Onde e ottica: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 4 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Molle e pendoli

Massa su una molla
T = 2π·√(m/k)
Pendolo
T = 2π·√(L/g)
Pulsazione
ω = √(k/m) = 2π/T
Velocità e accelerazione massime
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energia
E = ½·k·A²

Onde, suono e ottica

Velocità dell’onda
v = fλ, T = 1/f
Corda
v = √(T/μ), μ = m/L
Livello sonoro
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Sorgente puntiforme
I = P/(4πr²)
Onde stazionarie
corda o tubo aperto fn = n·v/(2L); tubo chiuso fn = n·v/(4L), n dispari
Effetto Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Indice di rifrazione
n = c/v, λ = λ0/n
Legge di Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Angolo critico
sin θc = n2/n1
Fibra ottica
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lenti e specchi
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Doppia fenditura
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Reticolo
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Fenditura singola
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Metodo

  1. Individua il tipo di problema: velocità dell’onda, livello sonoro, onda stazionaria, Doppler, rifrazione, lente o specchio, oppure interferenza.
  2. Scrivi prima la relazione: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) oppure n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Converti le unità: nm, mm e cm in m, e controlla se gli angoli sono misurati dalla normale.
  4. Controlla segni e plausibilità: un’immagine virtuale ha dᵢ < 0, una sorgente che si avvicina suona più acuta, un tubo chiuso ha solo armoniche dispari.

2Esercizi

1.Molle e pendoliMedia
t (s)x (cm)1,05 s

Una massa di 0,8 kg attaccata a una molla con k = 280 N/m viene spostata di 9 cm nel verso positivo e lasciata da ferma a t = 0. Trova il suo spostamento x dall’equilibrio a t = 1,05 s (con segno).

m = 0,8 kgk = 280 N/mA = 9 cmt = 1,05 s
x = cm
2.Molle e pendoliDifficile
0,2 kgk = 500 N/mA = 16 cm

Una massa di 0,2 kg attaccata a una molla con k = 500 N/m viene spostata di 16 cm dalla posizione di equilibrio e lasciata andare. Trova l’energia totale E dell’oscillazione.

m = 0,2 kgk = 500 N/mA = 16 cm
E = J
3.Onde, suono e otticaMedia
FFdo​ = 6 cmf = 30 cm

Un oggetto si trova a 6 cm davanti a una lente sottile convergente con distanza focale di 30 cm. Trova la distanza dell’immagine di. Usa la convenzione dei segni 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 per una lente divergente, di < 0 per un’immagine virtuale).

do = 6 cmf = 30 cm
di = cm
4.Onde, suono e otticaDifficile
SO30 m/sf = 25 kHz

Un sensore fermo invia ultrasuoni di 25 kHz verso un’auto che si avvicina a 30 m/s e miscela l’eco con il segnale emesso. Trova la frequenza di battimento fb (velocità del suono 343 m/s).

f = 25 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: x = 6,308 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

Pulsazione

ω = √(280/0,8) = 18,71 rad/s
ω·t = 18,71·1,05 = 19,64 rad

Spostamento

x = A·cos(ω·t) = 9·cos(19,64) = 6,308 cm

Risposta

x = 6,308 cm
2.Molle e pendoli

Risposta: E = 6,4 J

Moto armonico semplice: una massa m su una molla di costante elastica k oscilla con pulsazione ω = √(k/m) e periodo T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un pendolo semplice di lunghezza L ha T = 2π·√(L/g). Con ampiezza A, la velocità massima è A·ω, l’accelerazione massima A·ω² e l’energia ½·k·A².

Pulsazione

ω = √(500/0,2) = 50 rad/s

Energia

E = ½·k·A² = ½·500·0,16² = 6,4 J

Risposta

E = 6,4 J
3.Onde, suono e ottica

Risposta: di = −7,5 cm

Ottica geometrica: su una superficie di separazione, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (legge di Snell), con gli angoli misurati dalla normale e n = c/v. Passando in un mezzo più lento il raggio si avvicina alla normale. Da un mezzo più denso (n₁ > n₂) oltre l’angolo critico θc = arcsin(n₂/n₁) tutta la luce viene riflessa: riflessione totale interna. Le lenti sottili e gli specchi sferici obbediscono a 1/f = 1/do + 1/di con l’ingrandimento m = −di/do. Convenzione dei segni: f > 0 per una lente convergente e uno specchio concavo (f = R/2), f < 0 per una lente divergente e uno specchio convesso; di > 0 per un’immagine reale, di < 0 per una virtuale, e m < 0 per un’immagine capovolta.

Equazione delle lenti sottili

1/di = 1/f − 1/do = 1/30 − 1/6
di = −7,5 cm
FF6 cmf = 30 cm

Diagramma dei raggi

virtuale, dallo stesso lato dell’oggetto

Risposta

di = −7,5 cm
4.Onde, suono e ottica

Risposta: fb = 4792 Hz

Onde stazionarie ed effetto Doppler: una corda fissata a entrambe le estremità, o un tubo aperto a entrambe le estremità, contiene un numero intero di semilunghezze d’onda: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Un tubo chiuso a un’estremità ha un nodo all’estremità chiusa e un ventre a quella aperta: L = nλ/4 con n solo dispari, fn = n·v/(4L). Quando sorgente o osservatore si muovono lungo la retta che li unisce, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): usa i segni superiori per il moto di avvicinamento. Due onde di frequenza quasi uguale producono battimenti alla frequenza |f₁ − f₂|.

Frequenza all’auto

f′ = 25000·(343 + 30)/343 = 27187 Hz

Frequenza dell’eco

f″ = f′·343/(343 − 30) = 29792 Hz

Frequenza di battimento

fb = |f″ − f| = 4792 Hz

Risposta

fb = 4792 Hz

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