Corso di Laboratorio di Fisicaldfm.roma2.infn.it/new/materiale/presentazioni/La luce e i suoi... · ... Fresnel, Goethe ... Università di Roma Tor Vergata ― Corso di laboratorio

Università di Roma Tor Vergata ― Corso di laboratorio di Fisica

Corso di

Laboratorio di Fisicaprof. Mauro Casalboni

dott. Giovanni Casini

Ver. Marzo 2014



Che cosa è la luce?

Questa è una domanda molto

antica……


Democrito

Tolomeo

Erone di Alessandria, Lucrezio

Ibn-Alhazen, Avicenna

V s

ec a

.C.

III

sec

a.C

.

I se

c d.C

.

I se

c a.

C.

X s

ec

XV

I se

c

XV

II s

ec

XX

sec

Pitagora

Euclide

Maurolico, Keplero

Galilei, Snell, Cartesio,

Fermat, Grimaldi, Bartholin

Newton, Huygens

Young, Fresnel, Goethe

Maxwell, Fizeau

Einstein

Meccanica

Quantistica

XIX

sec

una cronologia

Che cos’è la luce?


Newton

Newton sostiene una teoria corpuscolare della luce. Grazie

ai suoi esperimenti di dispersione della luce con i prismi è il

primo a capire che la luce bianca è una miscela dei diversi

colori dello spettro solare. Prima di lui si credeva che la

luce bianca fosse pura e i colori fossero generati dal

contrasto fra luce e ombra insieme al passaggio nel vetro.


Huygens

Huygens sostiene una teoria

ondulatoria della luce, grazie

alla quale riesce a spiegare la

riflessione e la rifrazione.

Inoltre formula il suo

famoso principio in base al

quale ogni punto del fronte

d’onda può essere

considerato una sorgente di

ampiezza infinitesima.


Young e Fresnel

• Young compie il primo

esperimento di

diffrazione della luce

• Fresnel sviluppa una

teoria adeguata a

spiegare le frange di diffrazione e interferenza: la

sua teoria segna l’affermazione definitiva della

teoria ondulatoria su quella corpuscolare.


Fizeau e Maxwell

• Fizeau eseguì la prima misura terrestre della velocità

della luce

• Maxwell scrisse le equazioni del campo

elettromagnetico. Ci si accorse che queste equazioni in

determinate condizioni indicavano la formazione di

onde elettromagnetiche. Presto si riuscirono a produrre

le onde radio, che furono poi sfruttate per le

comunicazioni.

• Di notevole importanza è il fatto che la velocità teorica

delle onde e.m. era vicina a quella della luce misurata da

Fizeau.


La luce come onda elettromagnetica

• Grazie agli esperimenti di Hertz si giunse ad

identificare la luce come un’onda

elettromagnetica di frequenza molto alta

• Il lavoro teorico di Kirchhoff diede una

formulazione del principio di Huygens basata

sulle equazioni di Maxwell


Einstein

• Einstein introdusse l’ipotesi che, in determinate

circostanze, la luce viaggiasse in “quanti” indivi-

sibili di energia. Con l’ipotesi dei quanti di luce

spiegò diversi fenomeni, quali la fluorescenza e

l’effetto fotoelettrico. Successivamente dimostrò

che questi quanti dovevano avere anche un

momento, proprio come una particella.

• Compton misurò la quantità di moto dei

“fotoni”, come furono chiamati i quanti di luce.


La teoria attuale

• La luce può comportarsi sia come onda che

come corpuscolo, a seconda delle circostanze

• Luis De Broglie ipotizzo che tutte le particelle

microscopiche possedessero questa doppia

natura di onda e di corpuscolo, che oggi

chiamiamo dualità onda-corpuscolo


Che cosa è la luce?

Distinguere fra gli aspetti FISICI e quelli PERCETTIVI

Rispondere a questa domanda per i fisici significa

• capire chi la genera,

• descriverla isolando alcune sue caratteristiche

Distinguere fra gli aspetti FISICI e quelli PERCETTIVI


Chi produce la luce?

Le onde e.m. sono generate quando una carica elettrica si muove con moto

accelerato. In questa animazione la carica elettrica si muove di moto

armonico lungo un’antenna, per esempio l’antenna del vostro cellulare,

producendo un’onda elettromagnetica che irradia nello spazio circostante.

Le equazioni che descrivono questo fenomeno sono le equazioni di

Maxwell. Esse descrivono l’onda elettromagnetica attraverso i campi

elettrico e magnetico, rispettivamente rappresentati in blu e rosso. In

generale i due campi oscillanti sono perpendicolari uno all’altro, come si

vede nell’animazione. Inoltre ambedue sono perpendicolari alla direzione di

propagazione.


La luce è quindi un’onda elettromagnetica in grado di

• Viaggiare nel vuoto

• Interagire con la materia

“inizio” della luce

“fine” della luceLa materia come

La luce come mezzo per studiare la materia


Che caratteristiche ha la luce?Frequenza

Lunghezza d’onda

ν = 1/T

T è il periodo, la

durata di

un’oscillazione

λ

ν è la frequenza

λ è la lunghezza d’onda


Che caratteristiche ha la luce?

Velocità

λν = c


ν crescente

λ crescente


Visione fotopica (giorno)

Visione scotopica (notte)


Visione scotopica e fotopica

Due immagini della stessa

fontana prese di giorno e di sera,

con opportuna esposizione.

No! Le macchine fotografiche

non sono come l’occhio, i colori

cambierebbero solo a causa della

diversa illuminazione presente di

giorno e di notte.

L’immagine inferiore è stata

ottenuta dalla superiore tramite

manipolazione digitale:

togliendo il rosso, diminuendo

intensità, luminosità e

saturazione dei colori.


Se vedessimo l’infrarosso….

Naturalmente l’infrarosso non corrisponde a nessun colore percepito.

L’immagine nell’infrarosso, registrata con apposite termocamere, mostra

che l’emissione infrarossa è alta (rosso) nelle zone più calde del corpo del

gatto, bassa nella pelliccia (calda ma isolante) e molto bassa nella punta del

naso, fredda a causa della continua evaporazione del liquido umettante.


Se vedessimo l’infrarosso….

Viceversa le immagini all’infrarosso

ci permettono di studiare la tempe-

ratura delle varie zone di un corpo

senza toccarlo, un aspetto tecnolo-

gico molto importante per control-

lare come è distribuito il calore.

Nella foto accanto possiamo vedere

l’alta temperatura raggiunta dalla

«pancia» dello Shuttle, rivestita con

apposito materiale resistente alle alte

temperature che ne costituisce lo

scudo termico. Il riscaldamento è

dovuto all’attrito con l’aria durante

la discesa nell’atmosfera.


Ci dobbiamo invece limitare ….

http://uncyclopedia.org/wiki/Image:Refraction.jpg







Vetri romani I sec d.C.

©National Geographic



Cattedrale di Chartres

XIII secolo



Anatomia dell’occhio umano


G = 100

R = 40

B = 20

G = 20

R = 100

B = 0


tonalità

saturazione luminosità

La finestra di personalizzazione dei colori del sistema operativo Windows


i colori

Sintesi additiva

Sintesi sottrattiva


Sintesi additiva dei colori

giallo magenta

ciano

• Aprite un porgramma per

disegnare, come Paint

• Scegliete di creare un nuovo file;

si aprirà uno spazio bianco dove

disegnare

• Osservate con una lente

d’ingrandimento un punto dove

lo schermo è bianco

• L’ingrandimento deve essere

sufficiente per distinguere i pixels

del monitor

• Di che colore sono?


Sintesi sottrattiva dei colori

blu

verde

rosso

• Aprite paint o un altro programma per

disegnare, create una forma circolare o

quadrata

• Per riempirla con un colore secondario

aprite la palette per creare un colore

personalizzato

• Per creare il ciano inserite Rosso=0,

Verde=255, Blu=255, quindi usatelo per

riempire la forma

• Fate lo stesso per creare la forma gialla

(blu=0) e quella magenta (verde=0)

• Stampate le forme su lucido per inkjet e

usatele sovrapponendole su un foglio di

carta o sulla lavagna luminosa


Trasmissione

Rifrazione

Riflessione

Diffusione


Trasmissione

Rifrazione

Riflessione

Diffusione


Trasmissione

Rifrazione

Riflessione

Diffusione




Trasmissione

Rifrazione

Riflessione

Diffusione


Trasmissione

Rifrazione

Riflessione

Diffusione

http://www.001pc.com/articles/computer/2004/04/22/GeForce6800UltarNV40/Subsurface scattering.jpg

http://www.001pc.com/articles/computer/2004/04/22/GeForce6800UltarNV40/Subsurface scattering.jpg


Raggio visivo: è uno dei raggi che entra nell’occhio, in genere intendiamo

quello su focalizziamo la nostra attenzione. È ovvio che possiamo vedere solo

i raggi che entrano nel nostro occhio. Come mai vediamo il cammino dei

raggi in alcune circostanze?

Possiamo osservare il cammino dei raggi che non entrano nel nostro occhio

grazie alla diffusione: il raggio deve avere intensità sufficiente affinché la

luce diffusa superi quella ambiente; per esempio un singolo raggio solare in

un ambiente in penombra mostrerà la diffusione da parte del pulviscolo

atmosferico e la diffusione di un raggio laser può essere evidenziata

spargendo della polvere (talco, gesso) lungo il suo cammino.

È importante capire che osservare

il raggio (solare o laser) come oggetto

esterno tramite la diffusione non è

come guardare il sole o far entrare il

laser nell’occhio (cose entrambe da

non fare assolutamente!)


Trasmissione

Rifrazione

Riflessione

Diffusione

LUMINESCENZA

Giudizio Universale: immagine nel VIS (left) e in fluorescenza indotta UV (right):

l'azzurro di lapislazzuli, utilizzato da Michelangelo, è riconoscibile dalla presenza

di una fluorescenza bianco-verdastra


A cosa serve la luce?

Tagliare, saldare

Curare

Produrre energia

Misurare le distanze

Comunicare

Ricordare

Calcolare

Misurare l’inquinamento

Studiare la materia

Studiare l’universo

…..

…..


http://www.boscarol.com/pages/cs/index.html

http://www.fis.unipr.it/seminari_scuole/2005/materia/proprottiche2005.pdf

http://www.ee.iastate.edu/~hsiu/em_movies.html

http://optoweb.fis.uniroma2.it/

http://www.ilmondodelletelecomunicazioni.it/propagazione_file/propagazione.htm

Contributors (involontari…):

http://www.carla146.it/

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