Fisica : saperi minimi (onde)– prof. Angelo Vitiello
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Le onde
L’onda è una perturbazione che si propaga trasportando energia ma non materia. Esse
possono essere propagate sia attraverso un mezzo materiale (l’acqua, una molla) sia nel vuoto
(la luce).
Le onde si distinguono per la grandezza fisica le cui oscillazioni si propagano da un punto
all’altro dello spazio.
A seconda delle caratteristiche, le onde si classificano in:
• Onde elastiche;
• Onde longitudinali o trasversali;
• Onde periodiche
• Onde armoniche
Andiamo a vedere in dettaglio le caratteristiche di questi tipi di onde.
Onde elastiche
Un’onda elastica è un’onda che si propaga grazie alle proprietà elastiche del mezzo
materiale che le fa da supporto, quindi nei solidi o nei fluidi.
Se colpiamo una membrana tesa (per esempio quella di un tamburo), dal punto in cui avviene
la percussione si irradiano onde circolari, che sono generate dall’elasticità della membrana. La
grandezza che oscilla è la posizione dei punti della membrana.
Le onde sull’acqua non sono elastiche, ma sono dovute al peso dell’acqua stessa e al fatto che
essa è incompressibile. Per questa ragione la quantità d’acqua che sale a formare una cresta
deve essere arrivata in quella posizione provenendo dai due avvallamenti che le stanno
accanto.
Onde trasversali
Un’onda è trasversale quando gli elementi del mezzo materiale si spostano
perpendicolarmente al moto dell’onda.
L’arrivo di un treno in stazione è preceduto da onde trasversali che si propagano sui fili della
linea elettrica e si sentono come un netto fruscio.
Onde longitudinali
Un’onda è longitudinale quando gli elementi del mezzo materiale si spostano
parallelamente al moto dell’onda.
Un esempio di onda longitudinale è l’onda sonora generata da compressioni o rarefazioni del
mezzo in cui si propaga. L’onda sonora non può propagarsi nel vuoto.
Come tutte le onde anche l’onda sonora ha una velocità che dipende dal materiale in cui essa
si propaga e da altre caratteristiche come ad esempio la pressione e la temperatura. Nell’aria
secca vale circa 332 m/s, nell’acqua circa 1400 m/s e nel ferro circa 5000 m/s.
Onde periodiche
Si dice periodica un’onda che si ripete
identica dopo un intervallo di tempo
costante.
L’onda periodica possiede sempre:
• Una lunghezza d’onda λ che è la minima
distanza dopo la quale un’onda periodica
torna a riprodursi identica a se stessa.
• Un’ampiezza che è la differenza tra il
valore massimo della grandezza che
oscilla e il valore di equilibrio.
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• Un periodo T, ossia l’intervallo di tempo che un punto del mezzo materiale impiega a
compiere una oscillazione completa.
• Una frequenza f che indica il numero di oscillazioni che l’onda descrive nell’unità di
tempo, cioè in 1 secondo.
Nell’intervallo di tempo di un periodo l’onda percorre la distanza di una lunghezza d’onda.
Quindi l’onda periodica si propaga alla velocità:
Onde armoniche
Un’onda è armonica quando i punti del mezzo materiale in cui essa si propaga si
muovono di moto armonico (il morto armonico è un moto composto, costituito da un moto
uniforme e un moto circolare uniforme).
La legge delle onde armoniche in un punto fissato è
0)
0)
dove:
•
•
•
y è la posizione verticale del punto rispetto alla quota di equilibrio della corda;
a è l’ampiezza dell’onda;
T è il periodo;
•
•
•
0=
0 si
0,
cioè l’argomento della funzione coseno, si chiama fase dell’onda;
chiama fase iniziale dell’onda perché è il valore della fase all’istante t=0s;
è la pulsazione del moto armonico.
La legge delle onde armoniche in un istante fissato è :
0)
La diffrazione od interferenza è un importante
fenomeno associato alla deviazione della traiettoria di
propagazione delle onde quando queste incontrano un
ostacolo sul loro cammino. Schematicamente possiamo dire
che l’onda da una sorta di "frazionamento in più parti" È
tipica di ogni genere di onda, come il suono, le onde sulla
superficie dell'acqua o le onde elettromagnetiche come
la luce o le onde radio (la diffrazione si verifica anche nelle
particolari situazioni in cui la materia mostra proprietà ondulatorie, in
accordo con la dualità onda-particella, vedi paragrafo luce).
Non c’è nessuna differenza tra interferenza e diffrazione : si tratta dello stesso fenomeno
fisico. Semplicemente, nella diffrazione si assume che le possibili sorgenti che interferiscono
tra di loro siano molto numerose
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Il Suono
- Le onde sonore
Il suono è una perturbazione che si propaga nello spazio senza spostamento del mezzo in cui si
propaga. Per esempio se stiamo in una stanza con la porta socchiusa, sentiamo solo ciò che
accade in una stanza vicina. La sorgente del suono è un corpo che vibra. Infatti,per esempio,se
colpiamo una pentola con un cucchiaio,sentiamo un suono e contemporaneamente vediamo che
la pentola vibra,e se la tocchiamo essa smette di vibrare e il suono finisce.
Il suono è un’onda longitudinale, generata da compressioni e rarefazioni del mezzo in cui si
propaga. Quindi il suono è generato da una variazione della pressione dell’aria o della sua
densità,che arriva fino alle nostre orecchie.
Il suono si può propagare in un mezzo materiale,ma non nel vuoto. Per esempio,se mettiamo un
campanello elettrico in una campana di vetro collegata ad una pompa che fa il vuoto,notiamo
che quando c’è aria nella campana sentiamo il suono del campanello, mentre quando facciamo
il vuoto non sentiamo più niente.
Come tutte le onde anche il suono ha una sua velocità,che dipende dal materiale in cui esso si
propaga e da altre caratteristiche (temperatura, pressione, ecc..). In aria secca,il suono ha una
velocità: v=332m/s.
- I limiti di udibilità
Non tutte le onde sonore sono percepite dal nostro sistema orecchio-cervello. Per essere
udibile,un’onda sonora deve avere una frequenza compresa tra 20Hz e 20000Hz. A frequenze
inferiori,corrispondono gli infrasuoni e a quelle superiori corrispondono gli ultrasuoni,che noi
non sentiamo ma possono sentire solo alcuni animali.
- L’eco
Può capitare di sentire la nostra voce che sembra venire da lontano. Questo fenomeno si chiama
eco. L’eco è dovuto alla riflessione delle onde sonore,cioè al fatto che il suono si comporta
come se rimbalzasse contro un ostacolo. L’onda sonora percorre due volte la distanza d tra noi
e la parete,e impiega un tempo t=2d/v (v è la velocità del suono).
-L’effetto Doppler
Secondo l’effetto Doppler la frequenza di un’onda rilevata da un ricevitore in movimento
rispetto alla sorgente dell’onda,è diversa da quella rilevata da un ricevitore fermo rispetto alla
sorgente. Per esempio,quando l’ambulanza si muove verso di noi,sentiamo che la sirena emette
un suono più acuto rispetto a quello che sentiamo quando l’ambulanza è ferma,e quando si
allontana il suono è più grave.
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La Luce
Nei scorsi due secoli la luce ha avuto una doppia interpretazione, alcuni sostenevano il
modello corpuscolare altri il modello ondulatorio: secondo il modello corpuscolare era un
flusso di piccole particelle, per quello ondulatorio era un’onda che si propaga come quelle
onde che si propagano nell’aria e gli esperimenti confermavano a volte l’uno e a volte l’altro.
Oggi sappiamo che la luce è sia un’onda elettromagnetica, cioè una perturbazione dei campi
elettrici e magnetici oscillanti, che si propaga anche nel vuoto (onda che con diverse frequenze
diventa anche radio, tv, raggi x, etc), ma anche un tipo di particella chiamata fotone che scoprì
Einstein.
La velocità della nel vuoto luce è
c =
3 x 108 m/s
Come per le altre onde la velocità dipende dal mezzo. Nei mezzi trasparenti la velocità della
luce e minore: il rapporto tra la velocità nel vuoto e quella v in un mezzo è detto indice di
(nell’acqua ad esempio è n =1,33 quindi la velocità della luce è 2,33 x 108 m/s)
rifrazione n = c/v
Nella disciplina che chiamiamo Ottica, semplifichiamo la luce interpretando il raggio
luminoso come una retta.
I corpi che emettono la luce sono detti sorgenti di luce.
La luce si propaga in modo retto e se incontra un corpo può generare un’ombra ed una penombra le cui
dimensioni dipendono dalla distanza alla quale si trova la sorgente luminosa.
In questa disciplina si studia la riflessione e gli specchi, la rifrazione e le lenti.
Le leggi della riflessione sono:
prima legge : il raggio incidente, il raggio riflesso e la perpendicolare alla superfice
riflettente giacciono nello stesso piano;
seconda legge: l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione,
Gli specchi piani riflettono un’immagine riflessa in posizione simmetrica all’oggetto.
Gli specchi curvi possono essere concavi e convessi: gli specchi concavi riflettono
immagini in posizioni che dipendono dalla posizione dell’oggetto e dalla loro curvatura.
La rifrazione è la deviazione di un raggio luminoso quando attraversa mezzi diversi.
(esempio del cucchiaino che appare spezzato se immerso nell’acqua).
Le leggi della rifrazione sono:
prima legge : il raggio incidente, il raggio rifratto e la perpendicolare alla superfice di separazione dei mezzi
(aria ed acqua ed esempio ) giacciono nello stesso piano;
seconda legge: il rapporto tra gli angoli incidente e rifratto è uguale al rapporto degli indici di rifrazione dei
due mezzi.
Le lenti sono corpi trasparenti delimitati da due superfici sferiche che producono immagini ingrandite o
rimpicciolite, a secondo della loro particolare curvatura.
Variamente disposte possono diventare cannocchiali o microscopi.
La luce bianca può essere
scomposta
nei
suoi
“colori
fondamentali” usando un prisma, e
sfruttando il fatto che il valore
dell’indice di rifrazione cambia al
variare della frequenza della
radiazione (dispersione cromatica)
Ciascun colore corrisponde ad
una particolare frequenza e, quindi
ad una particolare lunghezza
d’onda.
