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Specchio

Specchio

Vi siete mai chiesti come fa uno specchio a produrre un'immagine esatta di voi quando vi ci mettete davanti? Si tratta di una sorta di stregoneria? O possiamo spiegarlo con la scienza? Non c'è bisogno di ricorrere alla magia. Come per la maggior parte dei fenomeni che osserviamo sul nostro pianeta, la scienza può darne una spiegazione. Ma come funzionano gli specchi? Quanti tipi di specchi esistono e quali sono le loro proprietà? E come possiamo usarli per osservare pianeti lontani anni luce da noi? Alla fine di questo articolo, sarete in grado di rispondere a tutte queste domande e ad altre ancora. La prossima volta che vi troverete ad ammirare la vostra bellezza davanti a uno specchio, potrete anche ammirare la fisica che c'è dietro!

Specchio: definizione

In fisica, uno specchio è una superficie liscia che riflette una grande quantità di luce che vi incide.

Quando la luce colpisce una superficie, parte di essa viene riflessa e parte viene assorbita. Gli specchi sono eccellenti riflettori. Quasi tutta la luce incidente sullo specchio rimbalza e solo una piccola parte viene assorbita.

Un'immagine virtuale si forma quando i raggi di luce sembrano provenire da una sorgente che in realtà non esiste.

I fenomeni di riflessione possono essere classificati in due tipi, in base alla superficie su cui la luce viene riflessa. Quando la luce cade su una superficie liscia e lucida, la riflessione avviene in linea retta e in un'unica direzione: si tratta della cosiddetta riflessione speculare. Se invece la luce cade su una superficie ruvida e irregolare, la riflessione avviene in più direzioni, si parla di riflessione diffusa.

Specchio Tipi di riflessione StudySmarter

Fig. 1 - I due tipi di riflessione.

Uno specchio viene spesso prodotto aggiungendo un sottile strato di materiale riflettente, come alluminio o stagno, a un pezzo di vetro trasparente.

Specchio: tipi

Gli specchi possono essere classificati in base alla curvatura. Se il raggio di curvatura è zero, si parla di specchio piano. Si tratta degli specchi più comunemente utilizzati nelle case e nei saloni. In uno specchio piano, le proporzioni dell'immagine e dell'oggetto sono sempre uguali.

Tuttavia, gli specchi possono anche essere curvi e si dividono in specchi concavi e convessi. È interessante perché hanno applicazioni molto comuni. La prossima volta che li vedete da qualche parte, assicuratevi di controllare come ci aiutano a vedere il mondo che ci circonda.

Uno specchio che si protende verso l'interno è chiamato specchio concavo. Un modo semplice per ricordarlo è immaginare una grotta in cui la superficie interna è uno specchio, da cui il nome conCAVA. Scoprite come vengono utilizzati nella vita di tutti i giorni

Specchio Specchio concavo usato nei fari StudySmarter

Fig. 2 - Gli specchi concavi sono usati nei fari delle automobili.

Gli specchi concavi sono utilizzati nelle torce elettriche come riflettori per concentrare tutta la luce in un'unica direzione. Questi raggi riflessi hanno un'intensità elevata e possono percorrere lunghe distanze prima di svanire.

Gli specchi concavi sono utilizzati anche in odontoiatria per produrre un'immagine ingrandita all'interno della bocca.

Uno specchio che si protende verso l'esterno è chiamato specchio convesso. Immaginate una semisfera la cui superficie esterna è uno specchio. Questi specchi consentono di vedere a un raggio più ampio rispetto a uno specchio piano. Potete quindi pensare a luoghi in cui possono essere utilizzati?

Potreste aver notato grandi specchi convessi utilizzati nei grandi magazzini o negli incroci con scarsa visibilità. Questi specchi convessi hanno un campo visivo maggiore rispetto agli specchi piani e concavi e producono un'immagine che copre un'area più ampia. Vengono posizionati anche negli angoli ciechi per aiutare le persone a non scontrarsi, fornendo una visione dell'altro lato.

Sono utilizzati anche negli specchietti retrovisori laterali dei veicoli. Potreste aver osservato l'avvertenza "Gli oggetti nello specchio potrebbero apparire più vicini di quanto non siano". Gli specchi convessi sono utilizzati nelle automobili perché forniscono un'immagine diritta e un campo visivo più ampio grazie al loro design curvo verso l'esterno. Grazie a questa proprietà, la distanza dell'immagine sembrerà più piccola di quella reale.

Specchio: diagrammi

Possiamo rappresentare uno specchio piano disegnando diagrammi a raggiera. Questi diagrammi ci aiutano a prevedere il tipo di immagine che uno specchio forma. Esistono due tipi di immagini: le immagini reali e le immagini virtuali. Vediamo le definizioni di questi tipi di immagini e alcuni esempi di formazione di immagini da parte degli specchi utilizzando i diagrammi a raggiera.

Un'immagine reale si forma quando i raggi riflessi si intersecano davanti allo specchio.

Un'immagine reale può essere proiettata su uno schermo. Questa proprietà non è riscontrabile negli specchi piani. Ma è possibile negli specchi concavi.

La luce di un oggetto che si riflette su uno specchio concavo produce un'immagine reale. Poiché l'immagine è reale, possiamo proiettarla su un foglio di carta posizionandolo nel punto in cui si forma l'immagine.

Specchio Immagine di una candela riflessa in uno specchio curvo StudySmarter

Fig. 3 - I raggi riflessi da uno specchio curvo creano un'immagine reale che può essere proiettata su uno schermo.

Come mostrato in figura 3, in un diagramma a raggi, ogni raggio di luce è rappresentato da una linea retta, con una freccia che ne rappresenta la direzione.

Quando i raggi riflessi si intersecano dietro lo specchio si forma un'immagine virtuale.

Tale immagine non può essere proiettata su uno schermo. Gli specchi piani e convessi producono sempre immagini virtuali.

Specchio Specchio piano StudySmarter

Fig. 4 - L'immagine formata da uno specchio piano sarà sempre virtuale, invertita lateralmente e diritta.

Possiamo anche utilizzare i diagrammi a raggiera per determinare la posizione dell'immagine e le sue dimensioni. Consideriamo un oggetto che riflette da uno specchio piano come nell'immagine qui sopra. Possiamo disegnare due raggi di luce provenienti dall'oggetto. Questa è una pratica comune che si vede nella maggior parte dei diagrammi a raggiera. Il punto in cui questi raggi si intersecano indica la posizione dell'immagine. Questo non è possibile se si utilizza un solo raggio di luce! I raggi incidenti provenienti dall'oggetto rimbalzano sullo specchio e noi vediamo il riflesso dell'oggetto o dell'immagine quando questi raggi riflessi entrano nei nostri occhi. Per ottenere la posizione dell'immagine, basta estendere i raggi riflessi dietro lo specchio e vedere dove si intersecano. Si noterà che l'immagine si forma alla stessa distanza dietro lo specchio alla quale l'oggetto è posto davanti allo specchio. L'oggetto sarà invertito lateralmente e l'immagine avrà le stesse dimensioni.

Specchio: formula della riflessione

Vediamo il diagramma di uno specchio piano che riflette la luce.

Specchio Diagramma specchio piano StudySmarter

Fig. 5 - Diagramma di uno specchio piano.

Esistono molti nuovi termini utili per descrivere la riflessione della luce. Vediamo ciascuno di essi.

La normale è una linea che passa per il centro di uno specchio ed è perpendicolare alla sua superficie.

La normale viene utilizzata come piano di riferimento durante il posizionamento dell'oggetto. La distanza tra l'oggetto e l'immagine si misura su questo asse.

L'angolo tra il raggio di luce incidente e la normale allo specchio è chiamato angolo di incidenza.

L'angolo tra il raggio di luce riflesso e la normale allo specchio si chiama angolo di riflessione.

Ora che abbiamo compreso meglio il gergo, possiamo parlare della relazione speciale tra l'angolo di incidenza e quello di riflessione. Questa relazione è descritta dalla legge della riflessione.

La legge della riflessione afferma che l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione.

Questa legge può essere rappresentata matematicamente come:

\[\theta_r = \theta_i\, ,\]

o a parole,

\[\text{angolo di riflessione = angolo di incidenza.}\]

Ricordate che questi angoli si misurano con la normale al punto in cui i raggi incontrano lo specchio e non con lo specchio stesso.

Specchio curvo

Vediamo ora brevemente cosa accade nel caso di specchi curvi. In particolar modo vedremo il caso degli specchi sferici.

Specchio Specchio curvo riflessione StudySmarter

Fig. 6 - Anche nel caso degli specchi curvi vale la legge della riflessione.

Il modo in cui la luce si riflette su una superficie secondo la legge della riflessione determina la dimensione e la posizione dell'immagine prodotta. Uno specchio sferico ha una superficie curva il cui centro di curvatura è il raggio del cerchio che lo specchio compie. Quando i raggi di luce paralleli all'asse di simmetria colpiscono uno specchio sferico, vengono riflessi come se provenissero da un punto dietro lo specchio. Questo punto è chiamato fuoco o punto focale dello specchio e si trova a metà strada tra il centro del cerchio immaginario che lo specchio dovrebbe formare. Quindi, la distanza dal fuoco è data da \(f =\frac{R}{2}\). Calcoliamo la posizione dell'immagine utilizzando l'equazione dello specchio:

\[\frac{1}{s_\mathrm{o}}+\frac{1}{s_\mathrm{i}}=\frac{1}{f}\,,\]

dove \(s_\mathrm{o}\) è la posizione dell'oggetto, \(s_\mathrm{i}\) è la posizione dell'immagine e \(f\) è la distanza dal fuoco, il tutto nella stessa unità di lunghezza, ad esempio in metri, \(\mathrm{m}\).

È importante notare che qualsiasi distanza dietro la superficie dello specchio è considerata una distanza negativa. Ad esempio, la distanza dal fuoco per uno specchio convesso è una distanza negativa. La distanza dell'immagine è considerata positiva se l'immagine si trova davanti allo specchio e negativa se si trova dietro di esso. La distanza dell'oggetto da uno specchio è sempre considerata positiva.

Determiniamo le dimensioni dell'immagine e se è diritta o invertita usando l'equazione dell'ingrandimento:\[I = \frac{h_\mathrm{i}}{h_\mathrm{o}} = -\frac{s_\mathrm{i}}{s_\mathrm{o}} \,\]dove \(h_\mathrm{i}\) e \(h_\mathrm{o}\) sono le altezze dell'immagine e dell'oggetto, rispettivamente, entrambe nelle stesse unità di lunghezza (ad esempio in metri, \(\mathrm{m}\)). Se l'ingrandimento di un oggetto è minore di uno, l'immagine è più piccola dell'oggetto, mentre se è maggiore di uno, l'immagine è più grande dell'oggetto. Un ingrandimento negativo indica che l'immagine è invertita, mentre un ingrandimento positivo indica che è diritta.

Specchio curvo: riflessione su diverse superfici sferiche

Parleremo della riflessione su due tipi di specchi sferici: concavo e convesso. La superficie riflettente di uno specchio concavo si curva verso l'interno, facendo convergere la luce riflessa verso il fuoco. Al contrario, la superficie riflettente di uno specchio convesso si curva verso l'esterno, facendo divergere la luce riflessa. I raggi divergenti riflessi da uno specchio convesso possono essere ricondotti al fuoco virtuale. L'immagine seguente mostra come i raggi luminosi si riflettono sugli specchi concavi e convessi, rispettivamente a sinistra e a destra.

Specchio Specchi concavi e convessi StudySmarterFig. 7 - I raggi luminosi paralleli all'asse principale convergono dopo la riflessione su uno specchio concavo e divergono dopo la riflessione su uno specchio convesso.

Uno specchio concavo è uno specchio con una superficie riflettente che si curva verso l'interno e fa sì che la luce riflessa converga verso il fuoco.

Uno specchio convesso è uno specchio con una superficie riflettente che si incurva verso l'esterno e fa sì che la luce riflessa diverga dal fuoco.

I diagrammi a raggiera ci aiutano a determinare le dimensioni e la posizione dell'immagine formata da uno specchio concavo o convesso. Un diagramma a raggiera traccia i raggi incidenti dall'oggetto alla superficie riflettente e la direzione che i raggi prendono dopo la riflessione.

  • Un raggio di luce incidente parallelo all'asse principale di uno specchio concavo o convesso si rifletterà o potrà essere tracciato attraverso il fuoco lungo l'asse principale.
  • Un raggio di luce incidente che passa attraverso il fuoco lungo l'asse principale si rifletterà parallelamente all'asse principale.
  • Un raggio di luce incidente che passa attraverso il centro di curvatura dello specchio, \(R\), si rifletterà lungo lo stesso percorso di provenienza.

Specchio concavo

L'immagine creata dalla riflessione della luce da uno specchio concavo può essere reale o virtuale, a seconda della posizione dell'oggetto rispetto allo specchio. L'immagine di un oggetto situato oltre il centro di curvatura dello specchio sarà reale, invertita e ridotta di dimensioni, come si può vedere tracciando i raggi provenienti dall'oggetto. Questo è mostrato in figura 8.

Specchio Diagramma a raggiera specchio sferico StudySmarterFig. 8 - Immagine formata da un oggetto lontano dal fuoco di uno specchio concavo.

L'immagine più piccola possibile si forma quando un oggetto è infinitamente lontano dallo specchio concavo; in questo caso, l'immagine reale e invertita si trova al fuoco. Se spostiamo l'oggetto in modo che si trovi al centro della curvatura, l'immagine sarà ancora reale e invertita, ma avrà le stesse dimensioni dell'oggetto. Spostando l'oggetto in modo che si trovi tra il centro di curvatura e il fuoco, le dimensioni dell'immagine reale e invertita aumenteranno, rendendola più grande dell'oggetto, come mostrato di seguito.

Specchio Immagine di uno specchio concavo vicino al fuoco StudySmarterFig. 9 - Immagine creata da un oggetto vicino al fuoco di uno specchio concavo.

L'immagine reale e invertita più grande possibile si ottiene quando l'oggetto si trova al centro del fuoco. L'immagine, in questo caso, si formerà all'infinito. Spostando l'oggetto davanti al fuoco, si otterrà infine un'immagine virtuale diritta che si trova dietro la superficie dello specchio, come mostrato in figura 10.

Specchio Immagine di un oggetto davanti al fuoco di uno specchio concavo StudySmarterFig. 10 - Immagine formata da un oggetto davanti al fuoco di uno specchio concavo.

La tabella seguente riassume le immagini formate in diverse posizioni dell'oggetto per uno specchio concavo.

Tabella 1. - Formazione dell'immagine per uno specchio concavo.

Posizione dell'oggettoPosizione dell'immagineIngrandimentoReale/VirtualeDiritta/Invertita
Infinitamente distanteNel fuocoRidottaRealeInvertita
Oltre il centro di curvaturaTra il centro di curvatura e il fuocoRidottaRealeInvertita
Al centro di curvaturaAl centro di curvaturaDimensione ugualeRealeInvertita
Tra il centro di curvatura e il fuocoOltre il centro di curvaturaIngranditaRealeInvertita
Nel fuocoInfinitamente distanteIngranditaRealeInvertita
Davanti al fuocoDietro la superficie dello specchioIngranditaVirtualeDiritta

Specchio convesso

Uno specchio convesso produce sempre immagini verticali e virtuali. Per un oggetto infinitamente lontano, l'immagine si trova al fuoco ed è la più piccola possibile. Un oggetto posto a qualsiasi distanza tra l'infinito e la superficie dello specchio produrrà un'immagine ancora ridotta e situata tra lo specchio e il fuoco.

Specchio Immagine di un oggetto davanti al fuoco di uno specchio convesso StudySmarterFig. 11 - Immagine formata da un oggetto davanti al fuoco di uno specchio convesso.

La tabella seguente riassume le immagini che si formano in diverse posizioni per uno specchio convesso.

Tabella 2 - Formazione dell'immagine per uno specchio convesso.

Posizione dell'oggettoPosizione dell'immagineIngrandimentoReale/VirtualeDiritta/Invertita
Infinitamente distanteNel fuocoRidottaVirtualeDiritta
Tra l'infinito e lo specchioTra lo specchio e il fuocoRidottaVirtualeDiritta

Specchio - Punti chiave

  • In fisica, uno specchio è una superficie liscia che riflette una grande quantità di luce che vi incide.

  • Gli specchi possono essere classificati come piani e curvi.

  • In un diagramma a raggiera, la normale è una linea che passa per il centro dello specchio ed è perpendicolare alla sua superficie.

  • L'angolo tra il raggio di luce incidente e la normale allo specchio si chiama angolo di incidenza.

  • L'angolo tra il raggio di luce riflesso e la normale allo specchio si chiama angolo di riflessione.

  • La legge della riflessione afferma che l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione.

  • Lo specchio piano può essere rappresentato disegnando diagrammi a raggiera. Essi ci permettono di prevedere il tipo di immagine prodotta, cioè se l'immagine è reale o virtuale.

  • Un'immagine reale si forma quando i raggi riflessi si intersecano davanti allo specchio. Un'immagine reale può essere proiettata su uno schermo.

  • Un'immagine virtuale si forma quando i raggi riflessi si intersecano dietro lo specchio.

  • Uno specchio piano produrrà sempre un'immagine virtuale, lateralmente invertita e verticale dell'oggetto che si trova di fronte.

  • La legge della riflessione si applica a tutte le superfici, comprese quelle sferiche.
  • L'equazione dello specchio mette in relazione la distanza dell'oggetto, la distanza dell'immagine e la distanza dal fuoco di una superficie sferica, \(\frac{1}{s_\mathrm{o}} + \frac{1}{s_\mathrm{i}} = \frac{1}{f}\), dove \(f\) è la lunghezza focale dello specchio, \(s_\mathrm{o}\) la distanza dell'oggetto dallo specchio e \(s_\mathrm{i}\) la distanza dell'immagine dallo specchio.
  • L'equazione dell'ingrandimento mette in relazione la distanza dell'oggetto e la distanza dell'immagine, così come l'altezza dell'oggetto e l'altezza dell'immagine, \(I = \frac{h_\mathrm{i}}{h_\mathrm{o}} = - \frac{s_\mathrm{i}}{s_\mathrm{o}}\), dove \(h_\mathrm{i}\) è l'altezza geometrica dell'immagine prodotta e \(h_\mathrm{o}\) è l'altezza geometrica dell'oggetto.
  • Gli specchi sferici possono essere concavi (la superficie riflettente curva verso l'interno e la luce converge verso il fuoco) o convessi (la superficie riflettente curva verso l'esterno e la luce diverge dal fuoco).
  • Gli specchi concavi possono produrre immagini reali o virtuali che possono essere diritte o invertite, ridotte di dimensioni o ingrandite, a seconda della posizione dell'oggetto.
  • Se l'immagine si trova davanti allo specchio, dove i raggi di luce possono raggiungerla, si tratta di un'immagine reale che può essere proiettata su uno schermo.
  • Se l'immagine si trova dietro la superficie dello specchio, dove non arriva la luce, si tratta di un'immagine virtuale che non può essere proiettata su uno schermo.
  • Gli specchi convessi producono immagini virtuali e diritte di dimensioni ridotte.

References

  1. Fig. 1 - Specular v Diffuse reflection.png (https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Specular_v_Diffuse_reflection.png) by Dr. Dalia K Maraoulaite is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
  2. Fig. 2 - Headlight lens optics schematic.svg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Headlight_lens_optics_schematic.svg) by Duk (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Duk) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)

Domande frequenti riguardo Specchio

Uno specchio convesso è uno specchio con una superficie riflettente che si incurva verso l'esterno e fa sì che la luce riflessa diverga dal fuoco.

Uno specchio concavo può riflettere gli oggetti sia in immagini reali che virtuali, in base alla posizione dell'oggetto rispetto allo specchio. Inoltre, le immagini reali sono sempre invertite, mentre le immagini virtuali sono diritte. Le dimensioni dell'immagine risultante dalla riflessione possono essere ridotte o ingrandite in base alla posizione dell'oggetto rispetto allo specchio.

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