Ottica geometrica

Rifrazione

cannuccia_spezzata (13K) dal sito http://www.roomk.it/?showimage=85
La rifrazione è il fenomeno in cui un raggio luminoso passa da un mezzo di propagazione a un altro.

Anche questo fenomeno, come la riflessione, è compatibile sia con l'ipotesi corpuscolare, sia con quella ondulatoria: corpuscoli e onde che passano da un mezzo di propagazione ad un altro variano generalmente sia la traiettoria, sia la velocità, però un'onda, contrariamente ad un fascio di particelle, può suddividersi: parte di essa si riflette, cioè torna indietro, parte si rifrange, cioè attraversa la superficie di separazione.

Nel passaggio da un mezzo ad un altro il raggio di luce cambia direzione e velocità. La luce ha velocità massima c = 3 108 m/s nello spazio vuoto e rallenta in altri mezzi di propagazione. Un mezzo è tanto più rifrangente quando più la velocità della luce rallenta.

Si dice indice di rifrazione n di un mezzo di propagazione il rapporto tra la velocità c della luce nel vuoto e la velocità v della luce in quel particolare mezzo: n = c / v. L'indice di rifrazione cambia con il colore della luce.
Quale affermazione è corretta, tra le seguenti?
  1. L'indice di rifrazione si misura in m/s ed è sempre maggiore di 1
  2. L'indice di rifrazione è un numero puro ed è sempre minore di 1
  3. L'indice di rifrazione è un numero puro ed è sempre maggiore di 1

Indici di rifrazione (con luce verde)

mezzoncommento
aria1,00029l'aria si comporta in pratica come il vuoto
acetone1,359
acqua1,334
alcol etilico1,365
perspex1,493
quarzo1,458
vetro crown1,517
vetro flint1,732
vetro pesantissimo1,890
diamante2,419il diamante è il mezzo più rifrangente

Scopriamo in laboratorio le leggi della rifrazione

Scopo dell'esperienza: Studiare la variazione di direzione della luce nel passaggio aria-vetro

Materiale occorrente: Lampada da banco ottico con collimatore, disco graduato con supporto, vetro di forma semicircolare con spessore di circa 5 cm (apparecchiature scientifiche: disco di Hartl)

Metodo di misura: Si monta il disco graduato sul supporto in modo che il fascio collimato di luce cada sul centro del disco. Il percorso del raggio è visibile se la luce lambisce la superficie del disco graduato. Si fissa il vetro sul diametro del disco e, ruotando opportunamente il disco, si misura l'angolo di incidenza (tra raggio incidente e normale) e quello di rifrazione (tra raggio rifratto e normale).

animazione (dal sito www.lmarconi.pr.it) rifrazione_riflessione (13K)

Risultati sperimentali (con luce rossa)

Angolo di incidenza αAngolo di rifrazione γ
0,0°0,0°
15,0°10,5°
20,0°14,0°
30,0°23,0°
40,0°27,0°
50,0°33,0°
60,0°38,0°

Analisi dei risultati: Nella rifrazione aria-vetro il raggio rifratto si avvicina alla normale e all'aumentare dell'angolo di incidenza aumenta anche l'angolo di rifrazione, ma NON in modo proporzionale, come è più evidente per angoli grandi. Nel 1621 Willebrand Snell scoprì la semplice relazione che lega i due angoli, successivamente formalizzata da Cartesio: esiste una relazione di proporzionalità diretta non tra gli angoli, ma tra i seni degli angoli. Se trasformiamo i dati sperimentali, calcolando il valore del seno per ogni angolo otteniamo una nuova tabella:

seno(α)seno (γ)
00
0,260,18
0,340,24
0,500,36
0,640,45
0,770,54
0,870,62

Costruendo un grafico con i punti trasformati si può vedere che i punti sono stavolta bene allineati e che il rapporto seno(α)/seno (γ) è circa 1,4

Leggi della rifrazione:

  1. Il raggio incidente, quello riflesso e la normale alla superficie di separazione giacciono sullo stesso piano;
  2. Il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e quello dell'angolo di rifrazione è costante ed è uguale al rapporto tra l'indice di rifrazione del secondo mezzo e l'indice del primo

sen α / sen γ = n2/n1

Il diamante è più rifrangente del vetro. In quale caso si ha l'angolo di rifrazione minore?
  1. Nella rifrazione aria-vetro
  2. Nella rifrazione aria-diamante

Copyleft Ludovica Battista

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