Prof. Gian Piero Pugliese
Lezioni di Fisica
Il miraggio
Fin dai tempi più remoti, il miraggio è stato un fenomeno che ha
destano nell’uomo paura e al tempo stesso meraviglia, proprio
perché non conosciuto come una qualsiasi altra manifestazione della
natura.
Oggi il miraggio non suscita paura, continua però a meravigliare con
immagini che a volte spettacolari.
Ma cos’è il miraggio ?
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È un fenomeno fisico
che si verifica in determinate condizioni
atmosferiche, direttamente dipendenti dalla
densità dell’aria e dalla temperatura che
influenza la densità dell’aria.
detto anche illusione ottica che mostra gli oggetti
in una posizione diversa da quella dove essi
sono realmente collocati.
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r
s
un raggio di luce (retta r) è riflesso dallo
strato caldo del terreno (retta s).
L’osservatore vedrà l’oggetto nella
direzione della retta s.
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per comprendere correttamente
il miraggio è necessario
conoscere due fenomeni di
ottica
la riflessione
e
la rifrazione
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La riflessione
È un fenomeno fisico che si verifica
quando un raggio di luce, proveniente da
una sorgente luninosa , incontra una
superficie piana speculare (specchio)
(NB1)
Il fenomeno è governato da due leggi:
leggi della riflessione.
NB1:con il termine sorgente luminosa si intende tanto una sorgente dotata di
luce propria (una lampada), quanto un oggetto illuminato che diffonde raggi
luminosi provenienti da un’altra sorgente.
Leggi della riflessione
1° legge
raggio incidente, raggio riflesso e normale alla superficie speculare,
stanno tutti sullo stesso piano.
2° legge
L’angolo che il raggio indicente forma con al normale, è uguale
all’angolo che il raggio riflesso forma con la normale.
normale al piano
ra
g
i=r
dello specchio
gi o
rif
le
r
ss
i
o
gg
a
r
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io
c
in
id
t
en
sorgente
e
specchio
La rifrazione
È un fenomeno fisico che si verifica quando un
raggio di luce attraversa la superficie che separa
due mezzi trasparenti di diversa densità (p.e.
aria-acqua).
Il fenomeno è governato da due leggi:
leggi della rifrazione.
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Leggi della rifrazione
1° legge
raggio incidente, raggio rifratto e normale alla superficie
dei due mezzi, stanno tutti sullo stesso piano.
2° legge
sen(i )
= nir
sen(r )
sorgente
i
aria
Il rapporto OP’/OQ’ è costante ed è uguale
nri, indice di rifrazione relativo ai due mezzi,
in questo caso aria - acqua .
Superficie di separazione
i è l’angolo che il raggio incidente forma con la normale (in
questo caso quello che si sposta nel mezzo aria.
r è l’angolo che il raggio rifratto forma con al normale (in
questo caso quello che si sposta in acqua).
raggio incidente
O
P’
acqua
acqua
Q
r
Riteniamo necessario precisare che:
sen(i)/sen(r)= indice rifrazione acqua/indice rifrazione aria
Q’
P
raggio
rifratto
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sorgente
P
aria
Q’
Superficie di separazione
raggio incidente
aria
O
Q’
Superficie di separazione
P’
acqua
acqua
P
raggio rifratto
O
P’
acqua
acqua
Q
Q
raggio incidente
raggio rifratto
sorgente
Fig. 01
Fig. 02
Quando il raggio di luce passa da un mezzo meno denso verso un mezzo più
denso, il raggio rifratto si avvicina alla normale (Fig. 01)
Quando il raggio di luce passa da un mezzo più denso verso un mezzo meno
denso, il raggio rifratto si allontana dalla normale (Fig. 02)
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Un primo esempio di
illusione ottica
prendiamo in esame la Fig.03. Una
sorgente luminosa (o corpo qualsiasi
che emette raggi di luce) si trova in
acqua (mezzo più denso dell’aria), nel
punto S. Consideriamo il raggio di luce
SO, nel punto di separazione (punto O),
il raggio SO subisce la rifrazione e si
propaga nel mezzo meno denso (aria)
lungo la direzione OR.
L’osservatore, dal punto R, vedrà
l’oggetto in S’, mentre l’oggetto
realmente si trova in S.
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Normale alla
superficie di
separazione
raggio rifratto
aria
O
Superficie di
separazione
acqua
acqua
raggio incidente
S’
R
sorgente
Fig. 03
S
La riflessione totale
È un fenomeno che si verifica
quando un raggio di luce incide
sulla superficie di separazione di
due mezzi trasparenti aventi
diversa densità (p.e. acqua-aria)
con un angolo di incidenza
maggiore dell’angolo limite.
Nel fenomeno della rifrazione,
l’angolo rifratto aumenta con
l’aumentare dell’angolo di
incidenza. Quando l’angolo di
incidenza supera un limite detto
appunto angolo limite, il raggio
non si rinfrange, ma si riflette
secondo le leggi della riflessione.
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aria
acqua
acqua
raggio riflesso
O
Superficie di separazione
î
Angolo di
incidenza
Angolo limite
sorgenti
Per angolo limite si intende un
angolo di incidenza î (colorato in
rosso) al quale corrisponde un
angolo rifratto pari 90° rispetto alla
normale. Per ogni coppia di mezzi
esiste un angolo limite.
Generalmente il fenomeno della riflessione
totale, avviene quando il raggio luminoso passa
da un mezzo avente indice di rifrazione
maggiore verso un mezzo con indice di rifrazione
minore.
Ci è necessario ancora comprendere un altro concetto
prima di dare una esauriente spiegazione del miraggio:
come varia la densità dell’aria
Il volume di una data massa d’aria varia con la temperatura per
come prevede la I° legge di Gay-Lussa (V=volume T=temperatura)
V = V0(1+αT)
a parità di massa la densità dell’aria diminuisce con l’aumentare del
volume d = m/V
poiché il volume aumenta con la temperatura, la densità dell’aria
diminuisce con l’aumentare della temperatura
d 1/T
Possiamo ora spiegare il miraggio
(esempio di miraggio inferiore)
r
s
normale
La zona sottostante la linea di separazione è molto calda a causa del calore che rilascia il
terreno, l’aria che si trova in questa zona ha densità bassa. Al contrario, l’aria che si
trova sopra la linea di separazione è più fredda e per questa ragione più densa di
quella sottostate. Se il raggio incidente (raggio r) supera l’angolo limite (disegnato in
rosso), si avrà la riflessione totale e l’osservatore vedrà l’oggetto secondo la direzione
della retta s, per come spiegato nella diapositiva “La riflessione totale”.
Un altro esempio
(esempio di miraggio superiore)
In questo caso l’aria meno densa la troviamo nella zona
sovrastante, quella più densa in quella sottostante. Il fenomeno della
riflessione totale si ripete analogamente come spiegato nella
diapositiva precedente, ma nella zona sottostante: l’oggetto sarà
visibile in alto.
Come varia la densità dell’aria
Riteniamo necessario precisare che quando il fenomeno della rifrazione
o della riflessione totale si verifica
tra due mezzi diversi tra loro e stabilmente densi (aria-acqua o ariavetro), l’indice di rifrazione è unico e i raggi incidenti e rifratti sono
rette.fig 01
in un mezzo a densità variabile (p.e. in aria), l’indice di rifrazione cambia
con la densità e il raggio rifratto risulterà essere una curva.(fig. 02)
fig. 02
fig. 01
i
aria
Q’
Superficie di separazione
Q
r
raggio rifratto
O
P’
acqua
acqua
P
Grazie della’attenzione
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