Autore: Stefan Heusler, Annette Lorke
E-mail: [email protected]
Video: QED – Materia, luce e vuoto
Clip dal video: Capitolo 1b, Parte tecnica
Regia: Stefan Heusler
Produzione: Sciencemotion, www.sciencemotion.de
Scientific level – Spiegazione per insegnanti
Se la luce colpisce la superficie tra due mezzi aventi indici di rifrazione n 1 e n2, parte
della luce viene riflessa e parte rifratta. La riflessione segue la legge “angolo di
incidenza = angolo di riflessione”, dal momento che il cammino di luce deve essere
reversibile.
La velocità della luce in un mezzo è data da v = c/n, essendo c la velocità della luce
nel vuoto (c ≈ 299,792 km/s). Dal principio di Fermat si può facilmente ricavare la
legge di Snellius per la luce rifratta minimizzando la funzione T[x]. Nel film, la funzione
T[x] è definita come il tempo impiegato dalla luce per andare da A a B attraverso il
punto x posto sul bordo.
Il minimo dT[x]/dx = 0 corrisponde
alla legge di Snellius:
Il principio di Fermat non può
essere applicato solo alla legge
della rifrazione nel mezzo acqua,
ma anche a tutti i tipi di mezzi come
le lenti ottiche. Tuttavia, l’indice di
rifrazione n dipende fortemente
dalla lunghezza d’onda λ della luce.
In acqua liquida e nel vetro, l’indice di rifrazione della luce blu è minore rispetto
all’indice di rifrazione della luce rossa, n(λblue) < n(λred). In altre parole, la luce blu nel
vetro si propaga più velocemente della luce rossa. Per questo motivo un prisma divide
la luce bianca nei colori dell’arcobaleno.
Anche il cammino della luce rifratta deve essere reversibile. A differenza della legge
della riflessione, si rompe la simmetria tra il raggio di luce entrante e quello uscente
perché gli angoli β e α sono diversi. Se la luce passa da una regione otticamente
densa ad un’altra otticamente meno densa, può essere totalmente riflessa se l’angolo
di incidenza β è maggiore dell’angolo critico:
Nelle applicazioni tecniche la riflessione totale viene sfruttata per la trasmissione di
dati usando cavi a fibra ottica. In accordo con la riflessione totale, la frequenza e la
frequenza trasportata modulata in ampiezza sono trasmesse su grandi distanze senza
alcuna perdita. La frequenza trasportata nei comuni cavi a fibre ottiche si trova nella
regione del GHz (microonde). Possono essere trasmessi più bit per secondo se le
frequenze trasportate sono maggiori.
1
La generalizzazione del principio di Fermat in
meccanica quantistica è discussa nel capitolo 1d
(interferenza).
Siti web sulla rifrazione:
http://en.wikipedia.org/wiki/Refraction (in inglese); http://it.wikipedia.org/wiki/Rifrazione
(in italiano)
http://en.wikipedia.org/wiki/Refraction_index (in inglese);
http://it.wikipedia.org/wiki/Indice_di_rifrazione (in italiano)
http://en.wikipedia.org/wiki/Fibre_optic_cable (in inglese);
http://it.wikipedia.org/wiki/Fibra_ottica (in italiano)
2
