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fisica:esperimenti_a_casa:fotometria_filtri_polarizzatori

LAB2GO Scienza

Fotometria: filtri polarizzatori e legge di Malus

Descrizione

Un'onda elettromagnetica è descritta da due vettori fondamentali: il vettore d'onda e quello di polarizzazione.
Il primo determina la direzione di propagazione dell'onda, il secondo la direzione lungo la quale l'onda oscilla mentre si propaga.  Fonte: http://webca.ca.infn.it/oldeman/fisica1920/Lez24_OndeElettromagnetiche.pdf

Un fascio di luce è polarizzato se formato da onde elettromagnetiche aventi tutte lo stesso vettore di polarizzazione, cioè che oscillano tutte lungo la stessa direzione.
Le onde elettromagnetiche prodotte da sorgenti ordinarie (es. lampadine ad incandescenza) hanno delle polarizzazioni casuali, per cui il fascio di luce risultante non ha una polarizzazione ben definita e viene quindi detto non polarizzato.
Utilizzando dei filtri polarizzatori, si può ottenere luce polarizzata a partire da quella non polarizzata.
Il filtro polarizzatore è uno strumento che ha un determinato asse di polarizzazione e permette di filtrare la luce in ingresso, selezionando solo le componenti della luce aventi la polarizzazione parallela all'asse di polarizzazione del filtro.

La legge di Malus descrive come varia l'intensità luminosa di un fascio polarizzato che attraversa un filtro polarizzatore.
Essa afferma che, dato un fascio polarizzato avente intensità luminosa $I_0$, che passa attraverso un filtro polarizzatore il cui asse di polarizzazione forma un angolo $\theta$ con la direzione di polarizzazione del fascio entrante, l'intensità $I$ del fascio luminoso uscente è data da $$I=I_0 \cos^2(\theta)$$

È da sottolineare che essa vale per un fascio entrante polarizzato, quindi per verificarla abbiamo bisogno di almeno due filtri polarizzatori. Con il primo si seleziona la componente polarizzata della luce proveniente dalla sorgente, la cui intensità $I_s$ viene dimezzata: $$I_0=\frac{I_s}{2}$$.

Il fascio uscente, di intensità $I_0$, è quindi polarizzato lungo l'asse di polarizzazione del primo filtro. Con il secondo filtro, ruotato in modo tale che il suo asse di polarizzazione formi un angolo $\theta$ rispetto all'asse del primo filtro, si può verificare la legge di Malus.
Per la presa dati viene utilizzata l'applicazione per smartphone Lux Light Meter, che misura l'illuminamento $E$. Se la distanza tra la sorgente ed il sensore resta fissa durante l'esperimento, $E$ è proporzionale all'intensità luminosa $I$ e la legge di Malus resta valida se sostituiamo $I$,$I_0$,$I_s$ con $E$,$E_0$,$E_s$.
Per chiarimenti riguardo le grandezze fotometriche e le relative unità di misura, consultare la scheda Grandezze e unità di misura fotometriche.

Strumenti

Strumenti necessari Descrizione
Sorgente luminosa
Almeno 2 filtri polarizzatori
Goniometro Viene utilizzato per misurare l'angolo $\theta$
Contenitore di cartone Viene utilizzato per contenere lo smartphone, sul contenitore deve essere ritagliata una finestra in modo tale da avere il sensore di luminosità dello smartphone esposto
Lux Light Meter Android

Realizzazione

La seguente descrizione fa riferimento allo svolgimento dell'esperienza per mezzo dell'applicazione Lux Light Meter, ma è possibile utilizzare qualsiasi altra applicazione che sfrutti il sensore di luminosità dello smartphone. Il sensore di luminosità è il sensore che determina la regolazione automatica della luminosità dello schermo a seconda dell'illuminazione esterna. Solitamente questo sensore si trova nella parte superiore o in quella inferiore dello schermo.
Operazioni preliminari:

  1. Procurarsi una sorgente luminosa;
  2. Posizionare la sorgente in un luogo buio, isolandola possibilmente da pareti e/o superfici di colore chiaro, in maniera tale da minimizzare la luce da esse riflessa;
  3. Per determinare l'esatta posizione del sensore di luminosità, avviare l'applicazione Lux Light Meter in presenza di una sorgente di luce qualsiasi e spostare il dito lungo lo schermo, fino a quando l'illuminamento misurato non sia pari a 0 lx, cioè quando il sensore viene oscurato dal dito;
  4. Ritagliare una finestra sul contenitore di cartone in corrispondenza della posizione del sensore di luminosità dello smartphone;
  5. Etichettare i filtri polarizzatori per tenere conto della direzione del loro asse di polarizzazione e fissare uno dei filtri sulla finestra del contenitore (usando del nastro adesivo su un lato del filtro, senza coprire la finestra);
  6. Per la presa dati su Lux Light Meter, ritagliare una finestra sul contenitore per osservare la parte del display in cui viene mostrato il valore misurato, oppure utilizzare un programma per la visualizzazione dello schermo del telefono sul pc.

Misurazione:

  1. Avviare l'applicazione per smartphone Lux Light Meter;
  2. Inserire lo smartphone nel contenitore di cartone preparato come descritto;
  3. Posizionare la sorgente di fronte al filtro polarizzatore, il valore misurato da Lux Light Meter è quello di $E_0$;
  4. Posizionare il secondo filtro polarizzatore sopra il primo, misurando l'angolo $\theta$ con un goniometro. Il valore misurato da Lux Light Meter è quello di $E$;
  5. Ripetere l'operazione diverse volte, facendo attenzione a mantenere fissa la distanza tra la sorgente e lo smartphone, quindi verificare la legge di Malus;
  6. Porre il secondo filtro polarizzatore a $\theta = 90°$ e verificare che in tal caso si ottiene l'illuminamento minimo;
  7. Inserire un terzo filtro tra i due e valutare come cambia l'illuminamento $E$, ripetendo lo stesso procedimento per diversi valori dell'orientazione del terzo filtro. Perché inserendo il terzo filtro la luce riappare, come per magia?

Schede didattiche

Schede didattiche Descrizione
Fotometria con lo smartphone Fotometria con lo smartphone
fisica/esperimenti_a_casa/fotometria_filtri_polarizzatori.txt · Ultima modifica: 2021/01/11 21:35 da emanuele.fondi