Luce e buio Secondaria di secondo grado Maria Teresa Fulco Sandro Bardelli Fisica: Luce Fisica: Ottica

L’effetto dell’inversione della freccia

Se disegni una freccia e la osservi attraverso un contenitore pieno di acqua, sembra che cambi direzione! Capiamo perchè con un semplice esperimento su luce e rifrazione.

La luce può essere descritta in tre differenti modi:

  • come onda elettromagnetica al fine di studiare i colori
  • come raggio al fine di studiare le ombre, gli specchi, le lenti
  • come fotone per studiare la sua energia

Lo studio della luce visto come raggio è detto ottica geometrica. I principali fenomeni di ottica geometrica della luce sono la riflessione, la rifrazione e la diffrazione. Noi qui ci soffermeremo sulla rifrazione partendo dal fatto che una freccia vista attraverso un contenitore riempito di acqua sembra cambiare verso.

La fisica dietro il fenomeno

Le lenti sono dispositivi ottici che sfruttano la rifrazione.
Quando la luce incide su una superficie di separazione tra un mezzo come l’aria a un mezzo come l’acqua i raggi vengono “piegati”, ossia rifratti.

legge_snell

La legge di Snell afferma che: quando un raggio passa da un mezzo trasparente con indice di rifrazione \(n_1\) a un secondo mezzo, anch’esso trasparente, con indice di rifrazione \(n_2\), il rapporto tra il seno dell’angolo dell’onda incidente e il seno dell’angolo dell’onda rifratta è costante ed è uguale al rapporto tra l’indice di rifrazione del secondo mezzo e quello dl primo mezzo. La formula dice:

\(\frac{\sin i}{\sin r} = \frac{n_2}{n_1}\)

Il rapporto \(n_2 / n_1\) presente nella formula di Snell è detto indice di rifrazione relativo del mezzo 2 rispetto al mezzo 1. Se tale valore è maggiore di 1 (\(n_2 / n_1 > 1\)) si dice che il mezzo 2 è più rifrangente (oppure otticamente più attivo) del mezzo 1 e che \(\sin i > \sin r\).

Esempio

Un esempio di applicazione della legge di Snell è far convergere i raggi luminosi in un punto. Lo possiamo verificare usando una lente di ingrandimento: l’immagine del Sole concentrata su un foglio diventerĂ  un punto ad una data distanza della lente. (Attenzione: il foglio può prendere fuoco!)

sole_lente
A sinistra: il Sole attraverso una lente. A destra: concentrazione dei raggi solari in un unico punto

Descrizione dell’attivitĂ 

Prendete un barattolo di vetro a sezione cilindrica e un foglio in cui disegnate una freccia che terrete in orizzontale. Guardate la freccia attraverso il contenitore vuoto: essa avra’il verso che appare sul foglio.
Ora riempite il contenitore di acqua: l’immagine della freccia avrĂ  verso opposto.
Il contenitore con l’acqua si comporta come la lente convergente. Il raggio che esce dalla punta della freccia viene deviato verso il basso e quello dalla base verso l’alto. I due raggi si incrociano nel fuoco.

inversione_freccia

Man mano che avviciniamo al recipiente con una web cam (o semplicemente con lo sguardo) vediamo che l’immagine della freccia rimpicciolisce fino a diventare un punto e poi cambiare direzione. Quindi molto vicino al contenitore l’immagine della freccia avrĂ  la direzione “giusta” mentre lontano avrĂ  la direzione contraria. Il punto dove la freccia cambia verso è il punto focale della lente-barattolo.

Proviamo a misurare questa distanza dal centro del recipiente.
Ripetiamo ora l’esperienza con recipienti di varie dimensioni e facciamo una tabella Raggio del recipiente/Distanza focale (vedi allegato): che conclusioni potete ottenere?

Spiegazione

Tutto risiede nel fatto che l’angolo di incidenza dei raggi cambia a seconda del raggio del contenitore.
Nel caso del recipiente piĂą grande l’angolo di incidenza è piĂą piccolo per cui i raggi vengono deviati meno (secondo la legge di Snell) e il fuoco sarĂ  piĂą distante.

spiegazione_recipienti01
spiegazione_recipienti02

A questo punto cambiamo mezzo e sostituiamo l’olio all’acqua. Sulla base della tabella degli indici di rifrazione (scaricala in formato pdfù) vi aspettate che a parità di recipiente, il fuoco sia più lontano o più vicino?
Provate a rifare la misura della posizione del fuoco anche in questo caso.

Approfondimenti

Come si comporta la luce quando attraversa la materia? da PlayINAF

Add Comment

Click here to post a comment

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.