Beatrice Luoni

1. Beatrice Luoni cl. IV G a.s. 2010/2011 Data: 01/05/11 Luogo: laboratorio di fisica del liceo Uso dell’ondoscopio

2. Indice Materiale utilizzato Premessa teorica Montaggio dell’esperienza Conclusioni

3. Materiale utilizzato • Ondoscopio • Trasformatore • Cavi • Fogli di carta • Specchio parabolico • 2 percussori sferici • Specchio piano • 3 blocchetti di metallo • Acqua • Consolle • Goniometro Specchio parabolico 2 percussori a pallina asticelle di metallo Specchio piano

4. Premessa teorica • L’onda è qualunque perturbazione che si trasmette nel tempo e nello spazio. • È caratterizzata da una lunghezza d’onda (λ) [m], ossia la distanza tra due creste successive, da una frequenza (f) [Hz], che indica il numero di forme d’onda complete che passano per un dato punto in un secondo, da un’ampiezza (A) [m],ovvero la distanza tra la cresta dell’onda e l’asse di propagazione e dal periodo (T), cioè il tempo impiegato da una forma d’onda completa per passare in un determinato punto. • La velocità di un’onda è data dal prodotto della sua lunghezza d’onda per al sua frequenza: v=λf [m/s], . • Il fronte d’onda: tutti i punti dell’onda che oscillano insieme • L’onda generata da una sorgente puntiforme è composta da una successione di fronti d’onda circolari. A una grande distanza dalla sorgente, una piccola porzione di uno di questi fronti può essere considerato con buona approssimazione un fronte d’onda piano.

5. Premessa teorica • Le onde vengono classificate sulla base di tre criteri: la direzione di propagazione, il numero di dimensioni del mezzo in cui si propagano e il tipo di propagazione. In base ad essi le onde sono suddivise in: • Onde trasversali, in cui l’oscillazione è perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda stessa. • Onde longitudinali in cui l’oscillazione è parallela alla direzione di propagazione dell’onda stessa. • Onde monodimensionali dove la vibrazione avviene in una sola dimensione. • Onde bidimensionali dove vibrazione avviene in due dimensioni. • Onde tridimensionali dove la vibrazione avviene nelle tre dimensioni dello spazio. • Onde sferiche quelle in cui i fronti d’onda sono sferici. • Onde piane quella in cui i fronti d’onda sono retti o piani. • Il principio di Huyghens-Fresnel sostiene che ogni punto, colpito da un’onda qualsiasi, diventa a sua volta sorgente di onde sferiche.

6. Premessa teorica • Si ha il fenomeno della riflessione quando l’onda incontra la superficie di separazione tra due mezzi e si riflette sul primo mezzo. Leggi della riflessione: • 1. L’angolo d’incidenza è uguale all’angolo di riflessione. • 2. Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente sono complanari. • Si dice riflessione totale quando l’angolo d’incidenza supera l’angolo limite (minimo angolo di incidenza), in prossimità del quale l’angolo di rifrazione diventa uguale a 90° e l’onda torna totalmente nel primo mezzo. • Si ha il fenomeno della rifrazione quando l’onda passa dal primo al secondo mezzo, consiste quindi in una variazione di direzione di propagazione di un’onda, che si verifica in corrispondenza della superficie di separazione tra due mezzi. Leggi della rifrazione: • Il raggio incidente, il raggio rifratto e la normale alla superficie riflettente sono complanari. • Il rapporto tra il seno dell’angolo d’incidenza e il seno dell’angolo di rifrazione è costante ed è pari al rapporto tra le velocità dell’onda nei due mezzi.

7. Premessa teorica • Si ha il fenomeno dell’interferenza quando due o più onde si sovrappongono , in un punto dello spazio. • Si dicono sorgenti coerenti due sorgenti che producono due onde che hanno la stessa ampiezza, lunghezza d’onda e fase. • Il principio di sovrapposizione governa il comportamento di due onde che interferiscono. Se le due onde hanno spostamenti concordi nel punto in cui si incontrano, l’ampiezza dell’onda complessiva è maggiore di quella di ciascuna delle due onde di partenza, è si ha interferenza costruttiva. Se viceversa le due onde hanno spostamenti discordi, l’ampiezza dell’onda complessiva è minore di quella delle due onde di partenza e si ha interferenza distruttiva.

8. Premessa teorica • Si ha il fenomeno della diffrazione quando un’onda deborda oltre i margini di un ostacolo che essa ha incontrato sul suo cammino. Quando l’apertura ha dimensioni prossime alla lunghezza d’onda delle onde, la diffrazione produce onde circolari, invece quando l’apertura è molto maggiore produce onde piane. • Si ha il fenomeno della diffusione quando c’è la riflessione della luce da parte di una superficie scabra. • Si ha il fenomeno della dispersione quando c’è la separazione delle lunghezze d’onda da parte di un fenomeno di riflessione o di rifrazione anche se perlopiù di rifrazione.

9. Premessa teorica ONDOSCOPIO: L'ondoscopio è uno strumento che permette di studiare facilmente i fenomeni ondulatori. Esso è composto da una vaschetta con fondo in plexiglass trasparente, sopraelevata rispetto al bancone del laboratorio mediante zampe di metallo; in essa si versa dell'acqua, poi si pone a pelo della superficie del liquido una bacchetta metallica orizzontale sostenuta da elastici, sopra la quale è montato un motorino dotato di massa eccentrica (l’asse di rotazione non passa per il baricentro) . Il motore per mezzo di un cavo è collegato ad una console, grazie alla quale è possibile regolare la velocità del motore e della ventola (che funziona da otturatore)dello stroboscopio, ed è alimentato a corrente continua. Lo stroboscopio è costituito da un proiettore, collegato al trasformatore ed alimentato a corrente alternata (6 Volt), e da una ventola. La ventola passando davanti al proiettore fa avere luce ad intermittenza, generando così lampi di luce ad intervalli regolari. Lo stroboscopio ci permette di fermare l’immagine, perché attraverso la console si può riuscire a regolare la frequenza del motore e quella dello stroboscopio in modo tale che coincidano e così si vedono i fronti d’onda fermi.

10. Premessa teorica ONDOSCOPIO: Stroboscopio formato da proiettore e ventola Motore elettrico Console Trasformatore Superficie di proiezione

11. Montaggio dell’esperienza • Montare il dispositivo come spiegato nella premessa teorica. • Collegare la console alla corrente continua e il trasformatore collegato al proiettore alla corrente alternata. • Utilizzando le manopole della console regolare le due frequenze in modo tale che coincidano e si possano così vedere i fronti d’onda fermi. • Utilizzare il vario materiale a disposizione per provocare vari effetti ottici, che si possono poi o fotografare sul piano del bancone o disegnare su un foglio, ricalcando il disegno proiettato.

12. Esperienza n°1: PRODUZIONE DI ONDE PIANE: Dopo aver acceso il motore elettrico, posizionato l’asta che lo supporta a livello della superficie dell’acqua ed essere riusciti a far coincidere le frequenze del motore con quelle dello stroboscopio si possono osservare delle onde piane. Le linee che si formano sono tutte parallele e quelle scure corrispondono alle creste dell’onda mentre quelle chiare al ventre. Misurando la distanza tra le due linee scure è possibile arrivare alla lunghezza d’onda, però bisogna considerare il fatto che il proiettore ha mutato le dimensioni reali, aumentandole.

13. Esperienza n°2 TRASFORMAZIONE DI ONDE PIANE IN ONDE CIRCOLARI: Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 lo specchio parabolico, appoggiandolo nella vaschetta di plexiglass. Come si può notare dalla foto le onde piane incontrando lo specchio parabolico divengono circolari, e si concentrano nel fuoco della parabola, è lo stesso fenomeno che avviene nelle antenne paraboliche.

14. Esperienza n°3 PRODUZIONE DI ONDE CIRCOLARI: Dopo aver acceso il motore elettrico, agganciato il percussore a pallina all’asta che supporta il motore, aver posizionato l’estremità del percussore a livello della superficie dell’acqua ed essere riusciti a far coincidere nuovamente le frequenze del motore con quelle dello stroboscopio si possono osservare delle onde circolari. Le circonferenze che si formano sono tutte concentriche e quelle scure corrispondono alle creste dell’onda mentre quelle chiare al ventre.

15. Esperienza n°4 TRASFORMAZIONE DI ONDE CIRCOLARI IN ONDE PIANE: Aggiungere al sistema dell’esperienza n°3 lo specchio parabolico, appoggiandolo nella vaschetta di plexiglass e facendo in modo che la curvatura dello specchio corrisponda il più possibile alla linea che delinea le circonferenze. Anche se non si nota molto dalla foto le onde circolari incontrando lo specchio parabolico divengono piane è lo stesso fenomeno che avviene nei fari delle automobili.

16. Esperienza n°5 RIFLESSIONE DELLE ONDE MEDIANTE SPECCHIO PIANO: Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 una barretta metallica diritta, non parallela alla direzione delle onde, che fa da specchio piano. Si possono così vedere le onde piane riflesse dalla barretta metallica. Riportando tutto, ovvero la linea dello specchio, la normale, il raggio d’incidenza e il raggio riflesso su un foglio di carta si può poi verificare con un goniometro come l'angolo d'incidenza risulti congruente all'angolo di riflessione, secondo le leggi della riflessione. 

17. Esperienza n°6 PRODUZIONE DI DIFFRAZIONE ATTRAVERSO UNA FENDITURA: Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 due asticelle poste sulla stessa retta, parallela ai fronti d’onda, con un piccolo spazio tra di esse (deve essere inferiore della lunghezza d’onda) si può così osservare il fenomeno della diffrazione che produce onde circolari.

18. Esperienza n°7 PRODUZIONE DI DIFFRAZIONE ATTRAVERSO UNA FENDITURA: Disporre l’attrezzatura con nell’esperienza n°6, ma lasciare uno spazio maggiore tra le due asticelle, in modo che esso sia maggiore della lunghezza d’onda. Si può osservare così come la diffrazione ci sia solo in prossimità dei bordi dell’apertura.

19. Esperienza n°8 PRODUZIONE D’ INTERFERENZA MEDIANTE DOPPIA FENDITURA: Aggiungere al sistema dell’esperienza n°1 tre asticelle poste sulla stessa retta, parallela ai fronti d’onda, con un piccolo spazio tra di esse (deve essere inferiore della lunghezza d’onda) si può così osservare il fenomeno dell’interferenza. Infatti le due fenditure divengono due sorgenti coerenti che producono onde circolari che si sovrappongono creando interferenze distruttive e costruttive e si possono osservare nitidamente le frange di quest’ultime aventi entrambe la forma di iperboli equilatere.

20. Esperienza n°9 PRODUZIONE D’ INTERFERENZA TRA DUE ONDE CICOLARI: Dopo aver acceso il motore elettrico, agganciato due percussori a pallina all’asta che supporta il motore, aver allineato l’estremità dei percussori a livello della superficie dell’acqua ed essere riusciti a far coincidere nuovamente le frequenze del motore con quelle dello stroboscopio si può osservare il fenomeno dell’interferenza. Le onde circolari come nell’esperienza n°8 si sovrappongono e sono nuovamente visibile le frange dell’interferenza costruttiva e di quella distruttiva, aventi la forma di un’iperbole equilatera.

21. Conclusioni Abbiamo così potuto osservare attraverso l’ondoscopio (nonostante alcune imprecisioni e le difficoltà ad eguagliare la frequenza del motore a quella dello stroboscopio per vedere le onde ferme) i fenomeni della riflessione, diffrazione ed interferenza e verificarne praticamente le leggi studiate teoricamente in classe. Fonti

22. Fonti Sito internet: www.fmboschetto.it