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 = 2,7 m

Un pendolo semplice ha una lunghezza di 2,7 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova il suo periodo T per piccole oscillazioni.

L = 2,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Molle e pendoliDifficile
0,5 kgk = 310 N/mA = 15 cm

Una massa di 0,5 kg attaccata a una molla con k = 310 N/m viene spostata di 15 cm dalla posizione di equilibrio e lasciata andare. Trova la sua accelerazione massima amax.

m = 0,5 kgk = 310 N/mA = 15 cm
amax = m/s²
3.Onde, suono e otticaMedia
S34 m/sOf = 440 Hz

Una sorgente di 440 Hz si muove a 34 m/s allontanandosi da un osservatore fermo. La velocità del suono è 343 m/s. Trova la frequenza f′ percepita dall’osservatore.

f = 440 Hzv = 343 m/svs = 34 m/s
f′ = Hz
4.Onde, suono e otticaDifficile
θn1​ = 1,48n2​ = 1,47n0​ = 1,00

Una fibra ottica ha un nucleo con n₁ = 1,48 e un mantello con n₂ = 1,47. Trova la sua apertura numerica NA.

n1 = 1,48n2 = 1,47
NA =

3Soluzioni

1.Molle e pendoli

Risposta: T = 3,296 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.

Periodo del pendolo

T = 2π·√(2,7/9,81) = 3,296 s

Risposta

T = 3,296 s
2.Molle e pendoli

Risposta: amax = 93 m/s²

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 = √(310/0,5) = 24,9 rad/s

Accelerazione massima

amax = A·ω² = 0,15·24,9² = 93 m/s²

Risposta

amax = 93 m/s²
3.Onde, suono e ottica

Risposta: f′ = 400,3 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|.

Formula dell’effetto Doppler

f′ = f·(v − vo)/(v + vs) = 440·(343 − 0)/(343 + 34)
f′ = 400,3 Hz

Risposta

f′ = 400,3 Hz
4.Onde, suono e ottica

Risposta: NA = 0,1718

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 = 1,47/1,48 = 0,9932 → θc = 83,34°

Apertura numerica

NA = √(1,48² − 1,47²) = 0,1718

Risposta

NA = 0,1718

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