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)0,8 s

Una massa di 1,3 kg attaccata a una molla con k = 280 N/m viene spostata di 15 cm nel verso positivo e lasciata da ferma a t = 0. Trova il suo spostamento x dall’equilibrio a t = 0,8 s (con segno).

m = 1,3 kgk = 280 N/mA = 15 cmt = 0,8 s
x = cm
2.Molle e pendoliDifficile
1,5 kgk = 330 N/mA = 6 cm

Una massa di 1,5 kg attaccata a una molla con k = 330 N/m viene spostata di 6 cm dalla posizione di equilibrio e lasciata andare. Trova la sua accelerazione massima amax.

m = 1,5 kgk = 330 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
3.Onde, suono e otticaMedia
θc = ?90°vetro crown, n1​ = 1,50acqua, n2​ = 1,33

La luce si propaga in vetro crown (n = 1,50) verso una superficie di separazione piana con acqua (n = 1,33). Trova l’angolo critico θc oltre il quale viene totalmente riflessa.

n1 = 1,50n2 = 1,33
θc = °
4.Onde, suono e otticaDifficile
SO10 m/sf = 20 kHz

Un sensore di parcheggio fermo invia ultrasuoni di 20 kHz verso un’auto che si allontana a 10 m/s. Trova la frequenza f″ dell’eco che torna al sensore (velocità del suono 343 m/s).

f = 20 kHzu = 10 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: x = 10,17 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 = √(280/1,3) = 14,68 rad/s
ω·t = 14,68·0,8 = 11,74 rad

Spostamento

x = A·cos(ω·t) = 15·cos(11,74) = 10,17 cm

Risposta

x = 10,17 cm
2.Molle e pendoli

Risposta: amax = 13,2 m/s²

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 = √(330/1,5) = 14,83 rad/s

Accelerazione massima

amax = A·ω² = 0,06·14,83² = 13,2 m/s²

Risposta

amax = 13,2 m/s²
3.Onde, suono e ottica

Risposta: θc = 62,46 °

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 = 1,33/1,50 = 0,8867

Angolo critico

θc = arcsin(0,8867) = 62,46°

Risposta

θc = 62,46°
4.Onde, suono e ottica

Risposta: f″ = 18867 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′ = 20000·(343 − 10)/343 = 19417 Hz

Frequenza dell’eco

f″ = f′·343/(343 + 10) = 18867 Hz

Risposta

f″ = 18867 Hz

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