Luce: riflessione e rifrazione

Cosa si intende per riflessione e rifrazione?

Scopriamolo assieme nelle prossime pagine!

Riflessione

Si ha il fenomeno della riflessione ogni volta che un fascio di luce, dopo aver colpito un corpo non trasparente lucido e levigato, rimbalza sulla sua superficie e viene deviato in un’altra direzione.

Il raggio di luce che arriva sulla superficie lucida e levigata è detto raggio incidente e viene “rimandato indietro” (raggio riflesso) in una direzione diversa, secondo regole ben precise.

Le leggi della riflessione sono:

• Il raggio incidente, la perpendicolare allo specchio nel punto di incidenza e il raggio riflesso sono complanari, cioè giacciono tutti nello stesso piano 
• Il raggio incidente forma, con la perpendicolare allo specchio condotta nel punto di incidenza, un angolo  (angolo di incidenza) uguale all’angolo formato dal raggio riflesso e dalla perpendicolare stessa (angolo di riflessione)

Rifrazione

Se osserviamo una oggetto di una certa lunghezza immersa in parte in una vasca piena d’acqua, essa sembra spezzata nel punto in cui entra nell’acqua. Il fenomeno è un’illusione ottica.

Ma da cosa è provocata? 

Sappiamo che i raggi luminosi nell’aria si propagano in linea retta e che nell’acqua si propagano nello sesso modo.

Tuttavia la velocità della luce nei due mezzi trasparenti è diversa perché diversa è la loro densità.

I raggi luminosi nel passaggio da un mezzo meno denso (l’aria) ad uno più denso (acqua) rallentano e vengono deviati: questo fenomeno è detto rifrazione della luce.

Vediamo come varia la direzione dei raggi luminosi nel passaggio da un mezzo trasparente meno denso ad uno più denso e viceversa.

Il raggio incidente propagandosi nell’aria raggiunge la superficie di separazione dei due mezzi trasparenti (aria e acqua) e forma, con la perpendicolare a questa superficie, un angolo che prende il nome di angolo di incidenza. Il raggio luminoso prosegue nell’acqua, deviando bruscamente dalla direzione che aveva nell’aria e prende così il nome di raggio rifratto.Il raggio rifratto forma, con la perpendicolare alla superficie di separazione,un angolo più piccolo detto angolo di rifrazione, che si avvicina alla perpendicolare dell’angolo di incidenza.

Legge di Snell–Cartesio

La figura mostra due mezzi con indice di rifrazione  \(n_1\) (sopra) e \(n_2\) (sotto) in contatto tra loro attraverso una superficie

Nel caso \(n_2>n_1\), la luce ha una velocità di fase più bassa nel secondo mezzo. L’angolo tra la normale e il raggio luminoso PO  viene chiamato angolo d’incidenza. Il raggio attraversa la superficie di separazione e prosegue nel mezzo di sotto. L’angolo che tale raggio (rifratto) forma con la normale si chiama angolo di rifrazione.

Angolo di incidenza e angolo di rifrazione sono sempre diversi ma giacciono, insieme alla perpendicolare, sullo stesso piano

La legge di Snell fornisce la relazione tra gli angoli di incidenza e di rifrazione

\(n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \cdot \sin \theta_2.\)

Se il raggio entra in un mezzo in modo perpendicolare alla sua superficie non viene mai deviato.

Una regola di carattere qualitativo per determinare la direzione della rifrazione è che il raggio luminoso è sempre più vicino alla normale dal lato del mezzo più denso.

Esempio

Un raggio incide sulla superficie di separazione tra aria e acqua con un angolo di incidenza di 46°. L’indice di rifrazione dell’acqua è 1,33. 
Determina l’angolo di rifrazione quando il raggio passa dall’aria all’acqua  e dall’acqua all’aria. 

Ragionamento

Applichiamo la legge di Snell a entrambe le situazioni, ricordando che nella prima il raggio incidente proviene dall’aria, mentre nella seconda proviene dall’acqua. Teniamo conto di questa differenza indicando con il pedice1 le variabili associate al raggio incidente e con il pedice 2 le variabili associate al raggio rifratto.

Soluzione

Il raggio incidente proviene dall’aria, perciò \(\theta_1 =46°\) e \(n_1=1,00.\)
Il raggio rifratto è nell’acqua, perciò \(n2=1,33.\)
Per trovare l’angolo di rifrazione \(\theta_2\) usiamo la legge della rifrazione

\(\sin\theta_2 = \frac{n_1\cdot \sin \theta_1}{n_2} = \frac{1,00 \ \cdot \ \sin 46°}{1,33}= 0,54\)

\(\theta_2 = \arcsin (0,54) = 33°.\)

Poiché \(\theta_2\) è minore di \(\theta_1\), il raggio rifratto si avvicina alla normale.

Quando il raggio incidente proviene dall’acqua otteniamo

\(\sin\theta_2 = \frac{n_1\cdot \sin \theta_1}{n_2} = \frac{1,33 \ \cdot \ \sin 46°}{1,00}= 0,96\)

\(\theta_2 = \arcsin (0,96) = 74°.\)

Poiché \(\theta_2\) è maggiore di \(\theta_1\), il raggio rifratto si allontana dalla normale.

Questi erano i fenomeni di riflessione e rifrazione   😉
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