Ottica geometrica
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Ottica geometrica I raggi di luce Un raggio di luce è un fascio molto ristretto che può essere approssimato da una linea sottile. In un mezzo omogeneo, i raggi luminosi si propagano in linea retta Indice di rifrazione: rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e nel mezzo Velocità della luce In fisica, la velocità della luce è la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica, indicata tradizionalmente con la lettera c, dal latino celeritas ("velocità"), da quando nel 1894 fu così rappresentata da Paul Drude. Nel vuoto assume un valore pari a c=299 792,458 km/s La velocità della luce nel vuoto è una costante fisica indipendente dalla velocità dell'oggetto che emette la radiazione, e quindi dal sistema di riferimento utilizzato. Dal 21 ottobre 1983 si considera il valore c come esatto, ovvero senza errore, e a partire da esso si definisce la lunghezza del metro nel Sistema Internazionale. Secondo la relatività ristretta, c è inoltre la velocità massima a cui può viaggiare tutta l'informazione nell'universo, ed è la velocità nel vuoto di tutte le particelle senza massa e dei relativi campi Riflessione dei raggi luminosi Legge della riflessione: quando un raggio luminoso incide su una superficie riflettente Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente nel punto di incidenza giacciono sullo stesso piano L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione Riflessione speculare e riflessione diffusa Riflessione speculare: i raggi riflessi sono paralleli fra loro. Ciò accade se la superficie è ben levigata Riflessione diffusa: i raggi sono riflessi in direzioni diverse. Questo accade quando la superficie presenta degli avvallamenti Gli specchi piani Uno specchio piano è una superficie riflettente ben levigata e piana. L’immagine della sorgente che si forma oltre lo specchio non è reale ma virtuale: nel punto in cui si forma non arrivano i raggi emessi dalla sorgente L’immagine di una sorgente prodotta da uno specchio piano: È virtuale È dritta Ha le stesse dimensioni della sorgente Ha la stessa distanza dallo specchio della sorgente Riflessione totale Nel passaggio da un mezzo più denso a uno meno denso (per esempio dal vetro all'aria) la luce raggiunge la superficie di separazione con un angolo di incidenza superiore a un valore (caratteristico di ogni sostanza) detto angolo limite, nel quale il raggio viene completamente riflesso e non vi è rifrazione. Nel passare da un mezzo all'altro, la luce si allontana dalla perpendicolare alla superficie di separazione, quindi l'angolo di rifrazione è superiore all'angolo di incidenza. Dispositivi basati sulla riflessione totale Prismi: i prismi di vetro con angoli di 90°-45°-45° sono utilizzati in vari dispositivi per deviare o riflettere i raggi luminosi Fibre ottiche: una fibra ottica è un sottilissimo cilindro di materiale trasparente (di vetro o di plastica), il nucleo è formato da un materiale con indice di rifrazione maggiore di quello del mantello esterno. La luce viene trasmessa all’interno della fibra ottica attraverso continue riflessioni totali Fenomeni basati sulla riflessione totale Miraggi: in un mezzo non omogeneo la traiettoria di un raggio luminoso può essere curva perché l’indice di rifrazione cambia in modo graduale da punto a punto. Di conseguenza gli oggetti possono apparire deformati o collocati in posizioni diverse da quelle reali Fata morgana: i raggi di luce sono fortemente incurvati dal passaggio attraverso strati d'aria a temperature diverse, in condizioni di inversione termica, in cui la transizione tra gli strati è caratterizzata da un brusco gradiente termico, con la formazione di un condotto atmosferico. La rifrazione dei raggi luminosi Quando un raggio di luce incide sulla superficie di separazione di due mezzi trasparenti, si divide in due raggi: Un raggio riflesso nel mezzo da cui proviene il raggio incidente per il quale vale la legge di riflessione Un raggio trasmesso, detto raggio rifratto, che attraversa la superficie di separazione e si propaga nel secondo mezzo Legge della rifrazione di Snell Quando un raggio luminoso passa da un mezzo con indice di rifrazione n1 a un mezzo con indice di rifrazione n2 Il raggio incidente, il raggio rifratto e la normale nel punto di incidenza alla superficie di separazione dei due mezzi giacciono sullo stesso piano L’angolo di incidenza ϴ1 e l’angolo di rifrazione ϴ2 sono legati dalla relazione: n1senϴ1=n2senϴ2 Effetti legati alla rifrazione Oggetti immersi spezzati: i raggi provenienti dalla parte immersa dell’oggetto deviano, attraversando la superficie. I raggi rifratti sembrano provenire da punti posti più vicino alla superficie rispetto a quelli originali Effetti legati alla rifrazione (2) Minore profondità apparente: i raggi luminosi che giungono agli occhi sono stati deviati dalla rifrazione attraversando la superficie dell’acqua e perciò sembrano provenire da punti posti a una profondità minore di quella reale Effetti legati alla rifrazione (3) Lastre di vetro: quando guardiamo attraverso una finestra, i raggi che giungono ai nostri occhi hanno subito due rifrazioni passando dall’aria al vetro e poi dal vetro all’aria: eppure le immagini non sono deformate in modo apprezzabile. Ciò accade perché il raggio incidente sul vetro e il raggio uscente dal vetro sono paralleli.
