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)1,3 s

Una massa di 0,5 kg attaccata a una molla con k = 180 N/m viene spostata di 3 cm nel verso positivo e lasciata da ferma a t = 0. Trova il suo spostamento x dall’equilibrio a t = 1,3 s (con segno).

m = 0,5 kgk = 180 N/mA = 3 cmt = 1,3 s
x = cm
2.Molle e pendoliDifficile
1 kgk = 370 N/m

Una massa di 1 kg viene attaccata all’estremità inferiore di una molla verticale non allungata con k = 370 N/m e lasciata da ferma. Usa g = 9,81 m/s². Trova la velocità massima vmax della massa.

m = 1 kgk = 370 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
3.Onde, suono e otticaMedia
L = ?n = 1

Un tubo aperto a entrambe le estremità deve avere la sua fondamentale (prima armonica) a 429 Hz. La velocità del suono è 343 m/s. Trova la lunghezza L del tubo.

v = 343 m/sn = 1f1 = 429 Hz
L = m
4.Onde, suono e otticaDifficile
Fdo​ = 50 cmR = 30 cm

Un oggetto si trova a 50 cm davanti a uno specchio convesso con raggio di curvatura di 30 cm. Trova l’ingrandimento m (negativo per un’immagine capovolta).

do = 50 cmR = 30 cm
m =

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: x = 2,679 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 = √(180/0,5) = 18,97 rad/s
ω·t = 18,97·1,3 = 24,67 rad

Spostamento

x = A·cos(ω·t) = 3·cos(24,67) = 2,679 cm

Risposta

x = 2,679 cm
2.Molle e pendoli

Risposta: vmax = 0,51 m/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.

Equilibrio e ampiezza

x₀ = m·g/k = 1·9,81/370 = 0,02651 m = A

Velocità massima

La velocità è massima nella posizione di equilibrio.

ω = √(370/1) = 19,24 rad/s
vmax = A·ω = 0,02651·19,24 = 0,51 m/s

Risposta

vmax = 0,51 m/s
3.Onde, suono e ottica

Risposta: L = 0,3998 m

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

λ = v/f = 343/429 = 0,7995 m

Lunghezza

L = nλ/2 = 1·0,7995/2 = 0,3998 m

Risposta

L = 0,3998 m
4.Onde, suono e ottica

Risposta: m = 0,2308

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.

Distanza focale

f = −R/2 = −15 cm

Equazione dello specchio

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−15) − 1/50
di = −11,54 cm
F50 cmf = −15 cm

Ingrandimento

m = −(−11,54)/50 = 0,2308

Risposta

m = 0,2308

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