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| Ripasso di Fisica per il Biennio delle Superiori |  |
| Unità 14. La propagazione ondosa e la luce |
| DEFINIZIONI E TABELLE | Esercizi svolti, esperienze e attività | Questionario |
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D1. In molte
situazioni, il movimento oscillatorio di un corpo (vedi
l’Unità 8) può indurre un movimento analogo in altri
corpi, trasmettendosi a distanza tramite successioni
periodiche di impulsi chiamate onde.
D2. Le onde
sono fenomeni fisici molto importanti, in quanto consentono
la propagazione dell'energia senza il trasporto di
materia.
D3. Le masse
che oscillano producono onde elastiche, che
trasportano energia meccanica (per esempio, le onde acustiche,
vedi la definizione D10,
e le onde sismiche). Invece, le cariche elettriche che
oscillano producono le onde elettromagnetiche (vedi la
definizione D14), che trasportano energia elettromagnetica.
D4. Se gli
impulsi si propagano nella stessa direzione
dell'oscillazione, il moto ondulatorio è longitudinale, come
le compressioni in una molla (vedi la definizione D14
dell’Unità 8).
Se, invece, gli impulsi si propagano in direzione perpendicolare a quella dell'oscillazione, il moto ondulatorio è trasversale, come le onde su una corda).
| D5.
Le onde vengono rappresentate graficamente mediante
curve (che nel caso di onde prodotte da oscillazioni
armoniche sono dette sinusoidi), in cui
l'intensità degli impulsi che si propagano è
riportata in funzione dello spazio percorso.
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D7. La
distanza percorsa da un'onda durante un periodo di
oscillazione (vedi la definizione D6 dell’Unità 8) è detta lunghezza
d'onda ( l ). Se v è la velocità di
propagazione dell'onda, T il suo periodo e f la
frequenza, per la definizione D8
dell’Unità 7 e
la definizione D9 dell’Unità 8, si ha:
l = v • T = v / f
Sul simbolo l (lambda), vedi la definizione D9 dell’Unità 5.
D8. Le onde
elastiche possono propagarsi solo nelle sostanze in cui
l'energia degli impulsi oscillatori può trasmettersi da una
molecola all'altra, e la loro velocità di propagazione
dipende dall'elasticità, dalla densità e dalla temperatura
della sostanza. Nelle sostanze non elastiche le onde si
smorzano rapidamente, mentre nel vuoto non possono
propagarsi.
D9. Le onde
acustiche sono onde elastiche longitudinali generate da
vibrazioni meccaniche, e sono costituite da successioni di
rarefazioni e compressioni della sostanza in cui si
propagano. La velocità di queste onde nell'aria è di 340
m/s a 15°C e di 331 m/s a 0°C.
| D10. Si chiamano suoni
le onde acustiche percepibili dall'orecchio umano.
Questo è sensibile alle onde di frequenze comprese
tra 16 Hz (che corrispondono ai suoni più gravi)
e circa 20.000 Hz (che corrispondono ai suoni più acuti).
La frequenza è una misura della altezza dei
suoni. Invece l'ampiezza dell'onda è una misura dell'intensità del suono, distinguendo i suoni forti da quelli deboli. In un'onda persistente l'intensità è costante; in un'onda smorzata l'intensità è decrescente. Un'altra caratteristica dei suoni è il timbro, rappresentato dalla frma dell'onda e che identifica il suono di una particolare sorgente (per es. uno strumento musicale). L'energia meccanica trasportata da queste onde acustiche (vedi la definizione D3) è detta energia sonora.
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D12. Se
un'onda incontra un ostacolo elastico, si riflette,
compiendo un vero e proprio rimbalzo meccanico, altrimenti
viene assorbita. Per esempio, il fenomeno dell'eco
risulta dalla riflessione delle onde acustiche.
D13. Le onde
elettromagnetiche (e.m.) sono onde
trasversali generate da oscillazioni di cariche elettriche.
Esse possono trasmettersi anche nel vuoto, in cui si
propagano alla velocità di circa 300.000 km/s.
D14. La teoria
elettromagnetica di J.C. Maxwell spiega la propagazione
delle onde e.m. sulla base dell'alternarsi di due fenomeni:
la variazione del campo elettrico dovuta alle oscillazioni
delle cariche provoca un campo magnetico (vedi le definzioni D17-D18 dell'Unità 13), e le variazioni di questo
provocano a loro volta un campo elettrico (vedi la definzione
D25 dell'Unità
13).
D15. Onde
e.m. a bassa frequenza (dette onde radio, vedi la Tabella 14) si possono produrre applicando un
generatore di corrente alternata a un filo conduttore, detto antenna
trasmittente.
D16. La onde
emesse da una antenna possono essere rivelate da un altro
filo conduttore posto parallelamente al primo, detto antenna
ricevente, che risulta percorso da una corrente alternata
di frequenza pari a quella trasmittente. Le dimensioni delle
antenne devono essere dell'ordine delle lunghezze d'onda
delle onde emesse.
D17. Le onde
radio sono in parte riflesse e in parte assorbite dalle
sostanze conduttrici dell'elettricità, ma attraversano le
sostanze isolanti, che non possiedono elettroni liberi in
grado di reagire a queste onde.
D18. Onde
e.m. di più alta frequenza (e quindi di lunghezza d'onda
minore) sono prodotte (e rivelate) da vibrazioni
microscopiche. Le radiazioni infrarosse sono prodotte
dalle vibrazioni atomiche e molecolari determinate dalla
agitazione termica (vedi definizione D23
dell’Unità 5).
D19. L'energia associata alle onde
e.m. dipende solo dalla loro frequenza, tramite una
proporzionalità diretta, e l'assorbimento di queste
onde consiste nella trasformazione in calore di un numero
più o meno grande di esse. Solo in casi particolari si hanno
modifiche della frequenza (per esempio, nei materiali fluorescenti,
che riemettono onde di frequenza minore di quella incidente).
D20.
Pertanto, le onde prodotte dalle sorgenti termiche hanno
frequenze che aumentano all'aumentare dell'energia cinetica
molecolare della sorgente, cioè della sua temperatura.
D21. Anche
le vibrazioni degli elettroni legati agli atomi producono
onde e.m.: in conseguenza degli urti provocati dalla
agitazione termica, gli elettroni passano dallo stato
fondamentale a uno stato eccitato (vedi l’esercizio E10 dell’Unità
12). Quando ricadono sullo stato fondamentale, emettono
l'energia ricevuta sotto forma di onde e.m.
D22. Parte
delle radiazioni emesse con questo meccanismo sono chiamate radiazioni
ottiche (o, più comunemente, luce), in quanto
sono percepibili dall'occhio umano. L'energia che trasportano
viene chiamata energia luminosa. Le
radiaizoni ottiche sono suddivise in bande di frequenza che
vengono percepite come differenti colori, dal rosso,
corrispondente alle frequenza più basse, al violetto,
corrispondente alle frequenze più alte. Per questo motivo,
le radiazioni di frequenza inferiore al rosso sono dette infrarosse,
mentre quelle di frequenza superiore al violetto sono dette ultraviolette.
D23. La radiazione
solare è composta, oltre che dalla luce visibile (che ne
costituisce il 14%), anche da radiazioni infrarosse e
ultraviolette e, in minor quantità, da altre radiazioni
e.m.. L'insieme delle onde e.m. emesse da una sorgente è
detto spettro della sorgente.
D24. La luce
viene assorbita e riflessa dalla maggior parte delle
sostanze, che sono dette opache, mentre attraversa
quelle trasparenti (aria, vetro, acqua ecc.), e quelle
traslucide.
D25.
Penetrando in una sostanza trasparente, la luce subisce il
fenomeno della rifrazione. La sua velocità si
modifica, e diventa pari a:
v = c / n
dove c è la velocità della luce nel vuoto e n viene chiamato indice di rifrazione della sostanza, il cui valore diminuisce col crescere della frequenza (nell'aria si può considerare n = 1).
D26.
Variando la velocità dell'onda rifratta, varia di
conseguenza anche la sua lunghezza d'onda, restando invariata
la frequenza (vedi la definizione D7). Considerazioni di ordine geometrico
permettono di dimostrare che un'altra conseguenza di questo
fenomeno è la deviazione dell'onda rifratta (che si
manifesta, per esempio, nell'immagine spezzata di un oggetto
parzialmente immerso nell'acqua).
D27. Le
sostanze traslucide lasciano passare la luce, ma ne provocano
la diffusione, cioè la deviazione casuale delle
direzioni di propagazione delle onde, che impedisce il
ricostituirsi dell'immagine al di là della sostanza
attraversata.
D28. Le
sostanze opache costituiscono ostacoli alla propagazione
della luce, che tuttavia possono essere aggirati se hanno
dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce: è il
fenomeno della diffrazione.
D29. Se le
superfici delle sostanze opache sono speculari,
riflettono le onde senza assorbimenti né diffusioni. Le
superfici colorate risultano tali in genere per un
fenomeno di assorbimento selettivo; cioè, riflettono solo le
onde di frequenze corrispondenti al loro colore, e assorbono
le altre.
D30. Le onde
e.m. di frequenza (e quindi di energia) più elevata di
quelle ottiche sono generate da fenomeni più violenti di
quelli termici; in particolare, i raggi gamma ( g
) sono prodotti da fenomeni che avvengono all'interno del
nucleo atomico (vedi l’Unità
4).
D31. Quando
le radiazioni di grande energia vengono assorbite dalla
materia, possono provocare la rottura delle molecole e la
ionizzazione degli atomi, e sono pertanto molto nocive per
gli esseri viventi.
TABELLE
TAB. 14: LO SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
| Tipo | Lunghezza d'onda | Sorgente | Impiego |
| radio onde | da 100 km a 1 m | dispositivi elettronici | telecomunicazioni, radiodiffusione, televisione |
| micro onde | da 1 m a 1 cm | dispositivi elettronici |
sistemi radar |
| radiazioni infrarosse (IR) | da 1 mm a 1 µm | corpi caldi |
riscaldamento |
| radiazioni ottiche ("luce") | da 0,7 µm a 0,4 µm | corpi caldi |
visione, applicazioni ottiche |
| radiazioni ultraviolette (UV) | da 0,1 µm a 0,01 µm | scariche elettriche | analisi chimiche, fotosintesi clorofilliana |
| raggi X | da 10-2 µm a 10-6 µm | bombardamento elettronico | radiografia, radioterapia |
| raggi g | da 10-6 µm a 10-8 µm | sostanze radioattive | sterilizzazioni |
| raggi cosmici | da 10-8 µm a 10-9 µm | supernovae, nuclei galattici | ricerca astrofisica e nucleare |
