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 = 1,5 mT = 2,58 s

Un astronauta su un altro pianeta trova che un pendolo semplice lungo 1,5 m ha un periodo di 2,58 s per piccole oscillazioni. Trova l’accelerazione di gravità g su quel pianeta.

L = 1,5 mT = 2,58 s
g = m/s²
2.Molle e pendoliDifficile
3,3 kgk = 410 N/mA = 7 cm

Una massa di 3,3 kg attaccata a una molla con k = 410 N/m viene spostata di 7 cm dalla posizione di equilibrio e lasciata andare. Trova l’energia totale E dell’oscillazione.

m = 3,3 kgk = 410 N/mA = 7 cm
E = J
3.Onde, suono e otticaMedia
L = 0,5 mn = 4

Un tubo aperto a entrambe le estremità ha una lunghezza di 0,5 m. La velocità del suono è 343 m/s. Trova la frequenza f4 della sua armonica numero 4.

v = 343 m/sn = 4L = 0,5 m
f4 = Hz
4.Onde, suono e otticaDifficile
θa​ = ?n1​ = 1,55n2​ = 1,53n0​ = 1,00

Una fibra ottica ha un nucleo con n₁ = 1,55 e un mantello con n₂ = 1,53. 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 = 1,55n2 = 1,53n0 = 1,00
θa = °

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: g = 8,896 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 = 4π²·1,5/2,58² = 8,896 m/s²

Risposta

g = 8,896 m/s²
2.Molle e pendoli

Risposta: E = 1,005 J

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 = √(410/3,3) = 11,15 rad/s

Energia

E = ½·k·A² = ½·410·0,07² = 1,005 J

Risposta

E = 1,005 J
3.Onde, suono e ottica

Risposta: f4 = 1372 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 = 2L/n = 2·0,5/4 = 0,25 m

Frequenza

f = v/λ = 343/0,25 = 1372 Hz

Risposta

f4 = 1372 Hz
4.Onde, suono e ottica

Risposta: θa = 14,37 °

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 = 1,53/1,55 = 0,9871 → θc = 80,79°

Apertura numerica

NA = √(1,55² − 1,53²) = 0,2482

Angolo di accettazione

θa = arcsin(0,2482) = 14,37°

Risposta

θa = 14,37°

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