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
L = ?

Quanto deve essere lungo un pendolo semplice per avere un periodo di 1,2 s? Usa g = 9,81 m/s². Trova L.

T = 1,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
2.Molle e pendoliDifficile
t (s)x (cm)t = ?5,5

Un corpo oscilla di moto armonico semplice con periodo 0,5 s e ampiezza 11 cm. Qual è il tempo minimo t che gli serve per passare dal suo spostamento massimo di 11 cm a uno spostamento di 5,5 cm?

T = 0,5 sA = 11 cmx = 5,5 cm
t = s
3.Onde, suono e otticaMedia
θc = ?90°diamante, n1​ = 2,42acqua, n2​ = 1,33

La luce si propaga in diamante (n = 2,42) verso una superficie di separazione piana con acqua (n = 1,33). Trova l’angolo critico θc oltre il quale viene totalmente riflessa.

n1 = 2,42n2 = 1,33
θc = °
4.Onde, suono e otticaDifficile
λ = 656 nmθ1​ = ?

Luce di lunghezza d’onda 656 nm incide ad angolo retto su un reticolo con 1200 linee per millimetro. Trova l’angolo θ1 del massimo di ordine 1.

N = 1200 mm⁻¹λ = 656 nmm = 1
θ1 = °

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: L = 0,3578 m

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.

Ricava la lunghezza

L = g·(T/2π)² = 9,81·(1,2/2π)² = 0,3578 m

Risposta

L = 0,3578 m
2.Molle e pendoli

Risposta: t = 0,08333 s

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 = 2π/T = 2π/0,5 = 12,57 rad/s

Risolvi per il tempo

0,5 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,5) = 1,047 rad
t = 1,047/12,57 = 0,08333 s

Risposta

t = 0,08333 s
3.Onde, suono e ottica

Risposta: θc = 33,34 °

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.

Rifrazione a 90°

sin θc = n₂/n₁ = 1,33/2,42 = 0,5496

Angolo critico

θc = arcsin(0,5496) = 33,34°

Risposta

θc = 33,34°
4.Onde, suono e ottica

Risposta: θ1 = 51,92 °

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 = 1/1200 mm = 8,333 × 10⁻⁷ m

Equazione del reticolo

sin θ = mλ/d = 1·656 × 10⁻⁹/(8,333 × 10⁻⁷) = 0,7872
θ = 51,92°

Risposta

θ1 = 51,92°

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