MISURA DELLA VELOCITA’ DELLA LUCE

1630: Il primo a capire che la luce aveva una velocità finita fu Galilei . Nel tentativo di dimostrarlo Galilei e un suo assistente si posero a qualche centinaio di metri di distanza l’uno dall’altro, di notte, recando ciascuno una lanterna, che veniva tenuta coperta. 

Galilei in un certo istante scopriva la sua lanterna e lo stesso faceva il suo assistente non appena vedeva la luce. Galilei misurava il tempo che trascorreva tra l’istante in cui scopriva la sua lanterna e l’istante in cui vedeva la luce della lanterna dell’assistente.
Il metodo non poteva aver successo perché il tempo da misurare era dell’ordine di qualche milionesimo di secondo.  
1676 RÖMER (astronomo olandese):
La misura avviene grazie alle osservazioni delle eclissi dei satelliti di Giove.
Per un osservatore posto su Giove il fenomeno avviene ogni periodo T di rivoluzione del satellite.
Per un osservatore posto sulla Terra , l’intervallo fra due eclissi è maggiore o minore di T a seconda che la Terra si stia allontanando o avvicinando rispetto a Giove.

Quando la Terra si sposta da A a B la luce deve percorrere in più un tratto  pari al diametro dell’orbita terrestre.
Misurato il ritardo pari a 1500sec calcolò la velocità della luce c. Trovò circa 200mila Km/s.

video spiega l'esperimento di Romer

FIZEAU – FOUCAULT metà 1800:
Nell’apparecchio di Fizeau un raggio luminoso passa fra i denti di una ruota dentata che ruota con velocità angolare w, viene riflesso da uno specchio S posto a distanza l dalla ruota e torna indietro.

Se la velocità angolare w è abbastanza grande, il raggio di ritorno viene intercettato dal dente che segue il foro attraverso il quale il raggio è passato all’andata.
Basta quindi aumentare la velocità di rotazione fino a quando si vede sparire la luce proveniente dallo specchio.
In queste condizioni il tempo impiegato dalla luce per percorrere 2l è pari al tempo impiegato dalla ruota a percorrere un angolo tra due denti della ruota.
Posto:

risulta:

il calcolo risulto molto vicino alla velocità di 300mila Km/s 

il video in inglese spiega gli esperimenti della misura della velocità della luce

LEGGE DI SNELL DELLA RIFRAZIONE

La velocità della luce nel vuoto è c=300 000 km/s. La velocità della luce v dipende dal mezzo ed è sempre inferiore a c.

Per questo motivo si definisce l'INDICE DI RIFRAZIONE del mezzo come RAPPORTO tra la velocità c nel vuoto e la velocità nel mezzo:

L'indice di rifrazione è sempre maggiore o uguale a 1. Ad esempio per l'acqua vale 1,33 e per il vetro ha un valore compreso tra 1,5 e 1,6. In generale si dice che un mezzo ha maggiore densità ottica di un altro se il suo indice di rifrazione è maggiore.

Per la luce vale il fenomeno di RIFLESSIONE e quello di RIFRAZIONE.
LA RIFLESSIONE : L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Il raggio incidente, la perpendicolare e il raggio riflesso appartengono allo stesso piano.

LA RIFRAZIONE: Un raggio di luce che cambia mezzo di propagazione viene in parte deviato cioè rifratto.  Passando da un mezzo meno denso, dove la luce è più veloce,  a uno più denso dove la luce è più lenta, il raggio di luce si AVVICINA alla perpendicolare alla superficie di separazione. 
Se passa dal mezzo più denso a quello meno denso si allontana dalla perpendicolare.

Il prodotto dell'indice di rifrazione e del seno dell'angolo che il raggio di luce forma con la perpendicolare rimane lo stesso.
NB: Generalmente la rifrazione si accompagna alla riflessione. Ad esempio quando un raggio di luce incide una lastra di vetro una parte di luce è riflessa e una parte è rifratta.

Segue un video su semplici esperimenti da fare in casa sulla rifrazione:

utile applet per sperimentare la rifrazione cambiando i mezzi di propagazione. CLICCA QUI

applet per sperimentare la rifrazione

ATTENZIONE : Quando un raggio di luce incontra la superficie di separazione tra due mezzi viene in parte riflessa e in parte rifratta.
Quindi la rifrazione avviene sempre insieme alla riflessione.

LA RIFLESSIONE TOTALE

Quando un raggio di luce passa da un mezzo più denso ad uno meno denso, il raggio rifratto si allontana dalla normale. Aumentando l'angolo il raggio si allontana sempre di più dalla normale e ad un certo punto non è più rifratto ma viene riflesso. L'angolo LIMITE è l'angolo d'incidenza tale che l'angolo rifratto è 90°. Se l'angolo d'incidenza è maggiore dell'angolo limite si ha riflessione.

esperimento di riflessione totale con laser

Per calcolare l'angolo limite tra il mezzo 1 e l'aria si pone

  

Nella fibbra ottica il raggio di luce interno incide con un angolo sempre maggiore all'angolo limite . Viene così continuamente riflesso internamente alla fibbra.

ESERCIZI:
ESEMPIO:  un raggio ingide la superficie della piscina con un angolo di 45°. Quanto vale l'angolo di rifrazione? n=1,33 dell'acqua [32°7']

PROBLEMA: Il faro di una barca è utilizzato per illuminare di notte una cassa affondata .
Con quale angolo di incidenza  deve essere orientato il faro per illuminare la cassa? [44°]

Il seguente video spiega le ragioni della rifrazione della luce dovuta al rallentamento della luce quando entra nel mezzo più denso facendo una analogia con una banda musicale che camminando passa da una zona asfaltata ad una zona sterrata.

Videolezione in inglese sulla rifrazione