Facoltà di Studi Classici, Linguistici e della Formazione
SCIENZE DELLA FORMAZIONE PRIMARIA (LM-85 bis)
Lucia Quattrocchi
Didattica delle scienze (FIS/01)
8CFU
Le onde
Onda: perturbazione che si propaga nello spazio,
trasportando energia e quantità di moto, ma senza
trasporto di materia
La perturbazione
viene trasmessa, ma
l’acqua non si sposta
Appoggiando un tappo di sughero
sull’acqua e provocando un’onda si
nota che il tappo oscilla
verticalmente ma non ha
spostamenti orizzontali: la materia
non viene trasportata dall’onda!
L’onda, cioè la
deformazione, si
muove lungo la
corda. Tuttavia,
ciascun punto
della corda resta
dov’è e oscilla in su
e in giù
Le onde
Segnali trasmessi attraverso le onde
Acustici
luminosi
telefonici
radiofonici
televisivi
Viviamo in un mondo pieno di fenomeni ondulatori
Onde del mare
Forni a microonde
Raggi X
Terremoti
Luce
Classificazione delle onde
Onde meccaniche
Necessitano di un mezzo
per propagarsi e sono
prodotte perturbando
un punto del mezzo.
Esempi: corda tesa in
oscillazione, onda nello
stagno, suono
Onde elettromagnetiche
Sono prodotte da campi
elettrici e magnetici variabili
nel tempo e non necessitano
di un mezzo nel quale
propagarsi
si propagano anche nel vuoto
Esempi: la luce
Classificazione delle onde
Onde Longitudinali
lo spostamento delle singole particelle avviene nella stessa
direzione di propagazione dell’onda
Esempi: onde in una molla che viene compressa e allungata, suono
vibrazione
propagazione
Classificazione delle onde
Onde Trasversali
lo spostamento delle singole particelle avviene in direzione
perpendicolare a quella di propagazione dell’onda
Le onde radio, le onde luminose e le microonde sono esempi di onde
trasversali. Sono onde trasversali anche quelle che si propagano nelle
corde di strumenti musicali come la chitarra o il violino
vibrazione
propagazione
Caratteristiche di un’onda
Frequenza ( f )
Periodo ( T )
Ampiezza
Numero di oscillazioni al secondo (hz=1/s)
Durata di una oscillazione (sec)
T = 1 / f
Max distanza dalla posizione di equilibrio
È legata all’energia
Lunghezza d’onda ()
Velocità di
propagazione
(m/sec)
Distanza dopo la quale un’onda
si ripete (m)
Varia col mezzo
v = /T = · f
nel vuoto c = · f velocità della luce.
Caratteristiche di un’onda
distanza fra due
creste, distanza
percorsa in un
periodo T
PERIODO T:
cresta
tempo necessario
per un’oscillazione
completa!
Varia col mezzo
v = /T = · f
nel vuoto c = · f
velocità della luce.
t fisso
nodo
ventre
AMPIEZZA
LUNGHEZZA D’ONDA
x fisso
Caratteristiche di un’onda
Un’onda del mare, nella quale
le creste distano 3 metri ha
una lunghezza d’onda di 3
metri. Se le creste sono
sollevate di 1 m rispetto al
livello normale dell’acqua,
l’ampiezza è di 1 m
Il suono
Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali che si propagano
nei mezzi comprimibili o elastici.
Le particelle del mezzo subiscono spostamenti avanti e indietro
rispetto alle posizioni di equilibrio creando variazioni di densità e di
pressione, quindi zone di compressione seguite da zone di
rarefazione.
La velocità di propagazione del
suono è diversa a seconda del
mezzo in cui il suono si
propaga:
Aria (20°C): 344 m/s
Acqua (20°C): 1482 m/s
Acciaio: 5940 m/s
La velocità del suono
Il suono
Sensibilità
orecchio umano
infrasuoni
20Hz
Frequenze
rilevabili
dall’orecchio
umano
ultrasuoni
20.000 Hz
Caratteristiche del suono
Un suono è caratterizzato da:
Altezza: è rappresentata dalla frequenza. Per frequenze elevate un
suono è detto acuto, mentre è detto grave per frequenze basse;
Vibrazione di
frequenza
maggiore
SUONO ACUTO (“Alto”)
SUONO GRAVE (“basso”)
Vibrazione di
frequenza
minore
Timbro: è legato alla forma dell’onda. Suoni della stessa altezza possono
quindi avere timbri diversi,poiché caratterizzati da una diversa forma
dell’onda;
Caratteristiche del suono
Intensità: è l’energia trasportata dall’onda per unità di tempo e
per unità di superficie (W/m2). L’intensità del suono emesso da
una sorgente puntiforme diminuisce con il quadrato della
distanza
Quando il suono arriva
all’osservatore 2 la sua intensità è
diminuita!
I pipistrelli si servono di questa dipendenza
dell’intensità del suono dalla distanza per
localizzare oggetti di piccole dimensioni
Caratteristiche del suono
La risposta dell’orecchio umano alle diverse intensità è espressa
dal livello sonoro o livello di intensità del suono, una grandezza
la cui unità di misura è il bel (B). Comunemente si usa il
sottomultiplo decibel (dB).
La minima intensità percepibile dall’uomo è detta soglia dell’udibile
I0 = 10-12 W/m2 e corrisponde ad un livello di intensità pari a 0
dB. La massima intensità tollerabile dall’uomo è detta soglia di
dolore I = 1 W/m2 e corrisponde ad un livello di intensità di 120
dB. Moltiplicare l’intensità di un fattore 10 equivale ad addizionare
al livello sonoro 10 dB. Un suono che ci sembra due volte più forte
di un altro, in realtà, è dieci volte più intenso
Effetto Doppler acustico
La percezione del suono è dipendente anche dalla VELOCITA’
relativa della sorgente e dell’osservatore!
L’effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza
(e quindi della lunghezza d’onda) di un’onda percepita da un
osservatore se l’osservatore stesso o la sorgente sono in
movimento
Effetto Doppler acustico
Il medesimo effetto si osserva se la sorgente è ferma ed è
l’osservatore che si muove.
Per l’osservatore che si muove verso la sorgente con velocità
v il suono ha una frequenza f’(frequenza percepita) maggiore
di f (frequenza emessa dalla sorgente). Viceversa se si
allontanasse la frequenza f’ percepita sarebbe minore
rispetto a quella emessa dalla sorgente.
Eco
Quando un suono incontra una parete che non lo assorbe, esso viene
riflesso. Un ascoltatore posto nei pressi della sorgente riuscirà a
distinguere i suoni riflessi, e a riconoscerne i suoni emessi, se il tempo
impiegato dal suono per arrivare alla parete e tornare è abbastanza
lungo. Se la distanza dalla sorgente alla parete è d , tale tempo è:
La riflessione delle onde sonore avviene sempre, e in alcune circostanze
genera il fenomeno dell'eco. Nell'aria, l'eco si forma quando la distanza
tra la sorgente sonora e l'ostacolo è maggiore di 17m . Quando
l'ostacolo che riflette l'onda sonora è troppo vicino (a meno di 17m ), le
onde riflesse giungono all'orecchio quasi contemporaneamente a quelle
dirette e vi si sovrappongono: il nostro orecchio non riesce a distinguere
il suono che gli giunge direttamente dalla sorgente e il suono riflesso. E
il fenomeno del rimbombo.
Eco e Sonar
Un suono emesso verso il fondo
da un'imbarcazione, viene
riflesso dal fondo. L'onda
riflessa viene
rivelata ed elaborata da
opportune apparecchiature per
trovare la profondità ed altre
caratteristiche
del fondo.
La luce
Noi vediamo gli oggetti perché da essi partono radiazioni
luminose che giungono al nostro occhio Una SORGENTE
LUMINOSA emette luce propria, mentre gli OGGETTI
ILLUMINATI diffondono in tutte le direzioni la luce da cui
vengono investiti
Cos’è la luce?
Onda o corpuscolo??
Sembrerebbe proprio
che lo siano entrambe
Quindi la luce è un’onda elettromagnetica, un’ onda trasversale
che può propagarsi in un mezzo trasparente (aria, vetro, acqua)
ma anche nel VUOTO. La sua velocità nel vuoto è
C = 300 000 km / s
La luce proveniente dal sole impiega circa 8 minuti
per arrivare a noi.
150 milioni di km -> 8 minuti
Sole
Terra
La luce è un’onda
lunghezza d’onda (λ)
B
ampiezza
La radiazione elettromagnetica trasporta
un’energia che aumenta al diminuire della sua
lunghezza d’onda
Come si propaga la luce
oggetto opaco
Sorgente
puntiforme
ombra
cono d’ombra
penombra
C
Sorgente
estesa
P
ombra
Come si propaga la luce
La luce si propaga almeno in un
ambiente trasparente e omogeneo
seguendo rette uscenti dalla sorgente
detti raggi luminosi. L’insieme dei raggi
che passano per le aperture forma un
fascio.
Gli oggetti a seconda del materiale di cui sono fatti si comportano in modo
diverso quando vengono illuminati.
Trasparenti: se lasciano passare la luce e vedere gli oggetti che stanno
dietro (es. vetro)
Opachi: se non lasciano passare la luce e nascondono gli oggetti(es. legno)
Traslucidi: se lasciano passare solo in parte la luce (es. foglio di carta
velina)
Spettro Elettromagnetico
Spettro Elettromagnetico
B
ONDE RADIO = 1km – 10cm
trasmissioni radio-televisive
B
MICROONDE = 10cm – 1mm
radar, telefono, forni
B
B
IR - VISIBILE - UV = 1mm – 10-9m
calore, luce, reazioni chimiche
B
B
B
RAGGI X – RAGGI GAMMA = 10-8 – 10-12m
radiografie
B
Spettro Elettromagnetico
Onde Radio:
Microonde:
Infrarossi:
Luce visibile:
Luce Ultravioletta:
Raggi X:
Raggi Gamma:
da antenne
0.1m<λ<104m usate in comunicazioni radio e tv, prodotte
10-4m< λ<0.3m adatte a radar, forni microonde
7 x 10-7 m<λ<1mm, prodotte da corpi caldi sono facilmente
assorbite dalla maggior parte dei materiali. Usate in telecomandi ecc.
4 x 10-7 m<λ< 7 x 10-7 m, parte dello spettro cui
l’occhio umano è sensibile, corrisponde al minimo assorbimento da
parte dell’acqua (ragione evoluzionistica: veniamo dall’acqua). Prodotte
da oggetti incandescenti ma anche da transizioni atomiche (LED).
6 x10-10 m<λ< 4 x 10-7 m, prodotta
abbondatemente dal sole, assorbita dall’ozono nella stratosfera
10-12 m<λ<10-8 m, prodotti da elettroni decelerati su bersaglio
metallico, hanno lunghezza d’onda simile a distanze interatomiche nei
cristalli
10-14 m<λ<10-10 m, emessi da nuclei radioattivi, alto
potere penetrante, molto pericolosi
Lo spettro visibile
L’occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte
dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE
COLORE LUNGHEZZA
D’ONDA (nm)
violetto
380-430
azzurro
430-470
verde
470-520
giallo
520-590
arancion
590-610
e
rosso
610-750
B
B
B
B
Ciascun colore corrisponde ad una radiazione
elettromagnetica di diversa lunghezza d’onda
B
Riflessione e Rifrazione
Un’onda si muove a velocità costante in un mezzo omogeneo.
Se incontra un altro mezzo materiale, l’onda, meccanica o
elettromagnetica, subisce una deviazione: parte dell’onda,
dopo aver incontrata la superficie di separazione tra i due
mezzi, torna indietro riflettendosi, parte dell’onda attraversa il
secondo mezzo materiale, deviando il suo percorso e
cambiando velocità, (rifrazione).
Nei mezzi trasparenti la
velocità della luce è minore
che nel vuoto. Il rapporto
tra la velocità c della luce
nel vuoto e la velocità v nel
mezzo trasparente si
chiama indice di rifrazione
assoluto del mezzo:
Onda incidente
Riflessione
i=r
normale
i
r
Onda riflessa
L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione (formati
rispetto alla normale); il raggio incidente, il raggio riflesso e la
normale alla superficie riflettente giacciono nello stesso piano
Superficie scabra
Poiché tutte le piccole porzioni
di superficie hanno inclinazioni
diverse tra di loro, i singoli
raggi riflessi sono sparpagliati in
tutte le direzioni. L’effetto che
risulta è quello di una luce
diffusa che proviene dalla
superficie illuminata
Rifrazione
il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie
riflettente giacciono nello stesso piano
quando un raggio luminoso passa da un mezzo con indice di
rifrazione più basso a uno più alto si avvicina alla normale; se
passa da un mezzo con indice di rifrazione n più basso ad uno
più alto si allontana dalla normale
Rifrazione
A causa della rifrazione, gli oggetti in acqua appaiono più in
alto di dove realmente si trovano
Guardando un righello immerso in un
recipiente pieno d’acqua notiamo che
esso appare piegato
I raggi riflessi dalla moneta escono
dall’acqua allontanandosi dalla
perpendicolare e arrivano all’occhio
come se provenissero da un punto più
in alto, dove si incontrano i loro
prolungamenti.
Riflessione totale
Se la luce passa da un mezzo con indice di rifrazione più
basso a uno più alto incidendo con un angolo superiore di
un ANGOLO LIMITE, essa viene riflessa totalmente.
L’angolo di rifrazione è pari a 90o
Riflessione totale
FIBRA OTTICA
Le fibre ottiche sono una tecnologia che si basa sul fenomeno della
riflessione totale. La luce che vi penetra si riflette all’interno della
fibra moltissime volte, fino a uscire all’altra estremità. Le fibre
ottiche, che sono fili sottili di diametro anche minore di 1 mm,
funzionano così da guide di luce.
Fenomeno della Dispersione
Il fenomeno della rifrazione può dare origine a situazioni e fenomeni
particolari, quale ad esempio la dispersione della luce; tale fenomeno si può
osservare quando una radiazione non monocromatica, come ad esempio
quella bianca, incide su di un prisma di vetro con un angolo di incidenza
diverso da zero.
la luce bianca è la sovrapposizione dei diversi colori dello spettro. La
dispersione della luce è dovuta al fatto che l’indice di rifrazione di una
sostanza trasparente dipende dal colore.
Arcobaleno
Arco luminoso in cui si può osservare la scomposizione della luce visibile
Un arcobaleno infatti
è il risultato di un
prisma naturale in
grande
scala: le goccioline
d’acqua sospese in
aria possono
comportarsi in modo
simile ad
un prisma, separando
i colori della luce per
produrre quel tipico
spettro luminoso. La
luce
viene rifratta nel
passaggio da un
materiale
(aria) ad un altro
(acqua) e viceversa
I Colori
Ciascun colore corrisponde a una particolare frequenza e, quindi,
a una particolare lunghezza d’onda. Perché gli oggetti hanno
colori diversi? Perché quando sono investiti dalla luce bianca,
come quella del Sole o di una lampadina, assorbono alcuni colori
e ne riflettono altri.
L’illusione ottica
Una illusione ottica è una qualsiasi illusione che
inganna l'apparato visivo umano
Un miraggio è un esempio di
illusione naturale dovuta a un
fenomeno ottico.
Esso si verifica quando i raggi
del Sole incontrano uno
strato d'aria più calda
rispetto agli strati sovrastanti
dove l'aria più fredda è di
densità maggiore. Così i raggi
di luce subiscono una
riflessione
totale ed è possibile vedere le
immagini come se fossero
veramente riflesse al suolo
Fenomeno della fata Morgana
illusione ottica, simile al miraggio, che si manifesta per lo più sulla
superficie del mare nei pressi della costa. In presenza del fenomeno
della fata morgana gli oggetti appaiono sospesi nell’aria, con
dimensioni e forme continuamente mutevoli.
La spiegazione fisica della fata morgana risiede nella variazione della
densità che comporta un cambiamento dell’indice di rifrazione dell’aria
in prossimità del suolo causato da elevate variazioni a contrasto di
temperatura.
