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 e ottica: pacchetto last-minute
Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 4 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.
1Formule e metodi
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
- Individua il tipo di problema: velocità dell’onda, livello sonoro, onda stazionaria, Doppler, rifrazione, lente o specchio, oppure interferenza.
- 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.
- Converti le unità: nm, mm e cm in m, e controlla se gli angoli sono misurati dalla normale.
- 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
Un astronauta su un altro pianeta trova che un pendolo semplice lungo 1 m ha un periodo di 4,94 s per piccole oscillazioni. Trova l’accelerazione di gravità g su quel pianeta.
L = 1 mT = 4,94 s
g = m/s²
2.Molle e pendoliDifficile
Una massa attaccata a una molla con k = 210 N/m oscilla su una superficie priva di attrito con un’ampiezza di 12 cm. Trova l’energia U immagazzinata nella molla quando la massa si trova a 6 cm dall’equilibrio.
k = 210 N/mA = 12 cmx = 6 cm
U = J
3.Onde, suono e otticaMedia
Una piccola sorgente emette suono in modo uguale in tutte le direzioni. Il livello è 80 dB a 1 m da essa. Trova il livello β2 a 4 m, trascurando assorbimento e riflessioni.
β1 = 80 dBr1 = 1 mr2 = 4 m
β2 = dB
4.Onde, suono e otticaDifficile
Luce di lunghezza d’onda 589 nm incide ad angolo retto su un reticolo con 600 linee per millimetro. Trova l’angolo θ2 del massimo di ordine 2.
N = 600 mm⁻¹λ = 589 nmm = 2
θ2 = °
3Soluzioni
1.Molle e pendoli
Risposta: g = 1,618 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 = 4π²·1/4,94² = 1,618 m/s²
Risposta
g = 1,618 m/s²
2.Molle e pendoli
Risposta: U = 0,378 J
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.
Energia totale
E = ½·k·A² = ½·210·0,12² = 1,512 J
Energia della molla in x
U = ½·k·x² = ½·210·0,06² = 0,378 J
Risposta
U = 0,378 J
3.Onde, suono e ottica
Risposta: β2 = 67,96 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 = (1/4)² = 0,0625
Nuovo livello
β₂ = 80 + 10·log₁₀(0,0625) = 67,96 dB
Risposta
β2 = 67,96 dB
Ogni raddoppio della distanza abbassa il livello di circa 6 dB.
4.Onde, suono e ottica
Risposta: θ2 = 44,98 °
Interferenza e diffrazione: la luce proveniente da due fenditure a distanza d raggiunge un punto dello schermo con una differenza di cammino d·sin θ. Le frange luminose compaiono dove d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Per uno schermo a distanza L ≫ d, la m-esima frangia luminosa si trova in y = mλL/d e la distanza tra le frange è Δy = λL/d. Un reticolo con N linee per millimetro ha d = 1/N e massimi nitidi in d·sin θ = mλ; poiché sin θ ≤ 1, l’ordine massimo è il più grande intero m ≤ d/λ. Una fenditura singola di larghezza a ha frange scure in a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
Distanza tra le linee
d = 1/600 mm = 1,667 × 10⁻⁶ m
Equazione del reticolo
sin θ = mλ/d = 2·589 × 10⁻⁹/(1,667 × 10⁻⁶) = 0,7068
θ = 44,98°
Risposta
θ2 = 44,98°
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