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1 I raggi luminosi
1 I raggi luminosi
L’ottica geometrica
Per secoli si sono contrapposti due modelli della luce
– il modello corpuscolare (Newton)
– la luce è un flusso di particelle microscopiche
– il modello ondulatorio (Christiaan Huygens)
– la luce è un’onda
Ipotesi fondamentale dell’ottica geometrica
La luce è costituita da raggi luminosi che si propagano in
linea retta
Oggi sappiamo che la luce è costituita da fotoni
– i fotoni sono particelle che in alcuni casi possono
comportarsi come onde
– la luce manifesta in alcune situazioni un
comportamento corpuscolare e in altre un
comportamento ondulatorio
Capitolo 9: Ottica geometrica
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1 I raggi luminosi
Capitolo 9: Ottica geometrica
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1 I raggi luminosi
Gli oggetti che vediamo possono essere
– trasparenti se si lasciano attraversare dalla luce
– opachi se non lasciano passare la luce
Un oggetto opaco
– dà luogo a un’ombra netta se la sorgente di luce è
puntiforme
– crea una zona d’ombra e una di penombra se la sorgente
di luce è estesa
Capitolo 9: Ottica geometrica
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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1 I raggi luminosi
2 La riflessione della luce
La velocità della luce
La riflessione della luce su una superficie liscia è detta
riflessione speculare
– tutti i raggi riflessi si propagano nella stessa direzione
Velocità della luce nel vuoto, c
c = 299 792,458 km/s
In base alla teoria della relatività di Einstein, c è la velocità
limite di tutti i corpi
– rappresenta una costante fondamentale della natura
– la velocità della luce in un mezzo è inferiore a c
– nell’acqua la luce si propaga a circa 225 000 km/s
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2 La riflessione della luce
Capitolo 9: Ottica geometrica
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2 La riflessione della luce
La riflessione della luce su una superficie ruvida dà luogo a
una riflessione diffusa o diffusione
– la luce riflessa è rimandata in varie direzioni
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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3 Gli specchi piani
2 La riflessione della luce
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3 Gli specchi piani
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3 Gli specchi piani
Proprietà delle immagini prodotte da specchi piani
– L’immagine è diritta, ma, rispetto all’oggetto, appare
ribaltata la destra con la sinistra
– L’immagine appare dietro allo specchio, alla stessa
distanza dell’oggetto dallo specchio
– L’immagine ha la stessa dimensione dell’oggetto
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4 Gli specchi sferici
4 Gli specchi sferici
In uno specchio concavo il fuoco si trova davanti allo specchio
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4 Gli specchi sferici
Capitolo 9: Ottica geometrica
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IMMAGINE PRODOTTA DA UNO SPECCHIO SFERICO
In uno specchio concavo i raggi incidenti divergono come se
fossero originati dal fuoco F dietro lo specchio
Specchio concavo
La distanza dell oggetto dallo specchio è maggiore del raggio di curvatura
L immagine è
– reale
– capovolta
– più vicina
allo specchio
– rimpicciolita
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4 Gli specchi sferici
IMMAGINE PRODOTTA DA UNO SPECCHIO SFERICO
Specchio convesso
L oggetto è posto a una certa distanza dallo specchio
L immagine è
– virtuale
– diritta
– localizzata tra
lo specchio e
il fuoco
– rimpicciolita
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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5 La rifrazione della luce
4 Gli specchi sferici
La rifrazione è il cambiamento di direzione dei raggi luminosi
quando passano da un mezzo con un certo indice di rifrazione
a un mezzo con indice di rifrazione diverso
La velocità della luce dipende dal mezzo in cui viaggia
– è determinata dall’indice di rifrazione n del mezzo
Velocità della luce in un mezzo con indice di
rifrazione n
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5 La rifrazione della luce
Capitolo 9: Ottica geometrica
5 La rifrazione della luce
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5 La rifrazione della luce
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5 La rifrazione della luce
Se n1 < n2 il raggio rifratto si avvicina alla normale
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5 La rifrazione della luce
5 La rifrazione della luce
Se n1 > n2 il raggio rifratto si allontana dalla normale
Illusioni ottiche
La rifrazione è responsabile di
numerose illusioni ottiche comuni
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5 La rifrazione della luce
Capitolo 9: Ottica geometrica
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5 La rifrazione della luce
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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Fisica e... tecnologia
LE FIBRE OTTICHE
LE FIBRE OTTICHE
Le fibre ottiche sono un’importante applicazione della
riflessione totale
Sono composte da
– un nucleo di vetro (core)
– diametro: 10 – 50 mm
– n1 = 1,5
– un rivestimento esterno (cladding)
– diametro ~ 125 mm
– n2 = 1,475
– una guaina protettiva polimerica (jacket)
– fornisce resistenza agli stress fisici e alla corrosione
– evita il contatto fra la fibra e l’ambiente esterno
Capitolo 9: Ottica geometrica
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LE FIBRE OTTICHE
Capitolo 9: Ottica geometrica
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LE FIBRE OTTICHE
In una fibra ottica, la luce
– entra nel core con un angolo di incidenza superiore
all’angolo limite dei due materiali
– si propaga a zig-zag subendo una serie di riflessioni
totali
– giunge infine all'altro estremo anche se la fibra è
contorta o annodata
Applicazioni delle fibre ottiche
– strumentazione medica (endoscopi, broncoscopi, ecc.)
– sistemi di telecomunicazioni
– possono trasportare migliaia di volte più informazioni
della corrente elettrica in un filo per lunghe distanze
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6 Le lenti
LE FIBRE OTTICHE
Lenti convergenti e divergenti
Una lente è uno strumento ottico che utilizza la rifrazione per
deviare i raggi luminosi e formare un’immagine
– Le lenti convergenti (convesse) fanno convergere i raggi
nel fuoco
– Le lenti divergenti (concave) fanno divergere i raggi
come se provenissero dal fuoco
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6 Le lenti
Capitolo 9: Ottica geometrica
Capitolo 9: Ottica geometrica
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6 Le lenti
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6 Le lenti
IMMAGINE PRODOTTA DA UNA LENTE SOTTILE
Se la lente è
convergente, il
tipo di immagine
che si ottiene
dipende dalla
posizione
dell’oggetto
Capitolo 9: Ottica geometrica
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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6 Le lenti
IMMAGINE PRODOTTA DA UNA LENTE SOTTILE
Se la lente è
divergente
l immagine è
sempre
– virtuale
– diritta
– rimpicciolita
• Prova tu
Capitolo 9: Ottica geometrica
Costruisci l’immagine prodotta da una lente sottile
convergente nei casi in cui
– l’oggetto si trova tra la lente e il fuoco
– l’oggetto si trova nel fuoco
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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7 Strumenti ottici composti
7 Strumenti ottici composti
Il microscopio
Un microscopio composto utilizza due lenti convergenti
– un obiettivo
– ha una distanza focale relativamente piccola
– forma un’immagine reale, capovolta e ingrandita
– un oculare
– fornisce un’immagine ingrandita ulteriormente
L’ingrandimento totale del microscopio è il prodotto degli
ingrandimenti dell’obiettivo e dell’oculare
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7 Strumenti ottici composti
Capitolo 9: Ottica geometrica
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7 Strumenti ottici composti
Il telescopio
Un telescopio produce un’immagine ingrandita di oggetti
lontani utilizzando
– un obiettivo e un oculare nel caso dei rifrattori
– un sistema di specchi e un oculare nel caso dei riflettori
– lo specchio forma un’immagine che è poi ingrandita
dall’oculare
– i riflettori sono i telescopi con apertura (diametro
dell’obiettivo) maggiore
– i più grandi telescopi del mondo sono riflettori
Capitolo 9: Ottica geometrica
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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7 Strumenti ottici composti
Capitolo 9: Ottica geometrica
7 Strumenti ottici composti
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7 Strumenti ottici composti
Capitolo 9: Ottica geometrica
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7 Strumenti ottici composti
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Capitolo 9: Ottica geometrica
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8 La dispersione della luce e i colori
8 La dispersione della luce e i colori
L’indice di rifrazione dipende anche dalla lunghezza d’onda
della luce
Lunghezze d’onda diverse della luce visibile corrispondono a
colori diversi
– l’insieme di questi colori va dal rosso (750 nm) al
violetto (400 nm) e prende il nome di spettro
I colori sono rifratti in misura diversa
– minore è la lunghezza d’onda, maggiore è l’indice di
rifrazione
– questo fenomeno è chiamato dispersione della luce
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Fisica e... scienze naturali
Capitolo 9: Ottica geometrica
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L ARCOBALENO
L ARCOBALENO
L’arcobaleno
– è causato dalla dispersione della luce nelle goccioline di
pioggia
– è un esempio naturale di dispersione della luce
Quando la luce entra in una goccia
– è separata nelle sue componenti dal rosso al violetto
– è riflessa dalla parte posteriore della goccia
– infine viene rifratta subendo un’altra dispersione quando
lascia la goccia
Capitolo 9: Ottica geometrica
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L ARCOBALENO
L ARCOBALENO
La luce violetta
(maggiormente deviata) è
spostata di 40° dalla direzione
di provenienza
La luce rossa (deviata di
meno) emerge a 42° rispetto
alla direzione iniziale
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