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 = 0,5 mT = 2,3 s

Un astronauta su un altro pianeta trova che un pendolo semplice lungo 0,5 m ha un periodo di 2,3 s per piccole oscillazioni. Trova l’accelerazione di gravità g su quel pianeta.

L = 0,5 mT = 2,3 s
g = m/s²
2.Molle e pendoliDifficile
t (s)x (cm)t = ?4

Un corpo oscilla di moto armonico semplice con periodo 2,8 s e ampiezza 8 cm. Qual è il tempo minimo t che gli serve per passare dall’equilibrio a uno spostamento di 4 cm?

T = 2,8 sA = 8 cmx = 4 cm
t = s
3.Onde, suono e otticaMedia
FFdo​ = 25 cmf = −30 cm

Un oggetto si trova a 25 cm davanti a una lente sottile divergente con distanza focale di 30 cm. Trova la distanza dell’immagine di. Usa la convenzione dei segni 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 per una lente divergente, di < 0 per un’immagine virtuale).

do = 25 cmf = −30 cm
di = cm
4.Onde, suono e otticaDifficile
SO15 m/sf = 40 kHz

Un sensore fermo invia ultrasuoni di 40 kHz verso un’auto che si allontana a 15 m/s e miscela l’eco con il segnale emesso. Trova la frequenza di battimento fb (velocità del suono 343 m/s).

f = 40 kHzu = 15 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: g = 3,731 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 = 4π²·0,5/2,3² = 3,731 m/s²

Risposta

g = 3,731 m/s²
2.Molle e pendoli

Risposta: t = 0,2333 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/2,8 = 2,244 rad/s

Risolvi per il tempo

0,5 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,5) = 0,5236 rad
t = 0,5236/2,244 = 0,2333 s

Risposta

t = 0,2333 s
3.Onde, suono e ottica

Risposta: di = −13,64 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.

Equazione delle lenti sottili

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−30) − 1/25
di = −13,64 cm
FF25 cmf = −30 cm

Diagramma dei raggi

virtuale, dallo stesso lato dell’oggetto

Risposta

di = −13,64 cm
4.Onde, suono e ottica

Risposta: fb = 3352 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′ = 40000·(343 − 15)/343 = 38251 Hz

Frequenza dell’eco

f″ = f′·343/(343 + 15) = 36648 Hz

Frequenza di battimento

fb = |f″ − f| = 3352 Hz

Risposta

fb = 3352 Hz

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