Velocità della luce - Liceo Classico Scientifico XXV Aprile

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VELUCIZZIAMOCI!
Ufficialmente la misura più
precisa della velocità della
luce è di 299 792 458
metri al secondo.
Ma come siamo
arrivati a questo
risultato?
Già nell’antichità greca Empedocle e Lucrezio
avevano fatto le prime ipotesi sulla velocità
della luce e per molto tempo si credette che
essa si propagasse istantaneamente.
Successivamente Galileo si rese
conto che ciò non era vero. A
dimostrazione di questo ideò un
esperimento per misurare la
velocità della luce.
Descrizione dell’esperimento
Galileo ed un suo assistente andarono con una lanterna sulla cima di due colline.
Galileo scoprì la lanterna e l’assistente, non appena vide la luce, fece un segnale.
Galileo avrebbe quindi dovuto misurare il tempo necessario alla luce per
percorrere la distanza tra le due colline.
L’esperimento non portò ad alcun risultato. La
velocità della luce era troppo grande per essere
misura con gli strumenti che aveva Galileo al
tempo!!!
Nonostante l’insuccesso egli rimase comunque
della convinzione che la luce avesse una velocità
finita.
La teoria di Galileo fu confermata da
Romer che nel 1676 riuscì a misurare,
seppure approssimativamente, la
velocità della luce.
Armand Fizeau:
(Parigi,23 settembre 1819-Ventevil,18 settembre 1896)
I suoi primi lavori furono svolti in
collaborazione con Léon Foucault.
Realizzò la prima misura diretta della velocità
nell’aria, grazie a un dispositivo basato su
specchi e un disco dentato.
Fizeau rivelò inoltre l’applicabilità dell’effetto
Doppler, un cambiamento apparente della
frequenza e della lunghezza d’onda di
un’onda percepita da un osservatore che si
trova in movimento rispetto alla sorgente
della luce.
La teoria di Galileo fu confermata da
Romer che nel 1676 riuscì a misurare,
seppure approssimativamente, la
velocità della luce.
Esperimento Fizeau:
• Un sottile fascio luminoso proveniente da una sorgente S,
dopo essere stato in parte trasmesso e in parte riflesso da uno
spechio semiriflettente A, incide sul bordo di una ruota
dentata R.
• La luce che passa tra due denti della ruota incontra, ad una
distanza d, lo specchio B, dove si riflette tornando indietro.
• Se la ruota è ferma, il raggio di ritorno passa attraverso lo
stesso vano e colpisce di nuovo lo specchio A; qui la luce viene
parzialmente trasmessa arrivando così fino all’osservatore.
• Dopo vari esperimenti il valore trovato da Fizeau con questo
metodo fu di 313300 km/s.
Jean Bernard Léon Foucault:
(Parigi, 18 settembre 1819- 11 febbraio 1868)
• È un fisico francese conosciuto per
l’invenzione del pendolo che serve a
dimostrare la rotazione della Terra.
• Fece una serie di esperienze sulla
luce. Il suo interesse spaziò anche
verso l’interferenza dei raggi
infrarossi ed alla polarizzazione
cromatica della luce.
Esperimento di Foucault
• Migliorò l’esperienza di Fizeau sostituendo la ruota dentata
con uno specchio rotante.
• Egli trovò per la velocità della luce nell’aria il valore di 298000
km/s.
• Con lo stesso dispositivo stabilì che la velocità di propagazione
della luce nell’acqua è uguale a circa ¾ della velocità di
propagazione dell’aria.
Albert Abraham Michelson
(Strzelno, 19 dicembre 1852- Pasodena, 9 maggio 1931)
• Fin dal 1877, Michelson iniziò a
studiare un miglioramento del
metodo di misura della velocità
della luce basato sugli specchi
rotanti.
• Nel 1923, Michelson condusse ad
una misura della velocità della
luce pari a 299792.5 km/s ossia ad
un valore ancora più vicino a
quello attualmente accettato.
Esperimento di Michelson
• Albert Michelson pensò di effettuare una doppia misurazione
della velocità della luce, con un apparecchio chiamato
interferometro, nella direzione del moto terrestre e in
direzione opposta, con lo scopo di confrontare i due risultati e
di provare il moto della Terra attraverso l'etere. La conclusione
che si poteva trarre dal risultato negativo dell'esperienza era
che la velocità della luce non subisce alcuna influenza da
parte del moto terrestre. Una spiegazione consiste nel
supporre che la velocità della luce sia sempre la stessa in tutte
le direzioni, indipendentemente dallo stato di moto
dell'osservatore.
La velocità della luce è
un’ INVARIANTE
Ma che cosa significa?
Osserviamo dalla banchina un treno in movimento.
All’interno vediamo un ragazzo che lancia un frisbee.
Se misuriamo la velocità del frisbee dalla banchina essa
NON RISULTERA’ UGUALE
a quella misurata se fossimo all’interno del treno.
La velocità misurata dalla banchina è la somma
algebrica della velocità del treno e della velocità
del frisbee.
Velocità treno
Velocità frisbee
VFB = VFR + VTR
Se invece il ragazzo proiettasse un raggio di luce,
questo avrebbe
LA STESSA VELOCITA’
sia se misurata dall’interno del treno che dalla banchina.
La velocità della luce non varia rispetto al sistema di
riferimento,
è definita quindi una grandezza
Velocità della luce, saremo capaci di
calcolarla con un semplice esperimento?
Cosa serve?
- Un forno a microonde non
combinato, di cui conosciamo
la frequenza
- Un recipiente, ma non di
metallo
- Acqua e farina
- Microonde
Microondeee? Ma cosa sono?
Le microonde sono onde
elettromagnetiche, come la luce,
e hanno anche la stessa velocità!
…e la lunghezza d’onda??
La lunghezza d’onda è la distanza tra due creste o
due valli, e si indica con λ.
Ma come cuoce il forno a
microonde?!?!?!
Come sulle corde di una
chitarra
si formano onde stazionarie
sonore, all’interno del
forno a microonde
si creano onde stazionarie
elettromagnetiche che
oscillano su e giù senza
spostarsi, accumulando
energia…
La distanza tra due punte è uguale
a metà della lunghezza d’onda
Ecco perché dovremo togliere il piatto rotante per evitare
una cottura uniforme… tanto è ancora presto per il pranzo!!
Procediamo...
Eliminiamo il piatto rotante
all'interno del forno e
prepariamo una mistura di
acqua e farina. La pastella che
si andrà a formare, dovrà essere
abbastanza densa e ricoprire
interamente il fondo del
recipiente. Come mostrato in
figura --->

Inseriamo il recipiente nel forno, impostando quest'ultimo
su una cottura di poche decine di secondi.

E adesso?
Una volta tolto il
recipiente dal forno, sarà
possibile notare varie
zone di cottura
(naturalmente, se avete
proceduto bene); la
distanza tra queste ultime
corrisponde a metà della
lunghezza d'onda ed
essa è misurabile con un
righello.
...in mano la calcolatrice!
La distanza tra le zone di cottura è circa 6 cm. Questi dobbiamo
raddoppiarli per ottenere la lunghezza d'onda, che da qui in poi
indicheremo con λ.
Sappiamo inoltre che la velocità di un'onda è il prodotto tra la sua
frequenza (f) e la sua lunghezza d'onda, quindi: V = λ x f
Quindi, sapendo che:
λ = 6cm x 2 = 12cm
frequenza forno = f = 2.45 Ghz
V = 12cm x 2.45 Ghz = 294
La velocità della luce è
000 000 m/s
299 792 458 m / s
...direi che ci siamo andati vicini!
Osservazioni...
Varie sono state le difficoltà incontrate, sicuramente la principale è stata
l’incertezza sulla misura di λ, dovuta all’irregolarità dell’espandersi delle zone
cotte.
Lo scopo principale del nostro lavoro non è stato misurare rigorosamente la
velocità della luce, ma dimostrare che la misura di costanti fisiche è accessibile a
tutti, così da poter gustare il fascino che questi valori portano.

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