Studio di sorgenti luminose variabili nel tempo

Laboratorio di Fisica 3
Studio di sorgenti di luce variabili nel tempo
L’intensità di una sorgente luminosa può variare nel tempo, sia su una scala dei tempi molto breve
che molto lunga. Un esempio del primo tipo è dato dalla variazione di luminosità in una sorgente
luminosa alimentata da corrente alternata a 50 Hz (ad esempio una piccola lampada a
incandescenza), mentre un esempio del secondo tipo può essere fornito dalla variazione di
luminosità ambientale nel corso di una giornata.
L’utilizzo di un sensore di luce, capace di campionare l’intensità luminosa di una sorgente a
intervalli prefissati di tempo, consente di studiare fenomeni sia del primo che del secondo tipo, in
un ampio intervallo di scale temporali.
Sono qui descritte alcune attività sperimentali che possono essere condotte con l’utilizzo di un
sensore di intensità luminosa collegato ad un’interfaccia PASCO per la raccolta, la visualizzazione
e l’analisi dei dati.
1. Osservazione delle oscillazioni periodiche di luminosità a 50 Hz in una lampada al neon
Materiale occorrente: Sensore di intensità luminosa e interfaccia PASCO
Modo di operare:
- Stabilire delle condizioni opportune per il campionamento dei dati (frequenza di raccolta e
sensibilità del sensore), tenendo conto della frequenza (50 Hz) che si vuole mettere in
evidenza e della distanza tra il sensore e la sorgente luminosa.
- Dirigere il sensore verso la sorgente luminosa (in questo caso uno dei neon di illuminazione
del laboratorio montati nel tetto) ed effettuare una raccolta dati per alcuni secondi.
- Verificare l’andamento dell’intensità luminosa in funzione del tempo e misurare la distanza
temporale tra due picchi successivi, estraendo la frequenza del fenomeno.
- Osservare la forma degli impulsi e verificare se seguono un andamento di tipo sinusoidale.
- Modificare la distanza tra sensore e sorgente luminosa, osservando di volta in volta il valore
dell’intensità (altezza dei picchi).
- Effettuare una raccolta dati variando rapidamente durante la misura la distanza sensoresorgente, per mettere in evidenza le variazioni dell’intensità su una scala di tempi
dell’ordine del secondo, anziché quelle periodiche dovute alla corrente alternata (scala dei
tempi dell’ordine di 0.01 s).
2. Osservazione degli impulsi luminosi in un LED pulsato.
Materiale occorrente: LED pulsato a frequenza variabile, alimentatore bassa tensione, sensore di
intensità luminosa e interfaccia PASCO
Modo di operare:
- Alimentare il circuito con l’oscillatore e il LED collegandolo ad un alimentatore di bassa
tensione (rispettando le polarità) e regolare la tensione fino a vedere le oscillazioni del LED
(tensioni intorno a 5-9 V). La frequenza di oscillazione del LED può essere variata agendo
su un potenziometro montato nel circuito. Avvicinare il sensore di intensità luminosa in
prossimità del LED, schermandolo opportunamente dalla luce ambiente.
- Stabilire delle condizioni opportune per il campionamento dei dati (frequenza di raccolta e
sensibilità del sensore), tenendo conto della frequenza di oscillazione del LED (valutabile
visivamente in modo approssimato) e della distanza tra il sensore e il LED.
-
Effettuare una raccolta dati per alcuni secondi.
Valutare la frequenza di oscillazione del LED dalla distanza tra impulsi di luce successivi.
Osservare la forma degli impulsi luminosi (simili ad un’onda quadra) e misurare
quantitativamente il tempo di salita e di discesa del segnale.
Ripetere le procedure descritte in precedenza variando la frequenza di oscillazione del LED.
3. Osservazione delle variazioni di intensità luminosa in una lampada a bassa tensione
alimentata in corrente alternata
Materiale occorrente: Lampada alimentata a bassa tensione, alimentatore in corrente alternata
a (bassa) tensione variabile, sensore di luce, sensore di tensione, interfaccia PASCO
Modo di operare:
- Alimentare la lampada a tensione molto bassa, in modo da vedere a stento illuminato il
filamento, e misurare contemporaneamente la tensione ai capi della lampada e l’intensità
luminosa (schermando opportunamente sensore e lampada dalla luce ambientale), in modo
da osservare le variazioni di luminosità (a 50 Hz) sovrapposte al valore medio dell’intensità
luminosa.
- Aumentare la tensione di alimentazione della lampada (entro la tensione max sopportata da
quest’ultima) e ripetere la misura, osservando come stavolta le variazioni di intensità
luminosa possono essere trascurabili rispetto al valore medio.
4. Studio della frequenza di refresh in un monitor tradizionale a raggi catodici
Materiale occorrente: Monitor a raggi catodici (lo stesso del PC utilizzato per il programma di
gestione Science Workshop), sensore di intensità luminosa e interfaccia PASCO
Modo di operare:
- Effettuare una raccolta dati con il sensore di luce posto in prossimità di una zona bianca del
monitor del PC, con una frequenza di raccolta dati opportunamente alta (alcuni kHz), e
osservare la struttura dei picchi di intensità luminosa nonché la distanza tra di essi. Estrarre
da questa distanza temporale tra picchi successivi la frequenza e confrontarla con la
frequenza di refresh impostata nel monitor.
- Analizzare in dettaglio uno dei picchi, e valutare il tempo di salita e il tempo di decadimento
della intensità luminosa.
- Effettuare due misure, una con il sensore posto a contatto diretto con lo schermo e l’altro
con il sensore posto a circa 10 cm di distanza, e confrontare la forma degli impulsi luminosi
ottenuti nei due casi. Interpretare i risultati.