Interazione solenoide-solenoide ( corrente alternata ) mutua induzione: secondario senza
carico, con carico, con anima.
Occhio alle risonanze.
Flusso (concatenato) variabile (magnete rotante, bobina orientabile, con carico?) (Faraday)
Una coppia di magneti permanenti (a contatto) ruota in un piano verticale attorno ad un asse
orizzontale con velocità angolare controllabile ( motore DC alimentato con tensione variabile ).
Il centro di massa dei magneti coincide con il centro geometrico di una bobina giacente su un
piano verticale. La rotazione del magnete causa una variazione del flusso magnetico concatenato
alla bobina, generando una forza elettromotrice indotta che viene misurata in funzione della
velocità di rotazione dei magneti. La orientazione del piano contenente la bobina può essere
variata tramite rotazione attorno ad un asse verticale passante per il centro di massa dei magneti,
consentendo di verificare il fattore di proiezione intrinseco alla definizione di flusso (prodotto
scalare). Dalla dipendenza dalla velocità di rotazione della ampiezza della forza elettromotrice
indotta si evidenzia facilmente il fattore moltiplicativo intrinseco alla derivazione.
La velocità di rotazione può essere fatta variare linearmente nel tempo ( rampa ) con
alimentatore programmabile. Non si sono fatte prove con carico sulla antenna ( bobina chiusa su
una resistenza non infinita).
Oscillatore forzato bobina magnete ( bobina eccitata DC AC )
Una bobina (di piccolo diametro interno), giacente in un piano orizzontale, viene alimentata in
continua o con forme d’onda variabili, di cui si controlla frequenza e ampiezza. Un magnete è
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inserito in un apposito contenitore; le estremità del contenitore sono fissate a due molle
(identiche) il cui secondo estremo è ancorato a sensori di forza (a deformazione trascurabile).
L’asse (verticale) del sistema molla-magnete-molla coincide con l’asse della bobina; il
contenitore del magnete può oscillare lungo questo asse senza toccare la bobina. Si misura
l’entità delle reazioni vincolari (accelerazione, forza applicata) in funzione del tempo,
utilizzando come eccitazione onde triangolari, quadrate o sinusoidali. La risposta è quella di un
oscillatore forzato, e sono osservabili fenomeni di risonanza. Cercare di monitorare anche la
eccitazione (secondo canale PASCO?).
Interazione magnete mobile-bobina fissa (altra bobina?, con carico?, trasduttore lineare)
In questo caso il magnete è soggetto a moto armonico di traslazione in un piano orizzontale,
moto che avviene lungo l‘asse di una bobina (fissa) giacente in un piano verticale. L’asse del
magnete e della bobina coincidono. Si misura la tensione generata nella bobina, e se ne studia il
l’andamento temporale in funzione della collocazione reciproca della posizione del punto medio
del magnete e del centro della bobina. Monitorare anche il moto del magnete(seconda rotella).
Da sviluppare.
Caduta magnete in tubi isolanti e tubi conduttori (flusso concatenato)
Un magnete è collocato in un contenitore, un cui estremo è fissato ad una fune. La fune è
vincolata ad una puleggia connessa ad un sensore di rotazione (angolo). Il magnete, rilasciato
sotto l’azione della forza di gravità, cade all’interno di un tubo verticale senza toccarne le pareti.
Nel caso di un tubo di materiale isolante si osserva un andamento parabolico della posizione in
funzione del tempo. Nel caso di un tubo di materiale conduttore (non ferromagnetico) si osserva
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un comportamento riconducibile alla presenza di forze opposte alla gravità, dipendenti dalla
velocità del grave (correnti indotte nel tubo) e, con qualche fatica, alla individuazione di un
tratto di traiettoria percorso a velocità costante (velocità limite). (procurare il tubo isolante)
Freno magnetico (flusso tagliato)
Un disco di alluminio, fissato all’albero di un sensore di rotazione, può ruotare, in un piano
verticale, anche fra due magneti allineati in direzione orizzontale. All’altra estremità dell’albero
del sensore di rotazione è fissata una puleggia, sulla cui gola è avvolta una fune alla cui estremità
si possono fissare carichi variabili. Si confronta il comportamento del sistema in presenza ed in
assenza dei magneti, ottenendo nel primo caso un moto a velocità essenzialmente costante (forze
dipendenti dalla velocità, velocità limite), nel secondo un moto uniformemente accelerato.
Proposta contatore ENEL
Stesso disco e rotella; due bobinette eccitate in alternata; tirare su un peso.
Oscillatore smorzato magneticamente (flusso tagliato)
Un pendolo composto di materiale conduttore non ferromagnetico è fissato all’albero di un
sensore di rotazione. Il pendolo viene fatto oscillare, in un piano verticale, sotto l’azione della
forza di gravità, ottenendo oscillazioni lievemente smorzate. Si fa oscillare lo stesso pendolo fra
due magneti, la cui distanza è regolabile. Si ottengono oscillazioni smorzate, fortemente
smorzate, criticamente smorzate.
Proposta Genova (nuovo)
Su disco rotante montare array regolare di magneti su circonferenza. Far ruotare disco con
motore in continua a velocità variabile. Fare controdisco metallo non ferromagnetico, stesso
diametro precedente, libero di ruotare attorno stesso asse disco magneti. Caricare controdisco
con braccio e peso, con momento gravitazionale variabile. Trovare sistema per lettura angoli
rotazione allo equilibrio del controdisco. Relazione fra velocità rotazione e posizione equilibrio.
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Esperienze di OTTICA
Propagazione in mezzi omogenei
Snell e indice rifrazione ( semicilindro e deviazione angolare-angolo limite, prisma retto e
deviazione laterale, trapezoidale deviazione laterale-angolo limite)
Lenti sottili in approssimazione parassiale, occhialai. Lenti spesse. Collimazione.
Distanza focale: minima confusione con fascio collimato, oggetto distante, Bessel e coppie
coniugate. Ingrandimento. Vascone con acqua. Scatolini con fluido.( convergente, divergente,
nessun effetto ).
Dipendenza dalla lunghezza d’onda
Dispersione e deviazione minima: luce bianca, sorgenti a righe, prismi solidi, prismi cavi con
fluidi e miscele. Modelli di dispersione: oscillatore armonico smorzato forzato. Cauchy,
Sellmeier, Sellmeier complesse.
Riflettanza e trasmittanza: insufficienza della legge di Snell
Equazioni di Fresnel, ( doppia riflessione). Mezzi isotropi :da Maxwell , sia ampiezza che fase.
Riflettanza parallela e perpendicolare, angolo di Brewster, doppia riflessione da vetro” nero”,
polarizzazione per riflessione.
Il mondo non è isotropo
Birifrangenza ( zaffiro prisma e finestra, calcite, lamine calcite, cristalli calcite e osservazioni di
Huygens, titania ). [Potere rotatorio]
Birifrangenza: zaffiro prisma, zaffiro finestra, calcite, Huygens, titania. Anche doppio Brewster
(orizzontale, asse verticale o orizzontale ). Ritardi e sfasamenti.
Polarizzazione
Polarizzazione. Malus, lamine, compensatori. Mezzi anisotropi con propagazione perpendicolare
all’asse: birifrangenza, ritardo e sfasamento
Linearità e sovrapposizione. Carattere ondulatorio
Interferenza [Biprisma di Fresnel],Fizeau riflessione, in divergente ( piana?)
Michelson : taratura, stime di lunghezze d’onda, battimenti, luce bianca, prodotto nt . Twyman
Green. [Mach Zehnder? ( visibilità ? )]
Diffrazione e carattere ondulatorio
Diffrazione alla Fresnel ( qualitativa ). ( Poisson spot? ). Diffrazione alla Fraunhöfer : aperture
quadrate, rettangolari, circolari, fenditura singola, doppia, multiple, reticolo, doppio reticolo,
controllo al microscopio, fotografie, trasformate?
Comportamenti strani
□ Effetto Pockels
□ Effetto Kerr
□ Effetto piezoottico
□ Birifrangenza fotoindotta
Esperimento di misura della velocità della luce
Diffrazione della luce - Misura del diametro di un capello
Materiale: 1 laser (anche un laser-pointer), 1 capello, 1 righello
1. Ponete un capello, teso, lungo il percorso del laser. Osservate le frange di diffrazione
prodotte su uno schermo bianco (muro, foglio).
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2. Dalla distanza Δxa tra due frange consecutive, ricavate il diametro del capello, utilizzando la
relazione
Δxa = λL /a
dove λ è la lunghezza d’onda, L è la distanza tra lo schermo e il capello e a è il diametro del
capello. Ricordate che il massimo centrale è largo il doppio degli altri.
Diffrazione della luce - Distanza tra le tracce di un CD (o di un DVD)
Materiale: 1 laser (anche un laser-pointer), 1 CD, 1 righello
1. Puntate il laser verso la superficie di un CD, facendo attenzione sia al fascio diretto che a
quelli riflessi e diffratti ed osservate gli spot luminosi ottenuti su uno schermo. Il CD agisce
da reticolo di diffrazione.
2. La geometria della misura deve essere tale che si formi un triangolo rettangolo (verticale)
considerando il punto di incidenza del fascio sul cd, lo spot diffratto di ordine zero e quello di
ordine 1 (occorre colpire il cd in modo che le tracce siano orizzontali e sfalsare il raggio
incidente e rifratto nel piano orizzontale ruotando il cd di 45° lungo l’asse verticale).
3. Misurate la distanza Δxi tra gli spot luminosi di rifrazione all’ordine zero e al primo ordine
ed utilizzatela per ricavare la distanza tra le tracce del CD, utilizzando le relazioni valide per
l’interferenza tra fenditure:
Δxi = λL/d
dove Δxi è la distanza tra i due spot, L la distanza tra il CD e lo schermo, λ la lunghezza d’onda
della luce e d la ditsanza tra le tracce del cd.
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Realizzazione di uno spettrometro utilizzando un CD e una webcam.
Materiale: 1 CD (o DVD), 1 lente convergente, 1 webcam, 1 fenditura
Il CD agisce da reticolo di diffrazione, la geometria curva delle frange di diffrazione puo’ venire
rettificata da una lente convergente, la ccd della webcam viene utilizzata come rivelatore. Il
software della webcam permette di salvare immagini bitmap, in cui l’intensità luminosa è
proporzionale al valore numerico di ogni pixel. Se la luce viene dispersa nella direzione “x” della
ccd, sommando tutti i valori dei pixel con la stessa x e diversa y si ottiene un vettore che
rappresenta l’intensità della luce in funzione di x, cioè lo spettro della luce che abbiamo fatto
incidere sul cd. Per controllare la geometria e per selezionare la sorgente luminosa, possiamo
utilizzare una fenditura di larghezza variabile in ingresso.
Sorgente
Webcam
Fenditura
CD
Lente
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Spettroscopio a prisma
Microscopio ottico interfacciato – Studio del Moto Browniano
Misura tramite microscopio ottico, telecamera e scheda frame-grabber dell’agitazione termica di
particelle colloidali di dimensione micrometrica sospese in acqua. Misurato lo spostamento
quadratico medio delle particelle in funzione del tempo trascorso, tramite l’analisi di Einstein, è
possibile ricavare una stima del numero di Avogadro.
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Esperienze di FISICA MODERNA
Taratura di una termocoppia
L’obiettivo dell’esperimento è di tarare una termocoppia costituita da due fili conduttori di materiale
differente (p.e. ferro e costantana) saldati tra loro. Se le estremità vengono mantenute a due
temperature diverse, nel circuito si genera una forza elettromotrice: per ogni differenza di temperatura
si misura quindi una diversa differenza di potenziale. La termocoppia può quindi essere tarata
individuando la relazione ΔV = f ( ΔT ) . Per realizzare diverse condizioni sperimentali, un’estremità
della termocoppia viene mantenuta a temperatura costante (0°C) ponendola all’interno di un
contenitore con del ghiaccio fondente.
L’altra estremità della termocoppia viene immersa in campioni di varia natura, di cui si sfrutta il fatto
che durante un cambiamento di stato un corpo mantiene la sua temperatura costante. Poichè le
temperature dei cambiamenti di stato considerati sono tabulate, misurando le differenze di potenziale
durante queste fasi, è quindi possibile costruire la curva di taratura.
Cubo di Leslie
Il corpo nero
Con questa esperienza si può verificare la dipendenza dell’intensità di radiazione emessa per unità di
tempo e di superficie dalla quarta potenza della temperatura (legge di Stefan-Boltzman) e la
dipendenza dell’intensità di radiazione assorbita dall’inverso del quadrato della distanza dalla
sorgente.
La strumentazione è composta da un banco ottico sul quale sono posizionati un sensore costituito da
una termopila ed una lampadina, approssimabile ad alte temperature come un corpo nero. Si possono
variare la temperatura della lampadina e la distanza relativa tra sensore e lampadina.
Corpo Nero IR
In questa versione "IR" dell'esperimento, si misura la distribuzione spettrale (planckiana) della
densità di energia nell’infrarosso nella regione 400-8000 cm^-1 , con una sorgente a temperatura
variabile tra RT e 1600K ed uno spettrofotometro, la cui efficienza spettrale dovrà essere
misurata.
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Corpo nero visibile
Si misura la planckiana caratteristica di un corpo nero a temperatura tra 800K e 3300K,
misurandone l'emissione spettrale nel range di lunghezze d'onda dal visibile a 1100nm
Effetto fotoelettrico
Esperimento classico in versione didascalica, permette di osservare la natura corpuscolare della
radiazione elettromagnetica e di misuare la costante di Planck, note le righe spettrali della
sorgente a mercurio ed il valore della carica elementare.
Di questo esperimento esistono due versioni, una delle quali si trova presso la mostra
microcosmo con vista.
Decadimento radioattivo di un campione di torio (contatore Geiger)
L’esperienza consiste nell’effettuare misure del decadimento radioattivo di un campione di Torio. Per
fare ciò, si utilizza un contatore Geiger opportunamente interfacciato con un computer, che conta il
numero di decadimenti in un intervallo di tempo prefissato. Il fine dell’esperimento è quello di
verificare se il fenomeno è ben descritto dalla statistica di Poisson.
Esperimento di Thompson misura di e/m.
Esperimento classico, in versione didascalica, permette- pur con molta imprecisione- di valutare
il rapporto e/m o “carica specifica” dell’elettrone.
Camera di Millikan
Classico esperimento, presentato in versione didascalica, permette di calcolare con una certa
approssimazione il valore della carica elettrica elementare.
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Franck-Hertz
Il classico esperimento in versione didascalica, ulteriormente automatizzato dallo Staff dei
Laboratori Didattici, permette di evidenziare la quantizzazione dei livelli energetici dell’atomo.
Questo esperimento fornisce inoltre un esempio di spettroscopia non convenzionale.
Dimostrazione uso Microscopio a Scansione (Forza Atomica, Forza Magnetica)
La microscopia a scansione consente di visualizzare le superfici dei materiali in modo
dettagliatissimo, al punto che in taluni casi è possibile visualizzare la disposizione degli atomi in
superficie. Nel caso il materiale sia magnetico si riesce anche, nello stesso tempo e con opportuni
accorgimenti, a visualizzare la sua struttura magnetica. In questa dimostrazione, illustreremo le
potenzialità del metodo attraverso l’osservazione di strati di molecole e di bit magnetici scritti
nei dischi rigidi dei calcolatori.
Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) (c/o IMEM-CNR)
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Spettri di assorbimento molecolari e di solidi
La radiazione elettromagnetica può essere assorbita dalla materia solamente se viene verificata la
condizione di risonanza ΔE = hν tra la separazione tra i livelli energetici e la frequenza della
radiazione. Con questa esperienza si verifica l’esistenza di bande di assorbimento discrete in molecole
organiche in soluzione. Spettri di assorbimento verranno effettuati anche su campioni allo stato solido
per evidenziare la presenza delle strutture a bande.
Emissione di fluorescenza solidi e liquidi
Livelli energetici elettronici localizzati come in molecole organiche oppure in centri di colore possono
portare ad emissione di fotoni da livelli energetici eccitati. Con questa esperienza si determineranno
spettri di emissione di fluorescenza di molecole organiche in soluzione. Si verificherà la presenza di
emissione di luminescenza in matrici solide.
Camera a Nebbia
Esperimenti disponibili presso la mostra
Costruita da Wilson nel 1911 ( premio Nobel nel 1926), ha avuto molta importanza sin dall’inizio
nell’esplorazione dei fenomeni del mondo subatomico. Rivela le tracce di particelle α (nuclei di elio),
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particelle β (elettroni e positroni), muoni e altre particelle subatomiche cariche. Permette la rivelazione
dei raggi cosmici.
Camera a Scintille:
Ponendo due placche metalliche in un mezzo gassoso, placche che siano assai vicine tra loro, ed
applicando tra esse una forte tensione, al passaggio di una particella ionizzante, cioè elettrizzate,
scocca una piccola scintilla. Collegando insieme più camere è possibile seguire la traiettoria della
particella con mezzi ottici o elettronici
Tubo a raggi catodici
Esperimento di diffrazione degli elettroni
Radiometro
Mette in evidenza la cosiddetta pressione della radiazione luminosa, ovvero una forza per unità
di superficie che nasce per il fatto che la faccia è colpita da radiazione luminosa
Sfera al Plasma
Un fenomeno simile al fulmine riprodotto ‘in vitro’ in questa sfera, in cui un nucleo ad alto
potenziale elettrico, immerso in un gas a bassa pressione, produce scariche di elettroni
chiaramente visibili.
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L’esperimento numerico
La Fisica computazionale utilizza gli strumenti del calcolo numerico per risolvere problemi fisici.
Questo può voler dire in grana grossa almeno due cose, accomunate dalla stessa presa d’atto che
esistono problemi troppo difficili per una soluzione analitica.
In primo luogo, è possibile che una teoria abbia un quadro concettuale chiaro, che porta ad una
formulazione matematicamente assolutamente precisa, ma che risulta in equazioni troppo difficili per
una trattazione analitica. Un caso di questo tipo è quello della cosiddetta Relatività Numerica: le
equazioni di Einstein, soprattutto in taluni regimi, non si prestano a soluzioni esatte, ma possono
essere a certe condizioni integrate numericamente. Di sotto si vede un cluster di PC, ovvero una
installazione di un numero rilevante di PC (in questo caso dell’ordine di svariate decine, di tecnologia
tale da poter essere installati in schede di calcolo di ridotte dimensioni da impilarsi in armadi, ben
visibili in figura). Questi PC sono in grado di comunicare fra di loro per la esecuzione di processi “in
parallelo”: è uno dei paradigmi, appunto, di calcolo parallelo.
Ci sono altri casi in cui, in svariate forme, prima ancora di muoversi nella direzione di una soluzione
numerica, è necessario riformulare un problema in un linguaggio lievemente diverso da quello
originario. Un tipico esempio è fornito dallo studio di taluni temi in fisica delle particelle: la teoria di
campo che descrive la teoria che si vuole studiare è riformulata su uno spazio-tempo discreto, ovvero
definito da un reticolo di punti. Una volta che questo sia stato fatto, la teoria può essere, come si dice,
simulata per mezzo di processi stocastici.
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