In questa lezione, spieghiamo uno dei nuovi argomenti di fisica inseriti nel programma dei test di medicina, odontoiatria e veterinaria, TOLC-MED e TOLC-VET.
Si tratta dei fenomeni della riflessione e rifrazione. Leggi la teoria e guarda la videolezione della nostra tutor di fisica.
Riflessione e rifrazione
La riflessione e rifrazione della luce sono due fenomeni fisici che rientrano nel campo di studio dell’ottica geometrica.
In ottica geometrica si assume che il raggio luminoso non si comporti come un’onda ma come una particella, per cui il suo moto avverrà seguendo una linea retta. Questa assunzione serve a semplificare lo studio della luce e dei relativi fenomeni nel caso in cui la natura ondulatoria della luce non dia un contributo.
Cos’è il fenomeno di riflessione e rifrazione? Dato un raggio di luce e una superficie di separazione parzialmente trasparente che divide due mezzi diversi attraverso cui viaggia il raggio, ad esempio l’aria e l’acqua, quando il raggio incontra la superficie di separazione si generano 2 raggi:
- un raggio riflesso, quello che viene riflesso dalla superficie nella direzione opposta;
- un raggio rifratto che entra nel secondo mezzo e si propaga cambiando la sua traiettoria a seconda della densità del mezzo.
Detto questo, possiamo dare la definizione di riflessione e rifrazione.
La definizione di riflessione è: fenomeno fisico per cui un raggio luminoso che viaggia in un mezzo e incontra una superficie totalmente o parzialmente riflettente viene riflesso nella direzione opposta.
La definizione di rifrazione è: fenomeno fisico per cui un raggio luminoso che nel suo viaggio incontra una superficie di seperazione con un altro mezzo prosegue la sua propagazione nel secondo mezzo con una traiettoria differente a causa della differenza di velocità della luce tra i due mezzi. Il cambiamento di direzione è chiamato rifrazione.
Quindi, la differenza tra riflessione e rifrazione è chiara: la prima si riferisce al raggio riflesso, la seconda al raggio che, attraversata la superficie di separazione, prosegue la sua propagazione all’interno del secondo mezzo.
Riflessione della luce
Innanzitutto, devi sapere che il raggio incidente, il raggio riflesso, il raggio rifratto e la perpendicolare alla superficie, detta normale, si trovano tutti sullo stesso piano.
Secondo la legge della riflessione, l’angolo di riflessione è uguale all’angolo di incidenza, i.
Come avviene la riflessione? Quindi, la riflessione della luce avviene quando un raggio luminoso incide su una superficie riflettente. Se la superficie di separazione non è riflettente, non si verifica rifrazione.
Questo caso si definisce riflessione totale. L’angolo di rifrazione misura 90° e si parla di angolo limite.
Nel caso opposto si trova l’angolo critico di riflessione. Questo si verifica quando non c’è riflessione ma solo rifrazione.
Riflessione della luce su uno specchio piano
Se la superficie riflettente è uno specchio piano, il raggio luminoso viene riflesso e si ottiene la cosiddetta immagine virtuale, ossia abbiamo l’impressione che all’interno dello specchio ci sia un’altra sorgente di luce.
L’immagine che otteniamo è detta virtuale perché in realtà non esiste una seconda fonte luminosa che genera l’immagina riflessa. L’immagine è il prolungamento dei raggi riflessi.
Nel caso dello specchio piano, l’immagine virtuale è simmetrica all’oggetto reale, ha le stesse dimensioni e si trova alla medesima distanza dallo specchio.
Riflessione della luce sugli specchi sferici
Vediamo ora il fenomeno della riflessione della luce su degli specchi sferici. Gli specchi sferici possono essere concavi o convessi:
- se la superficie riflettente è concava, ossia è la parte interna dello specchio sferico, i raggi incidenti paralleli all’asse ottico sono tutti riflessi lungo una linea retta che passa per uno stesso punto, chiamato fuoco. I raggi passanti per il fuoco sono riflessi parallelamente all’asse ottico. L’immagine riflessa può essere reale o virtuale a seconda della posizione dell’oggetto rispetto al vertice dallo specchio e al centro della sfera virtuale dello specchio;
- se la superficie riflettente è convessa, cioè la parte esterna dello specchio sferico, l’immagine riflessa è sempre virtuale, più piccola e dritta.
Rifrazione della luce
Quando si ha una rifrazione? Come visto sopra, si ha rifrazione quando il raggio di luce incidente viene deviato nel passaggio dal primo al secondo mezzo lungo cui si sta propagando.
L’angolo di rifrazione dipende dalla densità del secondo mezzo:
- se il secondo mezzo è più denso del primo mezzo, ad esempio l’acqua è più densa dell’aria, la deviazione si avvicina alla perpendicolare alla superficie di separazione. L’aria ha un indice di rifrazione minore rispetto all’acqua. Quindi, l’angolo incidente è superiore all’angolo rifratto;
- se il secondo mezzo è meno denso, la deviazione si allontana dalla perpendicolare alla superficie di separazione.
Il rapporto tra angolo di rifrazione e angolo di incidenza è spiegato dalla legge di Snell. Secondo la legge di Snell o legge della rifrazione quando un raggio passa da un mezzo con un indice di rifrazione n1 a un mezzo con indice di rifrazione n2, il rapporto tra il seno dell’angolo incidente e il seno dell’angolo rifratto è costante e pari al rapporto tra l’indice di rifrazione del secondo mezzo e l’indice di rifrazione del primo mezzo.
Formula di rifrazione
Come si calcola l’indice di rifrazione? La formula della legge di Snell è:
senî /senȓ = n2/n1
dove i è l’angolo incidente, r l’angolo rifratto, n2 è l’indice di rifrazione del secondo mezzo e n1 l’indice di rifrazione del primo mezzo.
Quindi, se cambia l’angolo di incidenza cambia anche quello di rifrazione, perché il rapporto tra i seni è costante ed è uguale al rapporto tra gli indici di rifrazione. Questo significa che per una data coppia di mezzi, maggiore è l’angolo di incidenza minore è l’angolo di rifrazione.
E ancora, se n2 >n1 e quindi il rapporto tra gli indici di rifrazione è maggiore di 1, si dice che il secondo mezzo è più rifrangente.
Applicazioni riflessione e rifrazione in medicina
I fenomeni fisici della riflessione e rifrazione sono molto sfruttati nella diagnostica medica.
Tra le tante applicazioni della riflessione e rifrazione in medicina ricordiamo:
- in oftalmologia, la rifrazione viene usata per la correzione dei difetti visivi quali miopia, ipermetropia, astigmatismo attraverso l’uso di lenti correttive;
- l’endoscopio è costruito con fibre ottiche inserite in un tubo flessibile. La rifrazione serve per la proiezione delle immagini delle strutture interne del corpo;
- in radiologia il fenomeno è applicato ai raggi x rifratti dai tessuti del corpo
Per capire al meglio questo argomento di fisica, guarda anche la videolezione con tanti esempi di riflessione e rifrazione spiegati dalla nostra tutor di fisica e un esercizio svolto.
Video e immagine nel testo di Eleonora Parlanti, tutor WAU
Immagine in evidenza di bess.hamiti@gmail.com da Pixabay
