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 = 1,2 mT = 3,57 s

Un astronauta su un altro pianeta trova che un pendolo semplice lungo 1,2 m ha un periodo di 3,57 s per piccole oscillazioni. Trova l’accelerazione di gravità g su quel pianeta.

L = 1,2 mT = 3,57 s
g = m/s²
2.Molle e pendoliDifficile
0,2 kgk = 420 N/mA = 17 cm

Una massa di 0,2 kg attaccata a una molla con k = 420 N/m viene spostata di 17 cm dalla posizione di equilibrio e lasciata andare. Trova la sua velocità massima vmax.

m = 0,2 kgk = 420 N/mA = 17 cm
vmax = m/s
3.Onde, suono e otticaMedia
100 dB?10 m20 m

Una piccola sorgente emette suono in modo uguale in tutte le direzioni. Il livello è 100 dB a 10 m da essa. Trova il livello β2 a 20 m, trascurando assorbimento e riflessioni.

β1 = 100 dBr1 = 10 mr2 = 20 m
β2 = dB
4.Onde, suono e otticaDifficile
θa​ = ?n1​ = 1,48n2​ = 1,46n0​ = 1,00

Una fibra ottica ha un nucleo con n₁ = 1,48 e un mantello con n₂ = 1,46. Trova il massimo angolo θa rispetto all’asse della fibra con cui la luce proveniente dall’aria può entrare nell’estremità della fibra ed essere ancora guidata dalla riflessione totale interna.

n1 = 1,48n2 = 1,46n0 = 1,00
θa = °

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: g = 3,717 m/s²

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.

Ricava g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1,2/3,57² = 3,717 m/s²

Risposta

g = 3,717 m/s²
2.Molle e pendoli

Risposta: vmax = 7,79 m/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.

Pulsazione

ω = √(420/0,2) = 45,83 rad/s

Velocità massima

vmax = A·ω = 0,17·45,83 = 7,79 m/s

Risposta

vmax = 7,79 m/s
3.Onde, suono e ottica

Risposta: β2 = 93,98 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).

Rapporto delle intensità

I₂/I₁ = (10/20)² = 0,25

Nuovo livello

β₂ = 100 + 10·log₁₀(0,25) = 93,98 dB

Risposta

β2 = 93,98 dB

Ogni raddoppio della distanza abbassa il livello di circa 6 dB.

4.Onde, suono e ottica

Risposta: θa = 14,03 °

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.

Angolo critico sul mantello

sin θc = 1,46/1,48 = 0,9865 → θc = 80,57°

Apertura numerica

NA = √(1,48² − 1,46²) = 0,2425

Angolo di accettazione

θa = arcsin(0,2425) = 14,03°

Risposta

θa = 14,03°

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