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fisica:esperienze:ondoscopio

LAB2GO Scienza

Proprietà delle onde meccaniche con l'ondoscopio

L'ondoscopio è una vasca per onde nell'acqua, utile per lo studio delle onde meccaniche. Queste, sono un tipo di onde che, diversamente da quelle elettromagnetiche, possono propagarsi solo attraverso un mezzo e quindi non nel vuoto come le altre. Si definisce “onda” l'emissione di energia senza il trasporto di materia. Lo scopo è quello di dimostrare che al variare della frequenza, la velocità di propagazione rimane costante a parità di altezza del liquido. Successivamente si osserva il fenomeno dell'interferenza.

Strumenti

Strumenti necessari Descrizione
OndoscopioPer studiare le proprietà delle onde nell'acqua
RighelloPer valutare il fattore di ingrandimento dell'immagine delle onde

In particolare l'ondoscopio è cosi composto:

  1. vaschetta contenente acqua (con profondità data)
  2. martello vibrante modificabile (con altri tipo di martello) a una data frequenza anch'essa modificabile
  3. illuminazione stroboscopica grazie all'uso di un disco trasparente e nero a tratti che ruota a data frequenza
  4. ostacoli eventuali (oggetti in metallo o vetro)

Attaccando il martello ad un generatore di frequenza, esso produrrà sull'acqua delle onde circolari che, sovrastate dall'illuminazione della luce potranno essere osservate e studiate. Per studiarle, bisogna sapere lunghezza d'onda e frequenza per poter ricavare la velocità di propagazione. La prima si ottiene misurando la distanza tra due parti chiare o due parti scure $d$ (rispettivamente creste e ventri) moltiplicandola poi per la frequenza, indicata dall'ondoscopio. Inoltre, poiché sarebbe impossibile misurare una lunghezza d'onda direttamente sull'acqua, solitamente si usa la proiezione della luce sul tavolo, misurando la distanza $d'$ tra due creste (o ventri) consecutive. Ci sarà quindi un leggero ingrandimento dell'immagine proiettata sul tavolo rispetto a quella originale, di cui va tenuto conto moltiplicando $d'$ con il fattore di ingrandimento, ossia il rapporto tra la lunghezza $L$ dell'oggetto (il righello) posto all'altezza dell'acqua e la lunghezza $L'$ della sua immagine proiettata:

$d=d'·\frac{L}{L'}$

Per ottenere la lunghezza d'onda originale bisogna moltiplicare la “falsa” lunghezza d'onda per l'ingrandimento. Poi avendo controllato il valore della frequenza si moltiplica quest'ultima per la lunghezza d'onda reale:

$v=λ·f$

Noteremo che al variare della frequenza cambia anche la lunghezza d'onda e all'aumentare della prima diminuisce l'altra, quindi possiamo affermare che questi due valori sono inversamente proporzionali, per cui la velocità rimarrà costante:

misurando la distanza tra due creste, non essendo queste due linee, bisogna partire dal punto medio di queste zone di luce, per cui si avrà un errore di circa +0,2 cm per cui la velocità oscilla (in questo caso) tra 23 m/s e 27 cm/s.

$f$ (Hz)$Δf$ (Hz)$d=d'·\frac{L}{L'}$ (cm)$Δd$ (cm)$λ=\frac{d}{2}$ (cm)$v=λ·f$ (cm/s)
30 0,1 0.80,2 0,8 23,0
49 0,1 0,50,2 0,5 25,8
60 0,1 0,40,2 0,4 25,9
64 0,1 0,50,2 0,5 25,9
70 0,1 0,40,2 0,4 26,6

Calcoliamo la velocità media delle onde prodotte: $v_m=25,4 $ cm/s. Il suo errore, attraverso la semidispersione massima, è…

Come si può notare dalle prove di laboratorio effettuate, all'aumentare della frequenza, la lunghezza d'onda diminuisce, per cui la velocità rimane costante. C'è un errore di circa +0,2 cm per ogni misurazione di lunghezze d'onda, . Inoltre, al variare dell'altezza dell'acqua, a parità di frequenza la velocità di propagazione aumenterà rispetto al primo livello d'acqua, ma rispetto al secondo si manterrà costante con le altre frequenze.

Un altro tipo di studio può essere come le onde interagiscono tra di loro ricreando con lo strumento due principi:

Principio di Huygens:

secondo il principio di Huygens, ogni punto di un'onda piana può essere considerato una fonte. Onda piana:

Si può notare l'affermazione del principio già da come gli estremi dell'onda siano semicircolari, ma è possibile dimostrarlo anche grazie all'aiuto di un ostacolo: posizionando due ostacoli su una stessa retta immaginaria e molto vicini tra di loro, si creerà tra questi uno spazio molto piccolo, abbastanza piccolo da essere considerato una fonte. Dopo gli ostacoli però, l'onda non sarà più piana, ma circolare:

Principio di riflessione:

Si può verificare invece la riflessione di un'onda grazie a un ostacolo inclinato rispetto al fronte dell'onda:

questo ostacolo farà si che l'onda “rimbalzi” in un'altra direzione. Questa direzione non è però casuale, infatti l'angolo che forma l'onda con il suo riflesso ha come bisettrice la perpendicolare all'ostacolo. Infatti se l'ostacolo fosse inclinato di 45° otterremmo una sorta di quadrettatura.

Interferenza

Generiamo ora onde circolari interferenti con il martello vibrante a due punte.

Le onde emesse dalle due punte si sovrappongono in modo da rinforzarsi in alcuni punti (interferenza costruttiva) e da annullarsi in altri (interferenza distruttiva).

sitografia

fisica/esperienze/ondoscopio.txt · Ultima modifica: 2019/09/23 14:30 (modifica esterna)