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 e ottica: pacchetto last-minute
Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 4 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.
1Formule e metodi
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
- Individua il tipo di problema: velocità dell’onda, livello sonoro, onda stazionaria, Doppler, rifrazione, lente o specchio, oppure interferenza.
- 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.
- Converti le unità: nm, mm e cm in m, e controlla se gli angoli sono misurati dalla normale.
- 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
Un pendolo semplice ha una lunghezza di 1,3 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova il suo periodo T per piccole oscillazioni.
L = 1,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Molle e pendoliDifficile
Una massa attaccata a una molla con k = 320 N/m oscilla su una superficie priva di attrito con un’ampiezza di 12 cm. Trova la sua energia cinetica K quando si trova a 6 cm dall’equilibrio.
k = 320 N/mA = 12 cmx = 6 cm
K = J
3.Onde, suono e otticaMedia
Un piccolo altoparlante irradia 0,01 W di potenza sonora in modo uguale in tutte le direzioni. Trova il livello di intensità sonora β a 8 m.
P = 0,01 Wr = 8 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
4.Onde, suono e otticaDifficile
Luce di lunghezza d’onda 633 nm incide ad angolo retto su un reticolo con 300 linee per millimetro. Trova l’angolo θ2 del massimo di ordine 2.
N = 300 mm⁻¹λ = 633 nmm = 2
θ2 = °
3Soluzioni
1.Molle e pendoli
Risposta: T = 2,287 s
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.
Periodo del pendolo
T = 2π·√(1,3/9,81) = 2,287 s
Risposta
T = 2,287 s
2.Molle e pendoli
Risposta: K = 1,728 J
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.
Energia totale
E = ½·k·A² = ½·320·0,12² = 2,304 J
Energia della molla in x
U = ½·k·x² = ½·320·0,06² = 0,576 J
Energia cinetica
K = 2,304 − 0,576 = 1,728 J
Risposta
K = 1,728 J
3.Onde, suono e ottica
Risposta: β = 70,95 dB
Onde: un’onda periodica avanza di una lunghezza d’onda in un periodo, quindi v = fλ con T = 1/f. Su una corda tesa v = √(T/μ), con T la tensione e μ = m/L la massa per metro. Il suono nell’aria viaggia a circa 343 m/s a 20 °C, la luce nel vuoto a c = 3,00 × 10⁸ m/s. La sonorità si misura su una scala logaritmica: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB con I₀ = 10⁻¹² W/m², quindi un’intensità 10 volte maggiore aggiunge 10 dB. Una sorgente puntiforme distribuisce la sua potenza P su una sfera: I = P/(4πr²).
Intensità
I = P/(4πr²) = 1,243 × 10⁻⁵ W/m²
Livello
β = 10·log₁₀(1,243 × 10⁻⁵/10⁻¹²) = 70,95 dB
Risposta
β = 70,95 dB
4.Onde, suono e ottica
Risposta: θ2 = 22,32 °
Interferenza e diffrazione: la luce proveniente da due fenditure a distanza d raggiunge un punto dello schermo con una differenza di cammino d·sin θ. Le frange luminose compaiono dove d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Per uno schermo a distanza L ≫ d, la m-esima frangia luminosa si trova in y = mλL/d e la distanza tra le frange è Δy = λL/d. Un reticolo con N linee per millimetro ha d = 1/N e massimi nitidi in d·sin θ = mλ; poiché sin θ ≤ 1, l’ordine massimo è il più grande intero m ≤ d/λ. Una fenditura singola di larghezza a ha frange scure in a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
Distanza tra le linee
d = 1/300 mm = 3,333 × 10⁻⁶ m
Equazione del reticolo
sin θ = mλ/d = 2·633 × 10⁻⁹/(3,333 × 10⁻⁶) = 0,3798
θ = 22,32°
Risposta
θ2 = 22,32°
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