massa carrellino
wn = frequenza motore
wf = frequenza propria
= coefficiente di attrito
𝑥 (𝑡 )=𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡+𝛼)F0/m
Apparato sperimentale
Emettitore di onde sonore (sensore di
moto)
molla carrellinomotore
OSCILLAZIONE SMORZATA
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 270.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
1.050
1.100
f(x) = 1.05316520650981 exp( − 0.007541488677986 x )R² = 0.993468578741991
Series1Exponential (Series1)
Tempo (s)
Osc
illaz
ione
(m)
𝑥 (𝑡 )=𝑥0𝑒−𝑡𝜏 sin (𝜔0 𝑡+𝜑 )
ANDAMENTO PERIODO/MASSA
𝑇=2𝜋 √𝑚𝑘
500 600 700 800 900 1000 1100 12000
0.5
1
1.5
2
2.5
f(x) = 0.0638574776699635 x^0.501886311781866R² = 0.998995192806135
Series1Power (Series1)
Massa (g)
Perio
do (s
)
Relazione matematica:
CONDIZIONE DI RISONANZA
Apparato sperimentale
Frequenza propria = 4,163 (1/s)
Grafico ampiezza-frequenza (gruppo 2)
Frequenza propria = 4,082 (1/s)
SONOMETRO E ONDE STAZIONARIE
LA DOMANDA: IL MODELLO DI BOHR
• Per spiegare gli spettri di emissione, Bohr ipotizzò che fossero consentite solo certe orbite, caratterizzate da un’energia quantizzata.
• Ciò spiegava molte cose, ma perché queste orbite erano quantizzate? Perché l’elettrone poteva muoversi solo su quelle precise traiettorie?
LA RISPOSTA: DE BROGLIE E IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO
• Louis De Broglie, per spiegare questo strano comportamento, ipotizzò che ogni cosa si comporti a volte come corpuscolo, a volte come onda con una lunghezza caratteristica
• Tuttavia, per corpi macroscopici la lunghezza d’onda caratteristica è talmente piccola da non poter essere apprezzabile
LA RISPOSTA: DE BROGLIE E IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO
• De Broglie formulò un’equazione per descrivere inizialmente solo il comportamento dell’elettrone
• Sapendo che il momento angolare è quantizzato:
• =
LA RISPOSTA: DE BROGLIE E IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO
• Quindi, gli elettroni non possono seguire qualsiasi orbita, ma solo alcune consentite, che corrispondono a un numero intero di lunghezze d’onda
• L’orbita si comporta quindi come un’onda stazionaria
LE ONDE STAZIONARIE• Onde periodiche,
sinusoidali, oscillano ma non si propagano nello spazio.
• Esse si riflettono in una zona limitata dello spazio, e interferiscono con sé stesse, creando nodi fissi.
LE ONDE STAZIONARIE
• Sono dotate di precise lunghezze d’onda proprie: non possono quindi oscillare con qualsiasi lunghezza d’onda (come gli elettroni).
• , dove L è la lunghezza della corda, e n un numero naturale
• Le onde stazionarie sono quindi caratterizzate da precise frequenze di risonanza, dette armoniche. L’armonica fondamentale è la frequenza caratterizzata da n=1. Tutte le altre risultano essere multiple della fondamentale.
LE ONDE STAZIONARIE
• Possiamo trovare quindi la frequenza:,
dove v è la velocità di propagazione, che per le onde stazionarie è . T è la tensione della corda, mentre μ è la sua densità lineare
ESPERIENZA DEL SONOMETRO
FUNZIONAMENTO DEL SONOMETRO
Generatore
Sensore collegato all’oscilloscopio
Oscilloscopio Masse
Magnete collegato al generatore Corda vibrante
ALCUNI DETTAGLI
Oscilloscopio
Sensore collegato all’oscilloscopio e scala
graduata
Sensore collegato all’oscilloscopio Oscilloscopio
Sonometro
Corda vibranteMasse
Generatore
Magnete collegato al generatore
IL SONOMETRO A NOSTRA DISPOSIZIONE
PRIMO OBIETTIVO:DETERMINARE LE ARMONICHE NELLA CORDA
Formule utiliλn = 2L/nf = v/ λv = T = mg
DatiL = 0,6 m = 0,001683 kg/mm = 3 kgT = 29,43 N
ARMONICA FONDAMENTALE Abbiamo ricavato la velocità:
v = = 132 m/s Abbiamo posto n=1, poiché facciamo
riferimento alla prima armonica, quindi λ = 2L/n = 2L = 1,2 m
Possiamo dunque trovare la frequenza dell’armonica fondamentale, infatti
f = v/ λ = 110,2 Hz Abbiamo poi fatto lo stesso fino ad
arrivare a n = 4, quindi fino alla quarta armonica
Abbiamo infine verificato la proporzionalità diretta tra la frequenza dell’armonica e il numero naturale «n», infatti al crescere di «n» si può notare anche una crescita della frequenza.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
m=3 kg
n
Fre
qu
en
za (
Hz)
0 50000 1000001500002000002500003000000
100
200
300
400
500
600
f(x) = 0.00171299590101634 x − 0.265096955880551R² = 0.999999229720184
Y= T*n^2= µ (2L*f) 2 = µ x
x
y
Equazione retta
SECONDO OBIETTIVO:DETERMINARE LA DENSITÀ LINEARE DELLA CORDA
Densità da noi trovata
Servendoci dell’equazione qui a fianco e sostituendo i dati a noi noti è stato possibile ricavare la densità lineare
Il risultato è stato piuttosto soddisfacente!
µ(effettivo)=0,001683 kg/m
Cambiando la tensione…
Gli obiettivi
• Scoprire le frequenze armoniche della medesima corda sottoposta a tensioni diverse.
• Calcolare approssimativamente il valore della densità lineare μ a partire dalla frequenza armonica di risonanza e dalla tensione applicata.
Le formule di partenza
I risultati
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 350000
10
20
30
40
50
60
f(x) = 0.00167959597403747 x − 0.124561123960241
T (N)
v2(m2/s2)
𝝁=𝟎 ,𝟎𝟎𝟏𝟔𝟖𝒌𝒈 /𝒎
De Broglie e la corda vibrante?
• Relazione per una corda vibrante
• Relazione di De Broglie per l’elettrone
Elaborato a cura di:
• Sara Gueddari• Francesca Roselli• Albertina Regalini• Matteo Pasotti• Roberto Berlucchi• Jacopo Baffelli• Lorenzo Rossi• Riccardo Barbieri• Carlo Ambrosoli• Valeria Zuccoli