INDICE ESPERIENZE: Interferenza-diffrazione Interferometro di Michelson Misurazione velocità della luce Assorbimento ed emissione della luce Dispositivi.

LABORATORIO ESTIVO DI FISICA

I Modulo: Luce, Materia, Energia

INDICE ESPERIENZE:

• Interferenza-diffrazione• Interferometro di Michelson• Misurazione velocità della luce• Assorbimento ed emissione della luce• Dispositivi fotovoltaici

L'obiettivo di questa esperienza è lo studio delle figure di interferenza e di diffrazione di un fascio laser che attraversa una fenditura singola o doppia

DIFFRAZIONE E INTERFERENZA

INTERFERENZAOgniqualvolta due onde si sovrappongono si ha interferenza. Vi sono due casi principali di interferenza:

Condizioni:

n Z

𝑏−𝑎=𝑛 λ 𝑏−𝑎=(𝑛+12) λ

DIFFRAZIONELa diffrazione è un fenomeno associato alladeviazione della traiettoria di propagazione delle onde quando queste superano un ostacolo lungo il loro cammino, come nel caso di una fenditura.

La dimensione della fenditura attraverso cui passa il raggio luminoso deve essere dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda della radiazione incidente

• Un raggio laser di λ = 650 ηm• Un disco a singola fenditura • Un disco a doppia fenditura• Un foglio o rilevatore su cui arriva il segnale

luminoso

STRUMENTAZIONE

ESPERIMENTOOBIETTIVO:

• nell’esperimento di diffrazione (a singola fenditura) mostrare che:

• Nell’esperimento di interferenza con due fenditure mostrare che:

e

• D = ampiezza fenditura (mm)• Δx = distanza tra i minimi (cm)• q = distanza laser-muro (cm)• Δn = ordine dei minimi (numero dei bui)• λ = lunghezza d’onda (ηm)• = Distanza tra le due fenditure• ΔY = Distanza tra due minimi della curva

sinusoidale

ANALISI DATIDIFFRAZIONE CON SINGOLA FENDITURA

CASO 1:

• Δx = (6,4 ± 0,1) cm • Δn = 8• q = (196,5 ± 0,5) cm • D = 0,16 mm

= (651 ± 12) ηm

CASO 2:

• Δx = (11,2 ± 0,1) cm • Δn = 7• q = (195 ± 0,5) cm• D = 0,08 mm

= (656 ± 8) ηm

Valore teorico: λ = 650 ηm

INTERFERENZA CON DUE FENDITURE

Se le fenditure fossero puntiformi si otterrebbe un grafico sinusoidale, ma dato che le fenditure hanno necessariamente dimensioni non puntiformi si ottiene una modulazione tra il grafico della diffrazione a una fenditura e quella della diffrazione a due fenditure puntiformi

ESPERIMENTO:

• Δx = (7,8 ± 0,1) cm • Δn = 5• q = (2,02 ± 0,2) m • = 650 ηm• ΔY = (0,3 ± 0,1) cm

= (0,084 ± 0,001) mm = (0,44 ± 0,15) mm

RELAZIONE TRA LA DISTANZA TRA I MINIMI E L’AMPIEZZA DELLA FENDITURA

Abbiamo studiato l’andamento della funzione , dove abbiamo tenuto costanti i valori di q, n e , il cui prodotto è corrispondente al coefficiente angolare della funzione, e variabili quelli di e .

• Sperimentalmente abbiamo trovato che = 0,25045 •

• Teoricamente abbiamo trovato che = (0,2574 • ± 2,6 •)

• Errore percentuale = 2,7 %

Interferometro di Michelson

L'obiettivo di questa esperienza è la misura, attraverso un interferometro di Michelson, della lunghezza d'onda della luce emessa

da un laser.

…alcuni cenni teorici… La figura di interferenza è data dalla somma delle ampiezze delle sinusoidi con stessa lunghezza d’onda ma sfasate poiché le due hanno compiuto un percorso diverso.

Si diversificano due tipi di interferenze:

COSTRUTTIVA

DISTRUTTIVA

Strumenti• Laser rosso 633 nm• Due specchi• Uno specchio semitrasparente• schermo

esperimentoL’onda emessa dal laser viene divisa dallo specchio semitrasparente in due onde uguali, A e B, che vengono in seguito riflesse dagli specchi.Poi le onde riflesse dagli specchi vengono trasmesse (onda C) e riflesse (onda D) dallo specchio semitrasparente.

Infine sullo schermo risulterà un ricongiungimento dei fasci, i quali daranno luogo ad una interferenza.

Misurazione della lunghezza d’onda

per misurare la lunghezza d’onda è opportuno porre una lente per scrutare in modo ingrandito l’immagine sullo schermo finale . Dall’equazione

= si sa che spostando la posizione dello specchio mobile si osserva che nello spostamento le frange riassumono la stessa configurazione.

È necessario spostare lo specchio di una distanza ∆x maggiore a quella precedente e contare il numero di spostamenti delle frange.

La lunghezza d’onda è dunque ∆ = /2𝑥 𝑛𝜆dove è il numero di frange che scorrono sullo schermo.𝑛

Dx (mm) Err. Dx (mm) Dn Err. Dn Lambda (nm) Err. Lambda (nm)

20 5 52 2 769 221,8269231 0,288462

20 5 72 5 556 187,1141975 0,336806

30 5 105 5 571 126,984127 0,222222

35 5 90 4 778 150,617284 0,193651

20 5 52 5 769 284,7633136 0,370192

Media 689

Dev.Stand 114 E % = 16%

…I nostri risultati…

Differenza percentuale: circa 9%ERRORI:Conteggio delle frangeErrori di misura

MISURA DELLA VELOCITA’ DELLA LUCE

OBIETTIVOL'obiettivo di questa esperienza è la misura della velocità di propagazione della luce in aria.

UN PO’ DI STORIA…- 1630 Galileo Galilei: esperimento (ideale) con

le lanterne

- 1676 Olaf Roemer: misura attraverso l’osservazione delle eclissi di “Io”

- 1849 Hippolite Fizeau e Leon Foucault: misurano con distanze terrestri

- 1850 - Michelson e Morley

MATERIALI UTILIZZATI

- OSCILLOSCOPIO: strumento che visualizza, su uno schermo con griglia graduata, l’andamento nel tempo di un segnale elettrico

- SPECCHIO RIFRANGENTE

- LENTE

DISPOSIZIONE DEI MATERIALI

A specchioB lenteC oscilloscopio

Risultati dell’esperimento

Dx (m) Err. Dx (m) Dt (ns) Err. Dt (ns) c (km/s) Err. c (km/s) Err. c (%)

4,8 0,04 12 5 400’000 170000 42,5

8,31 0,04 25 1 332’400 14896 4,481347774

12,73 0,08 40 5 318’250 41781,25 13,12843676

19 0,1 62 5 306’451 26326,74298 8,590831919

31,2 0,1 130 10 240’000 19230,76923 8,012820513

Media 320’000Dev.Standard 57312

Valore ricercato: 299’792,458 km/s

Assorbimento

Quando la luce (S) colpisce la materia interagisce con essa, la radiazione incidente (I0 ) viene:• in parte TRASMESSA (I)• in parte ASSORBITA (IA)• in parte RIFLESSA (IR)

l

TRASMITTANZA

• La trasmittanza (T) è il rapporto tra l'intensità della luce trasmessa (I) e l'intensità (I0) della luce incidente: T= I/I0

• La trasmittanza (T) è una grandezza priva di unità di misura che può assumere valori compresi tra 0 e 1.

ESPERIMENTO

Scopo: misurare l’intensità della luce trasmessa e assorbita da un vetrino colorato e determinare il coefficiente di trasmittanza.

• Materiale: – lampada allo xeno– monocromatore– fibra ottica – rilevatore – vetrino

colorato LAMPADA ALLO XENO

FIBRA OTTICA

MONOCROMATORE

RILEVATORE

• Procedimento:

Regolando la lunghezza d’onda col monocromatore (ogni 10 nm da 400 a 700 nm) abbiamo registrato l’intensità della luce incidente e trasmessa. Abbiamo registrato sia la luce trasmessa senza vetrini che quella trasmessa attraverso vetrini di diversi colori.

sorgente monocromatore fibra ottica ricevitore

vetrino

Lampada allo xeno

Il monocromatore è in grado di separare le diverse lunghezze d’onda della luce utilizzando due specchi e un reticolo di diffrazione

Trasporta il segnale luminoso fino al vetrino

Misura la potenza luminosa che colpisce il sensore

• Grafici:

350 400 450 500 550 600 650 700 7500

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

bianca

rosso

lunghezza d'onda (nm)

I (m

W)

Grafico dell’intensità incidente (bianca) e di quella trasmessa ( rossa) attraverso un vetrino rosso

350 400 450 500 550 600 650 700 7500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

lunghezza d'onda (nm)

tra

sm

itta

nza

Grafico della trasmittanza (I/I0) del vetrino rosso

Successivamente abbiamo usato uno strumento che rilevava automaticamente l’intensità incidente e trasmessa alle varie lunghezze d’onda attraverso vetrini di diversi colori.

400 450 500 550 600 650 700

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

rosso

blu

verde

giallo

lunghezza d'onda (nm)

tra

sm

itta

nza

Celle fotovoltaiche

Le Celle Fotovoltaiche sono costituite da Sicilio, un materiale semiconduttore. Questi materiali presentano elettroni nella banda di valenza i quali se sufficientemente stimolati con certa quantità di energia possono compiere un salto energetico, detto Gap, che è in questo caso corrisponde a 1 elettronvolt.

Perciò il pannello fotovoltaico è capace di convertire l’energia elettromagnetica proveniente da una sorgente luminosa ottenendo energia elettrica.

Effetto fotovoltaico

EsperimentoObiettivo:Determinare la caratteristica P= IV della cella fotovoltaica cioè determinare la potenza che produce e studiare la relazione esistente fra intensità I e differenza di potenziale V (tensione).

Svolgimento: Abbiamo costruito un circuito elettrico collegando la cella a due tester, uno disposto in serie utilizzato come amperometro e uno in parallelo utilizzato come voltmetro. Sempre in serie abbiamo collegato un resistore variabile che ci permetteva di selezionare diverse resistenze.

TESTER

Circuito elettricoDue caratteristiche fondamentali:

• ICC: Corrente di corto circuito: si verifica quando non è presente resistenza né tensione (o è trascurabile) e l’intensità della corrente elettrica è massima.

• VOC: Tensione di circuito aperto: si verifica quando vi è un’alta resistenza, la

tensione (o differenza di potenziale) è massima e l’intensità di corrente è praticamente nulla.

La legge di OhmEsprime la relazione di proporzionalità tra la differenza di potenziale elettrico (V) ai capi di un conduttore elettrico e l'intensità della corrente elettrica (I) che lo attraversa.

V = R*I I= 1/R * VEssendo la corrente un moto ordinato di elettroni, questi possiedono un’energia cinetica. Il lavoro svolto in un’unità di tempo è dato dalla potenza (P)

P = V*I

• L’intensità di corrente (I) nel SI si misura in Ampere (A);

• La tensione o differenza di potenziale in Volt (V);

• La resistenza in Ohm (Ω)

Tabella rilevazione dati

Rc (Ω) I (mA) V (mV) P (microW)0 5,74 32 183,68

20 5,7 146 832,250 5,7 317 1806,9

100 5,68 600 3408150 5,68 887 5038,16500 5,6 2830 15848

1000 5,35 5500 294251500 4,55 6860 312132000 3,7 7400 273803000 2,61 7840 20462,44000 2,01 8020 16120,25000 1,62 8120 13154,4

10000 0,83 8290 6880,730000 0,28 8420 2357,6

400000 0,01 8470 84,71000000 0 8480 0

Picco massimo di potenza

Abbiamo selezionato dal resistore diverse resistenze in modo da poter misurare diverse intensità di corrente e diverse tensioni. Successivamente abbiamo calcolato la potenza erogata dalla cella utilizzando la formula P= V*I.

Grafici

Grafico della tensione in funzione dell’intensità di corrente

Max Potenza

L’area sottesa al grafico tensione in funzione dell’intensità rappresenta la potenza che produce la cella fotovoltaica.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

V (mV)

P (

mic

roW

)Grafico della differenza di potenziale in funzione della potenza

Secondo ciò che abbiamo riscontrato dai dati misurati in laboratorio possiamo affermare che abbiamo verificato che il silicio non sia un materiale “ohmico” . Essendo, infatti, un semiconduttore notiamo che l’intensità di corrente e la tensione di voltaggio non sono direttamente proporzionali come afferma la legge di Ohm.

Conclusione

LAVORO SVOLTO DA:

LUCA PICCINALI LAURA REGALINIANTONIO ALLEGRIANNA GIUDICIALBERTO RONCA