CORSO APPROFONDIMENTO PRIMI PASSI VERSO L

CORSO APPROFONDIMENTO
PRIMI PASSI VERSO L’ASTRONOMIA
30/11/2005
[ Paola Parrini ]
Continua lo studio dei fenomeni ondulatori ma oggi, oltre a osservare il comportamento delle onde
in un ondoscopio, osserveremo anche il comportamento della luce in particolari situazioni. I due
fenomeni presentano molte analogie. Studieremo cosa accade alle onde sull’acqua quando
incontrano un ostacolo sul loro cammino e il comportamento della luce quando incontra un
ostacolo. Infine vedremo l’interferenza di onde in un ondoscopio e di onde di luce. Per motivi
pratici prima faremo osservazioni con l’ondoscopio e successivamente con la luce.
DIFFRAZIONE E INTERFERENZA CON L’ONDOSCOPIO
a.
Osserviamo il fenomeno della diffrazione.
Userai le stesse onde piane usate la volta scorsa. Dovrai posizionare un ostacolo davanti alle onde in
modo da far sì che resti un passaggio per le onde di ampiezza pari ad alcune lunghezze d’onda (se
usi la frequenza della scorsa volta la lunghezza d’onda sarà circa la stessa con acqua della stessa
profondità). Ti si chiede di far variare la larghezza del passaggio in modo da diminuirla e renderla
alla fine molto più piccola della lunghezza d’onda. A questo punto cerca di descrivere quanto
osservato, con particolare riferimento alla situazione in cui l’apertura è molto più piccola della
lunghezza d’onda.
Ricordi in base a quale principio è possibile descrivere questo comportamento?
Osserviamo ora il fenomeno dell’interferenza.
Userai due palline oscillanti in fase sull’acqua (due sorgenti) per ottenere onde circolari, ma potresti
usare anche le onde piane già usate la scorsa volta che attraversano due strette fenditure. Non pensi?
Per quale motivo?
Le due palline generano onde circolari che interferiscono fra loro. L’interferenza non è altro che un
effetto del principio di sovrapposizione. Cosa ricordi di questo principio e come lo descriveresti?
Come puoi osservare la superficie dell’acqua presenta alcune zone (linee nodali) che, nonostante
siano interessate da onde provenienti da entrambe le sorgenti, restano ferme. Individua queste zone
sul foglio bianco e prova a vedere cosa cambia facendo variare la distanza fra le sorgenti. Annota di
seguito le tue osservazioni.
Fai ora variare la frequenza delle sorgenti tenendo costante la distanza fra le sorgenti. Annota le tue
osservazioni.
Fra due linee nodali successive cosa osservi?
Le onde che interferiscono fra di loro possono dare luogo sia a interferenza costruttiva, che
distruttiva. Descrivi brevemente cosa accade nei due casi. Individua le zone e/o linee di interferenza
distruttiva e costruttiva.
A questo punto non cambiare più né la distanza fra le due palline, né la frequenza. Ti chiediamo di
trovare una relazione fra alcune grandezze in gioco.
A
P1
d
P
B
Sul bordo del foglio bianco, dalla parte opposta alle sorgenti, traccia una linea parallela alle sorgenti
(AB in figura) e individua su questa linea i punti in cui si ha interferenza costruttiva e i punti dove
l’interferenza è distruttiva. L’asse del segmento che congiunge le due sorgenti incontra questa linea
nel punto (P). Qui l’interferenza di che tipo è?
Ti chiediamo la relazione fra: la distanza fra il punto P e un qualsiasi altro punto (P1 in figura) sulla
linea AB dove è presente interferenza, ad esempio costruttiva, la distanza fra le sorgenti d e la
lunghezza d’onda λ.
Come vedi grazie all’interferenza è possibile misurare la lunghezza d’onda. La relazione trovata
servirà in seguito.
DIFFRAZIONE E INTERFERENZA CON LA LUCE
b.
Osserviamo ora il fenomeno dell’interferenza.
Con la luce di un laser si colpiscono due fenditure parallele molto strette e vicine fra loro. (Perché
devono essere molto strette e vicine?) A questo punto si osserva, proiettata su uno schermo lontano
e parallelo alle fenditure, una figura d’interferenza, con zone illuminate e zone scure.
Sai ipotizzare un comportamento di tipo ondulatorio della luce, in analogia con quanto osservato
con le onde nell’ondoscopio? (Per descrivere l’analogia, serviti di un disegno schematico).
Applica la relazione trovata per l’interferenza di onde nell’ondoscopio e prova a calcolare la
lunghezza d’onda della luce usata.
Un confronto fra le due situazioni ci fa anche riflettere su eventuali differenze oltre che riguardo
alle analogie! Quali possono essere le differenze fra onde nell’acqua e onde di luce?
Osserviamo il fenomeno della diffrazione.
Facciamo in modo che la luce del laser colpisca un ostacolo, ad esempio un forellino circolare, ciò
che si vede è un’immagine del tipo rappresentato nella figura di seguito riportata.
Ti aspettavi un’immagine del genere? La luce si propaga in linea retta dopo aver incontrato il
forellino?
La prova continua con forellini di vari diametri. Verifica che per l’angolo (α) di apertura del fascio
luminoso vale la relazione sin α = 1,22 λ/d , dove d = diametro forellino, λ = lunghezza d’onda
della luce, e α = angolo fra il centro della figura di diffrazione, il forellino colpito dalla luce ed il
primo minimo di intensità luminosa.