Luce e suono

Lampada a fibre ottiche

Questa lampada è formata da moltissime fibre di vetro le cui estremità inferiori sono collocate entro il basamento, di fronte ad un faretto che invia una intensa luce dentro le fibre ottiche. Lo schema riportato nella scheda "Guida di luce" mostra come mai un raggio di luce che entra attraverso un’estremità di una guida di luce, e quindi anche di una fibra di vetro, che viene chiamata fibra ottica, può uscire solo all’altra sua estremità.

Per rendere più interessante il dispositivo, dentro il basamento è stato collocato un filtro di vetro costituito da vari settori colorati, posto in lenta rotazione da un motorino elettrico: un po’ alla volta i diversi settori si interpongono tra il faretto e le estremità delle fibre ottiche, quindi la luce che esce all’esterno cambia lentamente di colore.

Al giorno d’oggi le fibre ottiche hanno molte applicazioni: in particolare, possono servire per guidare la luce in zone altrimenti inaccessibili, come ad esempio entro lo stomaco di un paziente, per controllare se vi sono lesioni. (Prima dell’invenzione delle fibre ottiche, occorreva aprire lo stomaco con un intervento chirurgico!).

Un’altra loro applicazione fondamentale è nel campo della telefonia, tant’è che le linee intercontinentali più recenti sono realizzate con cavi a fibre ottiche, e non più con cavi di rame.

 

Guida di luce

Questa grossa sbarretta di plastica trasparente costituisce una guida di luce, poiché in effetti la luce introdotta ad una sua estremità, (primo schema) può uscire solo in corrispondenza dell’altra estremità. Nota che ciò si verifica anche se la parete laterale della sbarretta è trasparente!

La spiegazione un po’ più approfondita è data nel secondo schema: quando un raggio di luce incide sulla superficie di separazione vetro-aria secondo un angolo i maggiore di un dato valore ie, chiamato angolo limite, allora il raggio non può uscire dal vetro stesso secondo la nota legge:

angolo di incidenza=angolo di riflessione (in simboli: i=r).

Quindi, se la guida di luce non ha curve troppo accentuate, l’angolo i sotto cui i singoli raggi incidono sulla superficie laterale è quasi sempre maggiore di ie, per cui solo pochi raggi riescono ad uscire.

 

 

Dispersione della luce

La luce che colpisce un prisma di vetro, oppure un prisma cavo riempito d’acqua, viene dispersa, cioè separata, nei suoi "colori" costituenti. In questo caso la luce viene emessa da una normale lampadina a incandescenza avente un filamento rettilineo. La lente che si intravede all’uscita della scatola ha la funzione di concentrare il fascio luminoso sullo schermo, rendendo meglio visibili i vari colori. Servendosi di questo dispositivo si può analizzare la luce emessa dalle varie sorgenti di luce. Così facendo si trova che alcune sorgenti danno uno spettro continuo, cioè costituito dagli infiniti colori

dell’arcobaleno, mentre altre danno uno spettro a righe, cioè costituito da pochi colori estremamente ben definiti, come nel caso della lampada a basso consumo. (Per spettro di una sorgente luminosa si intende l’insieme dei colori, o meglio delle radiazioni elettromagnetiche, che costituiscono la sua luce). Poiché le righe che formano un certo spettro sono caratteristiche degli atomi che compongono la sorgente luminosa esaminata, con questo dispositivo è possibile conoscere in particolare quali sono gli atomi che compongono l’atmosfera di una qualsiasi stella, anche se essa è situata a distanza di miliardi di chilometri da noi. In altre parole, con un prisma, è possibile fare l’analisi chimica dei corpi luminosi, anche se molto lontani.

Nota: anziché parlare di colore di un certo raggio luminoso, sarebbe meglio parlare di lunghezza d’onda della radiazione che costituisce il raggio luminoso.

 

 

 

Cella solare e disco di Newton

La luce che proviene dal faretto viene trasformata in energia elettrica entro la cella solare. Quest’ultima fa funzionare il piccolo motore elettrico che mette in movimento il disco di Newton. In altre parole, l’energia radiante emessa dalla lampadina viene trasformata prima in energia elettrica e poi in energia cinetica. Quando una cella di questo tipo (chiamata propriamente cella fotovoltaica al silicio) viene colpita dalla luce solare, invece che dalla luce della lampadina, il rendimento di trasformazione in energia elettrica aumenta sensibilmente e si avvicina al 10%. Se fosse possibile aumentare ancor di più tale rendimento, ad esempio ricorrendo a materiali diversi dal silicio (come si sta tentando di fare), l’impiego di queste celle per produrre energia elettrica su vasta scala aumenterebbe sensibilmente. E ciò avverrebbe con grande beneficio dell’umanità, in quanto é uno dei metodi meno inquinanti che si conoscono, per produrre energia.

 

 

Motore a luce

La luce trasporta energia, come dimostra questo dispositivo in cui l’accensione del faretto provoca la rotazione del mulinello. (Il suo rendimento però è molto basso, al contrario di altri dispositivi, quali le celle solari, che possono produrre energia elettrica in quantità assai maggiore.)

Forse avrai notato che le facce delle pale del mulinello sono alternativamente chiare e scure. Quando la luce colpisce le facce chiare, essa viene riflessa quasi completamente, mentre quando colpisce le facce scure viene in buona parte assorbita, proprio come capita a una persona che indossa un vestito nero stando al sole.

Ciò provoca un riscaldamento maggiore delle facce scure, rispetto al riscaldamento delle facce chiare. Dentro l’ampolla vi è un gas a bassa pressione. Quando le molecole di questo gas urtano le facce chiare, rimbalzano indietro con velocità più bassa della velocità con cui rimbalzano le molecole contro le facce scure.

Questo perché l’agitazione termica delle molecole che costituiscono le facce scure è maggiore dell’agitazione termica delle molecole che costituiscono le facce chiare. Perciò, le spinte che le molecole del gas ricevono da una faccia chiara sono minori delle spinte che ricevono le molecole del gas da una faccia scura. Per il principio di azione e reazione, quindi, le spinte che le molecole del gas danno a una faccia chiara sono minori di quella che danno a una faccia scura. Perciò, il mulinello inizierà a ruotare con le facce chiare che precedono le facce scure. (La rotazione è possibile perché l’attrito contro il perno di supporto e contro il gas residuo è molto basso.)

 

 

 

Miraggio

Se ti poni leggermente di fianco all’apertura del dispositivo, potrai vedere un’immagine talmente realistica che la scambierai per un oggetto vero, tant’è che avrai l’illusione di poterla toccare. In realtà, l’oggetto vero è al di sotto dell’apertura, appoggiato sullo specchio inferiore.

I raggi che provengono dall’oggetto vengono riflessi su entrambi gli specchi, prima di formare l’immagine. Questi specchi debbono essere di buona qualità ottica, affinché l’immagine non risulti deformata da ben due riflessioni poco nitide. Nota che questo dispositivo viene chiamato "miraggio" perché mostra una cosa che sembra esserci, mentre invece non c’è.

Tuttavia, in questo caso l’illusione è ottenuta con due specchi concavi, e non come avviene nel deserto, ove invece nasce dal fatto che gli strati d’aria a contatto col suolo sono molto più caldi di quelli sovrastanti.

 

 

Effetto infinito

 

In un supporto di legno ci sono due specchi affacciati, tra gli specchi c'è un orsetto.

Guardando in uno specchio si vedono infinite immagini dell'orsetto via via più lontane e più piccole. Questo avviene perché ciascuno specchio riflette sia l'oggetto reale sia l'immagine dell'oggetto prodotta dall'altro specchio.

 

 

 

Periscopio

Il periscopio serve per innalzare il punto di vista dell’osservatore, cioè permette a chi lo usa di osservare l’ambiente che lo circonda da un’altezza diversa.

Per utilizzare il periscopio basta guardare l’immagine riflessa nello specchio, infatti la luce proveniente dall’oggetto puntato viene riflessa e convogliata all’estremità opposta del periscopio dove l’utente può osservare.

 

 

 

Molla che scende le scale

Durante la discesa della molla si hanno tre forme di energia: potenziale gravitazionale, potenziale elastica e cinetica. Anche se il suo movimento avviene in maniera complessa, per il principio di conservazione dell’energia si può affermare che la somma delle tre forme di energia sopra elencate resta costante durante il moto, salvo quella che si trasforma in calore a causa dell’attrito. Nota in particolare come l’inerzia al moto dell’estremità superiore della molla permetta a quest’ultima di vincere il punto morto che si ha quando essa deve iniziare la discesa di un nuovo gradino.

 

 

 

Molle e onde elastiche

Queste molle possono servire per realizzare onde trasversali e onde longitudinali. Le prime si ottengono provocando con movimenti repentini della mano impulsi in direzione trasversale all’asse delle molle, mentre le seconde si ottengono con impulsi nella stessa direzione dell’asse delle molle.

Quando si colpisce l’estremità di una sbarra metallica, la materia si mette a vibrare sia trasversalmente che longitudinalmente: in altre parole, nei solidi vengono quasi sempre generati contemporaneamente due sistemi di onde (come nei terremoti, e anche come nel carillon), uno costituito da onde trasversali e l’altro da onde di compressione e di rarefazione (onde longitudinali). È interessante notare che anche la luce è costituita da onde trasversali.

 

 

Carillon

In questo strumento musicale i suoni vengono generati dalla vibrazione delle lamine aventi diversa lunghezza: ad ogni lunghezza corrisponde una nota particolare. Le singole lamine sono messe in vibrazione dalle punte che sporgono dal cilindro ruotante. Le punte debbono essere disposte opportunamente sulla superficie del cilindro, a seconda del motivo che si vuole eseguire. In effetti, per cambiare motivo, occorre cambiare cilindro.

 

 

 

Sonometro

È uno strumento molto antico: pare che Pitagora sia stato il primo a costruirne uno. È costituito, nel nostro caso, da un’asse di legno (sarebbe meglio una scatola di legno fungente da cassa di risonanza) sulla quale sono posti due ponticelli, uno fisso e l’altro scorrevole.

Sui due ponticelli sono tese tre corde: due hanno la stessa densità lineare, la terza ha densità maggiore.

Ogni corda ha un capo fissato ad una estremità dell’asse, mentre all’altro capo sono applicati dei pesi che determinano la tensione della fune. È possibile confrontare (almeno qualitativamente, "ad orecchio") le altezze dei suoni emessi dalle corde:

  1. a parità di densità lineare e lunghezza, variando la tensione;
  2. a parità di lunghezza e tensione, variando la densità;
  3. a parità di densità e tensione, variando la lunghezza.

Sull’asse, parallelamente alle corde, è posta una striscia di carta su cui sono tracciate delle tacche in corrispondenza delle quali andrebbero fissate le sbarrette di un ipotetico manico di chitarra, nell’ipotesi che la massima lunghezza delle corde sia di 1 metro. Per ogni tacca è indicata la corrispondente lunghezza della corda e la relativa nota, supponendo che alla massima lunghezza corrisponda un do.