La luce: natura, spettro elettromagnetico e fenomeni di riflessione

La luce e le sue caratteristiche

LA LUCE 2. cresce lunghezza d'onda A. 10 1 10 10 4 10-6 10 -8 0-10 10-12 10-14 metri onde radio onde TV microonde infra- rosso visibile ultra- violetto raggi X raggi y raggi cosmici frequenza v 3-108 3-1010 3-10 12 3-10 16 3-10 18 3.10 20 3-10 22 s-1 v cresce 700 nm 400 nm "rosso arancio giallo verde azzurro indaco violetto "

La luce è un'onda trasversale: la sua direzione di propagazione e di perturbazione sono perpendicolari. Essa si propaga anche nel vuoto. Non ha quindi bisogno di un mezzo per propagarsi.

La luce è un'onda elettromagnetica che può essere rilevata dal nostro sistema visivo. Come per il suono, anche per la luce, la condizione affinché ciò si verifichi è soddisfatta per lunghezze d'onda entro un certo intervallo, che è davvero molto piccolo rispetto all'intero spettro.

La luce visibile e i colori

La luce visibile corrisponde ad un'onda elettromagnetica di lunghezza d'onda compresa tra i 400 nm e i 700 nm. Si ricorda che 1 nm = 10-9 m, dimensioni di circa un capello. Noi percepiamo tali lunghezze d'onda attraverso i colori. Ogni colore ha una diversa lunghezza d'onda. Il colore non è altro che un'elaborazione del nostro cervello. Il giallo e il verde hanno delle lunghezze d'onda intermedie, il rosso pari a circa 700 nm e il viola pari a circa 400 nm.

2 < 400 nm sono legate all'ultravioletto, seguito poi dai raggi x e dai raggi y. Questi non sono percepibili dal nostro occhio. 2 > 700 nm sono legate all'infrarosso, alle microonde e alle onde radio. Anch'essi non sono percepibili dal nostro occhio.

La luce deve avere una sorgente e un rilevatore tuttavia, a differenza del suono, non ha bisogno di un mezzo per propagarsi: essa si propaga anche nel vuoto.

Confronto tra luce e suono

104 -2LUCE SUONO Onda trasversale. Onda longitudinale. Si propaga anche nel vuoto. Ha bisogno di un mezzo per propagarsi.

I raggi di luce e la loro propagazione

I RAGGI DI LUCE In molte situazioni è possibile schematizzare la luce mediante segmenti detti raggi di luce, che rappresentano la sua direzione di propagazione. Un raggio luminoso è un fascio di luce molto sottile, che viene rappresentato con una retta. La luce si propaga in linea retta: una linea continua, non spezzata.

Proposte didattiche per bambini

Vengono di seguito presentate alcune proposte che possono essere utilizzate con i bambini. Una torcia illumina un oggetto posto ad un'estremità di un tubo flessibile. Nel momento in cui il tubo è curvo il bambino non vedrà l'oggetto. Quando invece questo sarà perfettamente dritto riuscirà a vederla. Questo si verifica perché la luce si propaga in linea retta. Lo stesso può essere fatto con un oggetto posto dietro ad un pannello.

HASON & LUCE -1 105Inoltre, ogni volta che si introduce il concetto di onda è importante soffermarsi su tre elementi:

• sorgente;
• mezzo, ricordando che la luce si propaga anche nel vuoto;
• rivelatore.

Le sorgenti di luce e l'interazione con gli oggetti

Corpi luminosi e corpi illuminati

LE SORGENTI DI LUCE corpo luminoso Ci sono corpi che sono sorgenti di luce e ci sono oggetti che invece la diffondono. I corpi che emettono la luce sono chiamati corpi luminosi o sorgenti di luce. I raggi che essi emettono colpiscono gli altri oggetti (i corpi illuminati), inoltre sono diffusi in tutte le direzioni ed corpo illuminato entrano infine nei nostri occhi. Noi vediamo gli oggetti perché questi vengono illuminati.

Interazione della luce con un oggetto

INTERAZIONE DELLA LUCE CON UN OGGETTO Cosa succede quando la luce incide su un oggetto? Possono accadere tre situazioni:

• la luce può essere riflessa;
• può essere assorbita dal materiale;
• può essere trasmessa, ossia attraversa il materiale e va oltre.

I tre fenomeni sono tra loro legati dalla conservazione dell'energia. La somma della luce riflessa R, della luce assorbita A e della luce trasmessa T consentono di ottenere l'intensità totale della luce I che incide sull'oggetto. R+A+T=I Uno specchio per esempio rifletterà molto di più rispetto ad altri materiali, quindi la luce assorbita e quella trasmessa risulteranno quasi trascurabili. Pertanto, la luce incidente I sarà quasi tutta pari alla luce riflessa R.

Classificazione dei corpi illuminati

106I corpi illuminati possono essere classificati come:

• oggetti opachi
• oggetti trasparenti
• oggetti traslucidi

Gli oggetti opachi sono quelli che non si lasciano attraversare dalla luce, in parte l'assorbono, in parte la riflettono; sono opachi i libri, le rocce ... Gli oggetti che si lasciano attraversare dalla luce sono invece oggetti trasparenti come il vetro. Guardando attraverso è possibile vedere gli oggetti posti dietro. Gli oggetti traslucidi non sono né totalmente trasparenti, né completamente opachi. Guardando attraverso non è possibile vedere gli oggetti posti dietro in modo nitido.

Ombra e penombra

Sorgenti puntiformi

OMBRA E PENOMBRA SORGENTI PUNTIFORMI Il fatto che la luce si propaghi in linea retta risulta sorgente puntiforme evidente considerando le ombre generate dagli oggetti opachi illuminati. Una sorgente viene considerata puntiforme quando è molto più piccola rispetto all'oggetto. Tale sorgente emette luce a 360º. Si può considerare per esempio una moneta illuminata da una zona d'ombra sorgente puntiforme. Tale sorgente proietta su uno schermo un'ombra dai contorni netti. Per ottenere l'ombra occorre tracciare dei segmenti che uniscono la sorgente con gli estremi dell'oggetto, fino allo schermo.

Sorgenti estese

107SORGENTI ESTESE Rispetto al caso precedente le dimensioni dell'oggetto e della sorgente sono confrontabili. A B ombra penombra Se la sorgente è estesa, intorno all'ombra si forma la penombra, in cui arrivano solo alcuni raggi emessi dalla sorgente. Per costruire ombra e penombra si tracciano dai due punti estremi A e B della sorgente due segmenti che vanno ciascuno verso gli estremi dell'oggetto fino alla sorgente. La penombra è la zona parzialmente oscurata dall'oggetto.

sorgente oggetto sorgente puntiforme oggetto opaco 1 opaco puntiforme Le dimensioni dell'ombra di un oggetto su uno schermo dipendono anche dalla distanza schermo dalla sorgente e dallo schermo. Se l'oggetto è molto vicino allo schermo l'ombra tende ad avere le sorgente oggetto oggetto opaco opaco sorgente estesa estesa stesse dimensioni trasversali dell'oggetto, mentre la penombra tende a scomparire; se invece l'oggetto è più lontano dallo schermo sia l'ombra che la penombra hanno dimensioni maggiori.

Eclissi solari

Il sole è una sorgente che può essere considerata estesa rispetto ai pianeti presenti nel sistema solare, mentre viene considerato puntiforme, perché lontano, rispetto ad un oggetto presente sulla Terra. I fenomeni d'ombra e penombra legati al sole che si possono osservare sono le eclissi, conseguenza dei movimenti della Terra e della Luna. Quando la Luna passa tra il Sole e la Terra ed è allineata con essi si ha una eclissi di Sole. L'eclissi è totale per i punti che si trovano nel cono d'ombra proiettato dalla Luna; è invece parziale per quelli che si trovano nella zona di penombra. Da tutti gli altri punti l'eclissi non è visibile.

108eclissi totale Sole Terra Luna eclissi parziale

La velocità della luce

Velocità della luce nel vuoto

LA VELOCITÀ DELLA LUCE NEL VUOTO La luce si propaga con la velocità più alta che si possa raggiungere. La velocità della luce viene indicata con la lettera c. c = 300.000 km/s È la massima velocità che un corpo può raggiungere ed è la stessa in tutti i sistemi di riferimento. La luce proveniente dal sole impiega circa 8 minuti per arrivare a noi. 150 milioni di km = 8 minuti-luce

Sole Terra

Velocità della luce in un mezzo trasparente

LA VELOCITÀ DELLA LUCE IN UN MEZZO TRASPARENTE Quando la luce si propaga in un mezzo la sua velocità è ridotta di un fattore n, chiamato indice di rifrazione. v = n C indice di rifrazione L'indice di rifrazione dipende dal tipo di materiale.

Riflessione della luce

Relazione tra fascio incidente e riflesso

109RIFLESSIONE DELLA LUCE Che relazione c'è tra il fascio di luce incidente e quello riflesso? raggio incidente raggio t riflesso S superficie riflettente liscia (specchio)

Se si chiama i l'angolo di incidenza e r l'angolo di riflessione, formati rispettivamente dal raggio incidente e dal raggio riflesso con la perpendicolare alla superficie, si verifica che essi giacciono sullo stesso piano e hanno uguale ampiezza. Queste osservazioni sono leggi empiriche note come leggi della riflessione:

1. Legge: il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie riflettente giacciono sullo stesso piano, definito piano di incidenza.
2. legge: l'angolo di incidenza i è uguale a quello di riflessione r. i=r

L'angolo i è formato dal raggio incidente e dalla normale alla superficie. L'angolo riflesso r è formato dalla normale alla superficie e dal raggio riflesso. Se gli angoli i e r sono uguali, lo sono anche gli angoli ad essi complementari: s e t > s = t

Riflessione su superfici scabrose

Le leggi della riflessione sono valide anche quando la superficie su cui incide il fascio luminoso è scabra, cioè ha delle asperità. Poiché tutte le piccole porzioni di superficie hanno inclinazioni diverse tra loro, i singoli raggi riflessi sono sparpagliati in tutte le direzioni. L'effetto che risulta è quello di una luce diffusa che proviene dalla superficie illuminata.

Esperienze pratiche sulla riflessione

110Possiamo appoggiare un foglio di cartone sulla lamina, in modo che esso sia sfiorato dai due raggi. Quindi il rag- gio incidente e quello riflesso stanno in un unico piano. ssimiliano Trevisan 2009 Se misuriamo l'angolo di incidenza î, tra il raggio e la perpendicolare allo specchio, e l'angolo di riflessione f, osserviamo che essi sono uguali. perpendicolare A B Possibili esperienze da condurre in aula: si invii un sottile fascio di luce su una lamina di metallo piana e ben levigata. Dalla superficie emerge un raggio riflesso, anch'esso sottile e ben definito.

Lo specchio piano

Funzionamento dello specchio piano

LO SPECCHIO PIANO Lo specchio piano è il più semplice apparato ottico che sfrutta la riflessione. Grazie alle due leggi empiriche che regolano tale fenomeno è possibile analizzare il suo funzionamento a partire da un semplice esempio con una sorgente puntiforme. Se i raggi provenienti dalla sorgente puntiforme incontrano uno specchio piano, essi vengono riflessi e raggiungono i nostri occhi lungo una direzione che forma un angolo uguale a quello di incidenza. Noi continuiamo a percepire l'immagine della sorgente S, anche se i raggi non provengono direttamente da essa ma da un punto nel quale convergono i prolungamenti dei raggi riflessi: diciamo che in questo caso l'immagine è virtuale.

specchio piano otob ani p = q agoraog ip S S' p q Essa sembra trovarsi, infatti, al di là dello specchio, in un punto S' simmetrico ad S rispetto al piano riflettente. La distanza p tra S e il piano dello specchio è uguale alla distanza q tra S' e lo stesso piano -> p = q I due triangoli rettangoli ottenuti sono uguali. Si distinguono pertanto due tipi di immagine:

• reale, quando è ricostruita dalla convergenza dei raggi luminosi;
• virtuale, quando è ricostruita dalla convergenza dei prolungamenti dei raggi luminosi.

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