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)1,15 s

Una massa di 0,5 kg attaccata a una molla con k = 100 N/m viene spostata di 11 cm nel verso positivo e lasciata da ferma a t = 0. Trova il suo spostamento x dall’equilibrio a t = 1,15 s (con segno).

m = 0,5 kgk = 100 N/mA = 11 cmt = 1,15 s
x = cm
2.Molle e pendoliDifficile
t (s)x (cm)t = ?4,5

Un corpo oscilla di moto armonico semplice con periodo 3 s e ampiezza 18 cm. Qual è il tempo minimo t che gli serve per passare dal suo spostamento massimo di 18 cm a uno spostamento di 4,5 cm?

T = 3 sA = 18 cmx = 4,5 cm
t = s
3.Onde, suono e otticaMedia
L = 1,2 mn = 3

Un tubo chiuso a un’estremità ha una lunghezza di 1,2 m. La velocità del suono è 343 m/s. Trova la frequenza f3 della sua armonica numero 3.

v = 343 m/sn = 3L = 1,2 m
f3 = Hz
4.Onde, suono e otticaDifficile
f1​ = 20 cmf2​ = −15 cm40 cm10 cm

Due lenti sottili hanno lo stesso asse, a 10 cm di distanza: la lente 1 con f₁ = 20 cm e la lente 2 con f₂ = −15 cm. Un oggetto si trova a 40 cm davanti alla lente 1. Trova la posizione di2 dell’immagine finale misurata dalla lente 2 (positiva oltre la lente 2, convenzione reale = positivo).

f1 = 20 cmf2 = −15 cms = 10 cmdo = 40 cm
di2 = cm

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: x = −9,346 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 = √(100/0,5) = 14,14 rad/s
ω·t = 14,14·1,15 = 16,26 rad

Spostamento

x = A·cos(ω·t) = 11·cos(16,26) = −9,346 cm

Risposta

x = −9,346 cm
2.Molle e pendoli

Risposta: t = 0,6294 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/3 = 2,094 rad/s

Risolvi per il tempo

0,25 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,25) = 1,318 rad
t = 1,318/2,094 = 0,6294 s

Risposta

t = 0,6294 s
3.Onde, suono e ottica

Risposta: f3 = 214,4 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|.

Lunghezza d’onda di questo modo

λ = 4L/n = 4·1,2/3 = 1,6 m

Frequenza

f = v/λ = 343/1,6 = 214,4 Hz

Risposta

f3 = 214,4 Hz
4.Onde, suono e ottica

Risposta: di2 = −30 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.

Immagine della lente 1

1/di1 = 1/20 − 1/40 → di1 = 40 cm

Oggetto per la lente 2

do2 = 10 − 40 = −30 cm

Immagine finale

1/di2 = 1/(−15) − 1/(−30) → di2 = −30 cm

Risposta

di2 = −30 cm

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