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CORSO DI FISICACORSO DI FISICA
Prof. Francesco Zampierihttp://digilander.libero.it/fedrojp
LE ONDELE ONDE
Fenomeni ondulatoriLe grandezze
caratteristicheLa velocità di
propagazioneProprietà delle ondeOnde meccaniche: il
suonoLa luce e la sua velocitàL’ottica: specchi e lenti
ARGOMENTIARGOMENTI
ONDA: PerturbazionePerturbazione provocata da un fenomeno oscillatorio (sorgente) che si propaga in un mezzo (anche vuoto!)
Corpo sorgente
MEZZO
MOTO senza trasporto di materia ma solo di ENERGIA =“informazione”!
ONDE
MECCANICHEOscillazione di un corpo fisico che si propaga in un mezzo (mai nel vuoto!)
CASO PART: onde acustiche (suono)
ELETTROMAGNETICHE
Oscillazione di un CAMPO
corda che vibra
onda elettromagneticaE
B
x
Bo
Eo
v
Cosa vuol dire “perturbazione che si propaga in un mezzo?”
Es. onde marine
Sup. mare in quiete
Perturbo elem. d’acqua (es. vento)
DEVIAZIONE delle particelle dalla posizione di equilibrio!
Le particelle sono LEGATE le une alle altre, quindi il moto di una si trasmette alle altre!
Al cessare della perturbazione, per l’elasticità del mezzo, le partic. tornano all’equilibrio, ma la perturbazione si è trasmessa!
Avanzamento della perturbazione!
Il fenomeno è più evidente in una corda tesa e legata ad un estremo
Le particelle del mezzo comunicano la pert. Interagendo tra di loro.
corda che vibra
FRONTE D’ONDA : l’insieme dei punti più avanzati, considerati in un dato istante!
DIREZIONE E VERSO di propagazione
Onde trasversali:ogni punto sulla cordasi muove perpendicolarmentealla corda
Il piano di oscillazione è perpendicolare alla direzione di avanzamento
Onde longitudinali: le particelle del mezzo oscillanoattorno alla loro posizione di equilibrio parallelamenteal moto dell’onda
Il piano di oscillazione è parallelo alla direzione di avanzamento!
Onde trasversali e longitudinali
trasversali vibrazione propagazione
esempio :onda lungo una corda
longitudinali vibrazione propagazione
esempio : onda di percussione in un solido
A meno di effetti di distorsione, l’impulso si propagaparallelo a sè stesso: la forma resta invariatay = f (x) a t = 0. Dopo t lo spostamento verticale del punto Pè y = f (x – vt) - f(x,t) funzione d’onda
PROPAGAZIONE DELLE ONDE
LE GRANDEZZE CARATTERISTICHE DI UN’ONDALE GRANDEZZE CARATTERISTICHE DI UN’ONDA
crestat fisso
x fisso
lunghezza d’onda
periodo T
frequenza f
VELOCITA’ v
ampiezza A
onda sinusoidale:
ventrenodo
AMPIEZZA AAMPIEZZA A: max spostamento (elongazione)
t
S(t)
+A
–A
o
T
PERIODO T: tempo necessario per un’oscillazione completa e regolare!
FREQUENZA f: numero di oscillazioni complete al secondo (si misura in Hertz)
x
S(x)
+A
–A
o
LUNGHEZZA D’ONDA = distanza fra due creste, distanza percorsa in un periodo T
RELAZIONI FRA RELAZIONI FRA PERIODO, FREQUENZA E LUNGHEZZA PERIODO, FREQUENZA E LUNGHEZZA
D’ONDAD’ONDA
Tf
fT 1,1
fvTv
VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE DI UN’ONDA
E’ la velocità (vettoriale) con cui avanza il fronte d’onda
Da cosa dipende?
v
ELASTICITA’ del mezzo: proprietà di sviluppare le forze di richiamo: più ce n’è, e più alta è v
INERZIA del mezzo: ci dice come la particelle rispondono alla sollecitazione. Se è alta, le particelle rispondono lentamente e v cala
La velocità dipende solo dalleproprietà del mezzo
In una corda di massa µ perunità di lunghezza con tensioneT la velocità di propagazione dell’onda è
= massa per UNITA’ di lunghezza = m/l
T è la forza di richiamo elastico che regola la trasmissione della pert.
LE PROPRIETA’ DELLE ONDE
Principio di sovrapposizione
INTERFERENZA
RIFLESSIONE
RIFRAZIONE
DIFFRAZIONE
ONDEONDE
PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE
Cosa accade se in un punto P arrivano 2 onde differenti?
Se due o più onde che sipropagano in un mezzo sicombinano in un punto,lo spostamento risultanteè la somma degli spostamenti delle singoleonde
INTERFERENZAINTERFERENZAFenomeno dovuto alla sovrapposizione che interessa l’AMPIEZZA Fenomeno dovuto alla sovrapposizione che interessa l’AMPIEZZA RISULTANTE A: a seconda dello SFASAMENTO, A potrebbe essere RISULTANTE A: a seconda dello SFASAMENTO, A potrebbe essere amplificata o ridottaamplificata o ridotta
INTERFERENZA
COSTRUTTIVA se Aris = A1+A2 max
DISTRUTTIVA se Aris = A1 – A2 = 0
ORDINARIA se Aris = A1+A2 < max
Sovrapposizionedi due onde sinusoidali uguali ma conuna differenza di fase
interferenza costruttiva
interferenza distruttiva
interferenza normale
CONDIZIONE PER INTERFERENZASe i cammini sono differenti
COSTRUTTIVA: onde in fase L = 2n
DISTRUTTIVA = onde in opposizione fase = L = (2n+1)/2
L = differenza di distanza percorsa
RIFLESSIONE
Fenomeno che si verifica quando un’onda incontra un OSTACOLO che non permette di proseguire.
L’onda viene RIFLESSA ed inverte il verso di propagazione
Onda incidente
Onda riflessa
Può essere TOTALE o PARZIALE
Se l’estremità della cordaè libera, l’impulso incidenteviene riflesso senza essere invertito
RIFLESSIONE TOTALE
IL CASO DELLE ONDE STAZIONARIEIL CASO DELLE ONDE STAZIONARIE
Si verifica es. nel caso di corda con estremo fisso: onda incidente e riflessa SI SOVRAPPONGONO (stessa ampiezza e frequenza!)
SI EVIDENZIANO DEI NODI: punti in cui la perturbazione è nulla
GLOBALMENTE L’ONDA NON SI PROPAGA!
Se la corda è lunga L, vi sono INFINITI MODI NORMALI di vibrazione, con fissata (quantizzata)
nL2
nL2
RIFRAZIONE
Cambiamento della direzione di propagazione in seguito al passaggio da un mezzo ad un altro differente
DIFFRAZIONE
Fenomeno che avviene in presenza di un apertura di dimensioni paragonabili con la dell’onda
LE ONDE ACUSTICHE(sonore)
• SUONO = fenomeno oscillatorio di un mezzo propagante prodotto dalla VIBRAZIONE REGOLARE di un corpo
Se la vibrazione non è regolare, ho il RUMORE
Il suono
suono : vibrazione meccanica delle particelle di un mezzo materiale (gas, liquido, solido)
punto di equilibriomolecola in moto
A x(t)
spostamenti delle particelle
compressioni e dilatazioni
fluidi :addensamenti e rarefazioni
onda di pressione
sono vibrazionidi/tra molecole: serve la materia!
nel vuotoil suono
non si propaga
CARATTERISTICA DELLE ONDE ACUSTICHE = UDIBILITA’ grazie all’apparato uditivo
20Hz 20.000 Hz
Sensibilità orecchio umanoinfrasuoni
ultrasuoni
PROPAGAZIONE DELLE ONDE SONORE
Hanno bisogno di un MEZZO PROPAGANTE
La vibrazione si propaga perché il mezzo è interessato da compressioni/rarefazioni progressive
P
t
Velocità vs di propagazione del suono
Da cosa dipende?
Ricordare la velocità di propagazione di un’onda meccanica in un mezzo 3D
Pv
P = modulo di compressione [Pa]
= densità volumica [Kg/m3]
Con P = 1,013·105 Pa e = 1,29 Kg/m3 si calcola: Vs = 278,4 m/s
TALE VALORE E’ SOTTOSTIMATOTALE VALORE E’ SOTTOSTIMATO, perché sperimentalmente vs = 330 ÷ 340 m/s
IN ARIA
SPERIMENTALMENTE: anche la temperatura T dell’aria influisce su vs
MICROSCOPICAMENTE: una grande agitazione delle particelle influisce positivamente sulla propagazione ordinata delle oscillazioni i suoni si propagano con velocità maggiore nell’aria più CALDA!
Presenza di un fattore correttivo ~ 1,4 nel modulo di compressione:
smPv /340
Nei liquidi e nei solidi, ovviamente, le particelle sono più Nei liquidi e nei solidi, ovviamente, le particelle sono più legate e trasmettono PIU’ RAPIDAMENTE le legate e trasmettono PIU’ RAPIDAMENTE le perturbazioni di pressioneperturbazioni di pressione
Le velocità di propagazione sonora in mezzi più densi sono sistematicamente maggiori di quelle in mezzi meno densi
LE PROPRIETA’ DEL SUONOSensazioni fisiologiche corrispondenti a PARAMETRI FISICI dell’onda
ALTEZZA Frequenza di vibrazione (suoni ACUTI/GRAVI)
INTENSITA’ Ampiezza dell’onda (suoni FORTI/DEBOLI)
TIMBRO Qualità del suono (ogni sorgente ha una qualità diversa!)
DURATA Durata temporale del fenomeno sonoro
E’ proporzionale alla frequenza della fonte sonora
SUONO ACUTO
(“Alto”)
Vibrazione di frequenza
maggiore
Vibrazione di frequenza
minore
ALTEZZA DEL SUONO
SUONO GRAVE (“basso”)
INTENSITA’ SONORA
E’ legata all’ampiezza della vibrazione
LIVELLO SONORO = misura dell’intensità del suono percepita
SUONO “FORTE” SUONO “DEBOLE”
Vibrazione ampia Vibrazione meno
ampia
POTENZAPOTENZA I I (della sorgente) = energia
al secondo che arriva su 1m2
(W/m2)
Come misurare il livello sonoro? Dipende da due fattori: sorgente (potenza) e l’apparato uditivo
STIMOLO UDITIVO STIMOLO UDITIVO JJ
Che relazione? Ossia, come l’orecchio trasforma in sensazione (stimolo) un segnale ricevuto?
Fisiologicamente, l’intensità dei suoni uditi spazia da 10-12 W/m2
(soglia di udibilità) a 1 W/m2 (soglia del dolore)
L’ORECCHIO NON E’ UN RECETTORE LINEARE!L’ORECCHIO NON E’ UN RECETTORE LINEARE!
Di fronte a due sorgenti che emettono segnale di potenza doppia (I2 = 2I1), io non percepisco uno stimolo doppio (J2 2J1)!!!
010log
IIJ
I0 è la soglia di udibilità di 10-12 W/m2
DECIBELDECIBEL = Unità di misura dello stimolo sonoro J = differenza esponenti fra la potenza irradiata e quella di riferimento moltiplicata per 10
Es. se I = 10-6 W/m2 , allora la sensazione sonora quale è?
6126212
26
0
1010/10/10
mWmW
II
L’esponente è 6 = LIVELLO SONORO DI 60 dB
Ricordare: 10-12 W/m2 = 20 Pa
Livello del suono (dB) Pressione sonora (Pa) Esempi Fascia
140 200.000.000 motore jet
fascia dannosa130 63.245.555 martello pneumatico
120 20.000.000 veicolo ad elica
soglia del dolore
110 6.324.555 discoteca
fascia critica100 2.000.000 macchinari industriali
90 632.455 veicolo pesante
80 200.000 traffico intenso
fascia di sicurezza
70 63.245 aspirapolvere
60 20.000 uffici
50 6.324 musica a basso volume
40 2.000 biblioteca
30 632 passi sulle foglie
20 200 abitazione di notte
10 63 "tic-tac" di un orologio
0 20 soglia dell'udibile
TIMBRO
E’ dovuto alla diversità di profilo dell’onda = diversità di sorgente e diversità di MODO DI VIBRAZIONE
Uno stesso corpo sorgente può vibrare in DIVERSI MODI
I SUONI ARMONICIEs. Corda di violino
Se ho 2 estremi fissi si instaurano delle ONDE STAZIONARIE = la corda può vibrare con INFINITE FREQUENZE legate alla lunghezza della corda
Per capirlo…
Corda con due punti fissi (vibrazioni stazionarie)
Nota fondamentale
2° arm.DO all’OTTAVA
3° arm.SOL
1/2
1/3
1
LV21
LV2
22
LV2
33
Es. DO
V = velocità di propagaz. vibraz. nella corda
4° arm (DO OTTAVA)
5° arm.(MI)
E così via…. generando tutte le note della scala cromatica
1/4
1/5
LV2
44
LV2
55
LVnn 2
Queste vibrazioni sono dette ARMONICHE o frequenze di RISONANZA PROPRIE
RISONANZA: fenomeno per il quale un corpo elastico che ammette infinte frequenze armoniche può vibrare se sollecitato (anche senza contatto) da onde con frequenza pari ad una qualsiasi delle frequenze di risonanza
La corda viene eccitata con un’onda di frequenza n esterna
La corda vibra con frequenza n
LA RISONANZA SPIEGA LA FORMAZIONE DEI TIMBRI DEGLI STRUMENTI MUSICALI
STRUMENTI MUSICALI: corpo vibrante + sistemi di risonanza
CORPI VIBRANTI
Colonne d’aria
Corde
AEROFONI
CORDOFONI
Calotte, verghe, membrane
IDIOFONIEccitati con vari meccanismi
ALCUNI MECCANISMI DI ECCITAZIONE SONORA
CORDE
STROFINATE (archi, es. violino)
PERCOSSE (pianoforte)
PIZZICATE (chitarra, arpa)
COLONNE D’ARIA
Eccitate da vibrazioni prodotte da
SOFFIO (flauto)
SOFFIO + ANCE (clarinetto)
LABBRA (tromba)
LE VIBRAZIONI SONO AMPLIFICATE E “MODIFICATE” DAL SISTEMA DI RISONANZA
Es. violino
Energia braccio esecutore
Movimento arco sulla corda (attrito per strofinio)
VIBRAZ. CORDA
RISONANZA DELLA CASSA = LEGNO + VERNICE + SISTEMI DI SAGOMATURA INTERNA (catena)
= suono fondamentale + altre vibrazioni armoniche prodotte per risonanza nella cassa armonica
SUONO PURO (sinusoidale) 1^ ARMONICA
Miscela di 1^+2^ ARMONICA
Il “profilo” dell’onda è diversa = CAMBIA IL TIMBRO!!
SI SOVRAPPONGONO infinite armoniche con diverso “peso” (sistemi di risonanza accentuano alcune armoniche (sistemi di risonanza accentuano alcune armoniche invece che altre)invece che altre)
Es. 1^ armonica al 25% + 2^ al 10% + 3^ al 25 % + ecc..
RISULTATO: forma dell’onda complicata quanto si vuole, corrispondente ad un suono avente timbro particolare!
A seconda della MISCELA degli armonici, io produco suono di QUALITA’ DIVERSA!
TIMBRO = combinazione di un certo numero di armonici moltiplicato per un certo “peso”.
ECO• Caso particolare di riflessione del suono
Ripetizione distinta di un suono a causa della presenza di un ostacolo
Serve una distanza x per la PERCEZIONE DISTINTA
Pronuncia sillaba : t = 0,1 sec
Se la velocità di propagazione del suono è circa v = 340 m/s
MI SERVONO ALMENO s = v • t/2 = 15 metri!
EFFETTO DOPPLER EFFETTO DOPPLER ACUSTICOACUSTICO
• La percezione del suono è dipendente anche dalla VELOCITA’ relativa della sorgente e dell’osservatore!
•Es. sirena percepita più “bassa” quando auto ci passa accanto
La frequenza percepita cambia a seconda del moto relativo!
SORGENTE FERMA e OSSERVATORE IN AVVICINAMENTO (corrispondente a sorgente in avvicinamento ad osservatore fisso)
Il ciclista “va incontro” all’onda emessa dal clacson e “riceve” più onde LA FREQUENZA AUMENTA (suono più alto!)
01
1)('
vv
fvfvvf O
f’ freq percepita dall’osservatore
v vel suono
f freq emessaVel prop.suono
vO < 0, (v- vO) > 1
SORGENTE FERMA E OSSERVATORE IN ALLONTANAMENTO
Ho processo inverso: ricevo “meno” onde e la frequenza diminuisce (suono più basso!)
Vvs
emperc
1
1
Però mi sto allontanando, quindi vO > 0 e f’ diminuisce!
V = velocità di allontanamento
Corrisponde a oss. fermo e sorg. in allontanamento
CASO GENERALECASO GENERALE
sO vv
fvvf
)('
Se vs = v allora ho divisione per zero
Si genera un’onda d’urto (boom sonico) qui visibile perché causa la condensazione del vapore acqueo
LA LUCE E L’OTTICALA LUCE E L’OTTICALa luce è un’onda? Cosa c’entra la luce con le onde?
La radiazione luminosa si comporta come un’onda: subisce riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione!
Vibrazione di un campo elettromagnetico
Un campo elettromagnetico ha una frequenza e una lunghezza d’onda .
L’occhio è sensibile ad un certo intervallo di
• Onde Radio: 0.1m<λ<104m usate in comunicazioni radio e tv, prodotte da antenne
• Microonde: 10-4m< λ<0.3m adatte a radar, forni microonde• Infrared waves: 7 x 10-7 m<λ<1mm, prodotte da corpi caldi sono
facilmente assorbite dalla maggior parte dei materiali. Usate in telecomandi ecc.
• Luce visibile: 4 x 10-7 m<λ< 7 x 10-7 m, parte dello spettro cui l’occhio umano è sensibile, corrisponde al minimo assorbimento da parte dell’acqua (ragione evoluzionistica: veniamo dall’acqua). Prodotte da oggetti incandescenti ma anche da transizioni atomiche (LED).
• Luce Ultravioletta: 6 x10-10 m<λ< 4 x 10-7 m, prodotta abbondatemente dal sole, assorbita dall’ozono nella stratosfera
• Raggi X: 10-12 m<λ<10-8 m, prodotti da elettroni decelerati su bersaglio metallico, hanno lunghezza d’onda simile a distanze interatomiche nei cristalli
• Raggi Gamma: 10-14 m<λ<10-10 m, emessi da nuclei radioattivi, alto potere penetrante, molto pericolosi
Immagini ottenuteguardando un oggetto indifferenti porzioni dellospettro può dareinformazioni diverseperchè onde di freq.diversa hanno originediversa
Nebulosa delGranchio vista conraggi X, luce visibile, onde radio, infrarosso(immagini rielaborate alcomputer)
Sorgenti di radiazione luminosa
“Ogni corpo a temperatura T emette radiazione elettromagnetica a diversa (legge di Planck)”
SorgentiSorgenti
Primarie = corpi che emettono luce propria
Secondarie = corpi che emettono luce riflessa
La velocità della luce
Sembra che v = , propagazione istantanea (Galileo)
ROEMER (fine 1600): velocità finita anche se molto grande (eclissi Io)
FIZEAU (fine 1800): misura v luce con un esperimento
c = 299.792.458 m/s
OTTICA GEOMETRICA
Si occupa della costruzione delle immagini prodotte dagli strumenti ottici = corpi che sfruttano i fenomeni della riflessione e della rifrazione
LA RIFLESSIONE DELLA LUCELA RIFLESSIONE DELLA LUCE
Quando un raggio luminoso colpisce corpo opaco levigato viene rinviata all’indietro (specchi)
Onda incidente
Onda riflessa
i
r
normale
RIFLESSIONE SPECULARErugosità hanno dimensioni piccolerispetto alla lunghezza d’onda
RIFLESSIONE DIFFUSA
LEGGE DELLA RIFLESSIONE
i = r
L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione (formati rispetto alla normale)
GLI SPECCHICostruzione geometrica dell’immagine per specchi piani e non
CONVENZIONI
p q
y y’
I = y/y’ = ingrandimento
L’immagine è VIRTUALE perché formata dal prolungamento dei raggi riflessi
SPECCHIO PIANOSPECCHIO PIANO
Caso immagine estesa Inversione dx/sx
Per specchi piani I = 1 sempre!
SPECCHIO SFERICOEs. specchi stradali e telescopi riflettori
CV F
V vertice dello specchio
C centro di curvatura
r raggio di curvatura: r > 0, specchio concavo, r < 0, specchio convesso
F fuoco dello specchio: VF = f = distanza focale = r/2
= apertura dello specchio
Asse ottico
Proprietà
Ogni raggio proveniente da una sorgente infinitamente lontana (parallelo all’asse ottico) viene riflesso sul fuoco F se è suffic. piccolo (condizione di Gauss).
Ogni raggio passante per F è riflesso parallelo all’asse ottico
V F
Asse ottico
La condizione è approssimata perché nella realtà l’immagine è focalizzata diversamente a seconda della distanza dall’asse ottico
V F
Asse ottico
marginale
parassiale
I raggi marginali sono riflessi più verso il vertice = ABERRAZIONE DI SFERICITA’
Uno specchio parabolico è meno affetto dall’aberrazione
COSTRUZIONE DELL’IMMAGINE
Caso specchio concavo
CV F
f r
pq
fqp111
Eq. dei punti coniugati
fpfI
Ingrandimento
LA RIFRAZIONE DELLA LUCE
v è diversa a seconda del mezzo entro cui la luce si propaga
v nel vuoto = c
v mezzo < c
Se la luce proviene da un mezzo 1 e passa entro mezzo 2 di diversa natura, si ha un brusco cambiamento di v
Cambia la v di propagazione ma non
1 2
2 è otticamente più denso di 1, ossia v2<v1
Il raggio che emerge da 2 è PIU’ VICINO ALLA NORMALE
ir
i = angolo di incidenza e r = angolo di riflessione
CHE LEGGE?
INDICE DI RIFRAZIONE
ii v
cn Rapporto fra c e la velocità della luce nel mezzo!
LEGGE DELLA RIFRAZIONE [legge di Snell]LEGGE DELLA RIFRAZIONE [legge di Snell]
rnin sinsin 21
Velocità della luce nei materialivelocità media della luce in un mezzo è v<c acausa dei processi di assorbimento e riemissioneda parte degli atomi n= c/v indice di rifrazione
Altra formulazione
1
2
1
2
sinsin
vv
nn
ri
Rapporto fra le vel. di propag.
AH
K
B
2
1
vv
BKAH
AH/BK è costante e dipende solo dalla natura dei due mezzi
LENTI O DIOTTRI
Dispositivi che deviano la luce in base alla legge della rifrazione
LENTI
CONVERGENTI
DIVERGENTI
LENTE CONVERGENTE
F2F1
2 FUOCHI simmetrici2 FUOCHI simmetriciRaggio incidente
Raggio emergente
C
F2 = fuoco virtuale, F1 = fuoco reale
f = distanza focale
Ogni raggio parallelo all’asse ottico è rifratto sul fuoco realef
fP 1
POTERE DIOTTRICO (si misura in diottrie)
COSTRUZIONE IMMAGINE PER LENTE CONVERGENTE
p q
fqp111
Equazione dei punti coniugati per lente convergente
Immagine reale, capovolta e rimpicciolita
LENTE DIVERGENTELENTE DIVERGENTE
F2 F1
Raggio incidente
Raggio emergente
C
F2 = fuoco virtuale, F1 = fuoco reale
f = distanza focale
Ogni raggio parallelo all’asse ottico è rifratto in modo tale che il suo prolungamento passi per il fuoco virtuale
f
fP 1
POTERE DIOTTRICO (si misura in diottrie)