STRUTTURA VIDEO
Il video è diviso in quattro parti:
– una introduzione all’argomento
– una seconda parte in cui viene spiegato il fenomeno della riflessione totale e delle guide d’onda mentre si vede l’impostazione del primo esperimento
– una terza parte in cui viene illustrato il secondo esperimento e spiegato il fenomeno della riflessione totale nei prismi
– spiegazione finale di alcuni fenomeni che possiamo vedere in natura dovuti a questo effetto fisico
CONTENUTI TEORICI ESPOSTI
Riflessione totale
Sappiamo che quando un raggio di luce si propaga da una sostanza con indice di rifrazione maggiore a una con indice di rifrazione minore, per esempio se passa dall’acqua all’aria, si rifrange allontanandosi dalla perpendicolare alla superficie di separazione dei due mezzi attraversati. E oltre a questo raggio rifratto si forma anche un debole raggio riflesso all’interno del materiale con indice di rifrazione maggiore. Possiamo osservare che:
– man mano che aumenta l’angolo di incidenza aumenta anche l’angolo di rifrazione e di conseguenza il raggio rifratto si avvicina sempre di più alla superficie di separazione; questo avviene fino a quando non viene raggiunto un angolo di incidenza per cui il raggio rifratto è radente alla superficie, questo angolo è chiamato angolo limite.
Dunque, l’angolo limite è il valore dell’angolo di incidenza a cui corrisponde un angolo di rifrazione di 90°. Al di sopra di questo angolo il fascio di luce confluisce tutto nel raggio riflesso, mentre non è più visibile il raggio rifratto. N.B. Il fenomeno di riflessione totale è possibile solo quando il raggio di luce passa da un mezzo con indice di rifrazione maggiore a uno con indice di rifrazione minore (es. dall’acqua all’aria).
Guide d’onda e fibre ottiche
Una guida d’onda è una struttura metallica solitamente rettangolare che confina al suo interno onde elettromagnetiche che vengono riflesse fra le due estremità consentendone una corretta propagazione. Nel caso delle fibre ottiche questo fenomeno è realizzato aggiungendo piccole quantità di atomi non facenti parte della guida stessa allo scopo di modificare le proprietà elettroniche del materiale in corrispondenza del centro della fibra durante il processo stesso di fabbricazione. Questo permette di ottenere un innalzamento dell’indice di rifrazione, necessario per la riflessione totale. Con questa tipologia di fabbricazione è possibile ottenere fibre aventi caratteristiche diverse per i vari utilizzi. Ad esempio, per le telecomunicazioni a lunga distanza si utilizzano delle fibre in silice. Queste ottime caratteristiche hanno reso possibile le attuali reti di telecomunicazione ad alta velocità di trasmissione.
Aspetti sperimentali
- Materiale necessario: teca di plexiglass, un po’ di acqua, latte, bastoncino di incenso, Domopak trasparente, un laser.
Nel primo esperimento, tramite l’utilizzo di un laser, vengono illustrati la rifrazione e la riflessione totale di un raggio di luce passando da acqua ad aria. Innanzitutto, in una teca di plexiglass trasparente si versa una certa quantità d’acqua, all’interno della quale vengono poi aggiunte delle gocce di latte, così da rendere visibile il percorso seguito dal laser. Sopra la superficie dell’acqua, grazie a un bastoncino di incenso, si produce un po’ di fumo che poi viene confinato dentro la teca, ricoperta tramite del Domopak trasparente, anch’esso per rendere visibile la traiettoria del laser in aria. A questo punto utilizzando il laser viene dimostrato il fenomeno della riflessione totale, tramite i vari percorsi che il raggio laser segue passando dall’acqua all’aria, utilizzando inclinazioni diverse fino a trovare l’angolo limite.
- Materiale necessario: dei tubi qualsiasi di ugual dimensione, 2 prismi con sezione a forma di triangolo isoscele, un laser, colla, oggetti per fare da ripiano.
L’idea del secondo esperimento è quella di riprodurre il sistema sul quale si basano i periscopi usati dai sottomarini, tramite la riflessione totale nei prismi. Utilizzando due prismi con sezione a forma di triangolo isoscele inseriti opportunamente in un tubo è possibile far deviare la luce che entra nel tubo 2 volte di 90°, perché dentro ciascun prisma il raggio colpisce la faccia inclinata con un angolo superiore a quello limite e quindi viene riflesso completamente. A questo scopo, prima di tutto si devono prendere dei tubi e dividerli a metà, così da avere dei tubi “aperti”. A questo punto bisogna incollarli tra di loro e incollare pure su di essi dei ripiani per i prismi e per il laser. Ora accendendo il laser e orientandolo opportunamente si osserva il suo percorso con due riflessioni totali attraverso il tubo: è stata così realizzata una guida d’onda.
Un’applicazione della riflessione totale: Il fenomeno “Fata Morgana”
Il fenomeno chiamato “Fata Morgana” è un tipo di miraggio che si può scorgere in occasioni particolari appena sopra l’orizzonte. Avviene a partire da una variazione di temperatura che provoca una variazione di densità e quindi dell’indice di rifrazione. In particolare, possiamo osservarlo quando la temperatura dell’aria in prossimità del suolo è minore di quella dell’aria sovrastante. Proprio queste sono le condizioni necessarie per il fenomeno della riflessione totale che avviene quando la luce passa da strati d’aria con indice di rifrazione maggiore a strati con indice di rifrazione minore come quelli in prossimità del suolo. Grazie alla riflessione totale è possibile vedere oggetti “distanti”, come isole, coste o barche, in posizioni diverse da quelle originarie oppure allungate o compresse.
Si consiglia la visione del seguente video per capire meglio la spiegazione: https://www.youtube.com/watch?v=rIxb01D1wQg
SITOGRAFIA
http://web.tiscali.it/lukecondor/Le%20Guide%20d’onda.htm (docenti.unina.it)
https://www.lavocedimaruggio.it/wp/effetto-fata-morgana-cose-scopriamolo-insieme.html
(lavocedimaruggio.it)
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