Misura della velocità della luce con il metodo di Foucault

Una mia ex-collega insegnante di fisica mi ha chiesto di rifare, per la mia scuola da cui sono in pensione da qualche anno, l'esperimento in oggetto, esperimento che usualmente effettuavo ogni 2 anni visto il notevole impegno necessario per montarlo. Si tratta di una variante dell'esperimento di Foucault ed essenzialmente prevede l'uso di uno specchio rotante, un laser, una lente ed un paio di specchi piani fissi. Per coloro che vogliono approfondire l'argomento è disponibile

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un programma da me realizzato in MS/DOS che illustra e simula questo esperimento. Purtroppo non ho più (o meglio la mia scuola non ha più) la disponibilità di una particolare fotocellula atta a rilevare la velocità di rotazione di uno specchietto (2x1 cm circa) rotante alla rispettabile velocità di 28.000 giri al minuto. Posso viceversa utilizzare un oscilloscopio doppia traccia, un generatore di onde quadre, un frequenzimetro digitale che tutti insieme dovrebbero essere sufficienti ad assemblare il sistema di misura, unitamente come già detto alla fotocellula. Mi necessiterebbe quindi un aiuto per progettare e costruire, il più facilmente ed economicamente possibile, una fotocellula avente le necessarie caratteristiche. I tempi sono: qualche settimana. Preciso che per "fotocellula" io intendo un foto transistor (o altro componente) più il circuito (il più semplice ed economico possibile) che serve a convertire la luce in impulso elettrico, da inviare al sistema di misura sopra indicato. Segue qualche ulteriore dato. Il raggio del laser (classe 2, 632.8 nm), oltrechè compiere il percorso di circa 40 metri che costituisce la "base" da "cronometrare", si riflette sullo specchietto rotante (con 2 facce argentate) e quindi sulla fotocellula. La frequenza con cui essa è illuminata è dell'ordine di 466/2 Hertz. Il tempo in cui essa è illuminata è dell'ordine di qualche millisecondo ma su quest'ultimo dato non so essere più preciso essendo funzione, oltrechè della velocità di rotazione dello specchio rotante, delle dimensioni del raggio laser (un cerchietto di 2-3 mm alla distanza di 6-8 metri) e delle dimensioni dell'elemento sensibile della fotocellula. Sperando di essere stato sufficientemente chiaro saluto tutti i frequentatori di questo interessante newsgroup e resto a disposizione per eventuali precisazioni. UBt

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UBt
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UBt ha scritto:

Se ho capito bene, il tuo problema è quello di reperire un fotorivelatore che arrivi a circa 1kHz. Una fotoresistenza vulgaris sarebbe proprio al limite, ma un qualsiasi fotodiodo arriva a frequenze cento volte maggiori. La mia ignoranza non mi consente di capire di che colore sia il raggio laser, che forse potrebbe essere sostituito da un puntatore cinese da 1 euro, ma i fotodiodi che si trovano in giro (anche quelli ad infrarossi), hanno una buona sensibilità anche nel campo del visibile. Te ne segnalo un paio: BPW34 e BPW41.

Ciao. Giuliano

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JUL

La luce rossa ha lunghezza d'onda compresa fra 625 e 740 nm per cui il laser in questionè è rosso rubino. Dubito che un puntatore da pochi euro possa sostituire il laser della mia scuola che è costato (sia pure svariati anni fa, quanto queste apparecchiature erano piuttosto rare e costose) un paio di milioni delle vecchie lire. A qualche decina di metri di distanza il raggio è sempre nitido e di diametro pressochè uguale; non so cosa succeda con una economico diodo laser. A prescindere da questo, ringraziandoti per avermi segnalato un paio di componenti utili, mi necessiterebbe anche il sapere come collegarli e a che cosa. Non bisogna tuttavia dimenticare che la frequenza della luce è sì minore di

1 KHz ma il "picco" dura una frazione considerevolmente minore di 1 ms (di un fattore, approssimativamente, pari a parecchie centinaio di volte; ma qui, come già detto, posso anche sbagliarmi). Ciao UBt
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UBt

UBt ha scritto:

Se l'impulso non dovesse riuscire a triggerare un fotodiodo, puoi passare ad un tubo fotomoltiplicatore.

Spesso nei laboratori di fisica ci sono già... si usano quando si fa quantomeccanica... per esempio per dimostrare la natura corpuscolare della luce.

Altrimenti li trovi per poco come surplus (ebay, russi, siti specializzati...)

Vanno alimentati ad alta tensione ma, nuovamente, per un laboratorio di fisica un paio di kV non dovrebbero essere un problema...

All'uscita deve esserci una resistenza di valore pari a quelle del partitore interno. Certi ce l'hanno integrata, altri no... vedi il data-sheet.

Normalmente ci si collegano dei counter o, per "misure" puramente qualitative, degli ampli audio.

Tu non collegarci un counter. Il risultato sarebbe inutilizzabile. Va invece benissimo l'oscilloscopio, poi bisognerà risalire alla frequenza di rotazione contando i picchi in un determinato intervallo di tempo.

Non sarà comodissimo... ma 'sti ragazzi dovranno pur fare/imparare qualcosa, no? ;-)

Ciao Boiler

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Boiler

UBt ha scritto:

E' chiaro che il tuo laser sia enormemente più "serio" di uno da 1 euro. Volevo solo dire che, forse, in questo caso potrebbe anche sostituirlo. Ho fatto qualche prova con uno di quei puntatori: A pochi centimetri un BPW41 per infrarossi tira fuori 150mV. Ma, udite, udite, un LED rosso ad alta luminosità, usato come rilevatore, mi ha dato

1.5V! Comunque, in entrambi i casi, con questi livelli, un oscilloscopio medio può farti vedere perfettamente i tempi fra un impulso e l'altro. Spero solo di esserti stato utile. Se poi ti serve uno schemino per amplificare gli impulsi, basta chiedere.

Ciao. Giuliano

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JUL
23:23 - Sab 07 Apr 2007, 18:48, UBt ha scritto: [...........]

- 632,8 nm, non è un rosso scuro, è ancora piuttosto chiaro. Non è certo rubino sangue di piccione, insomma.

- il tuo laser Classe 2 è di piccola potenza (massimo 1 mW) ed è adatto soprattutto all'emissione continua (a frequenze elevate non è che sia particolarmente performante). Cos'è, a Elio-Neon per uso medico? Si spiegherebbe il prezzo. Una pinza la prendi dal ferramenta a pochi euro, ma venduta come attrezzatura ospedaliera vale oro. Se non vuoi il puntatore dei cinesi allora prendi un laser a semiconduttore per telecomunicazioni, che se non altro avrà un rendimento energetico molto più alto di quello a gas (si parla per esempio di un 80 per cento) e a pari luce consumerà e scalderà poco. Ed inoltre, se mai potesse tornare utile, si può anche pilotare a impulsi o a frequenze elevate. E poi, l'ingombro ridottissimo

- Ci sono le sorgenti laser, e ci sono le ottiche. Si possono trovare sia i laser già completi di ottica (proiettore) per produrre il fascio cilindrico (il famoso cosiddetto "raggio"), e ci sono anche i laser senza ottica, che producono un fascio che si allarga, e l'ottica bisogna mettercela a parte. Se tu vuoi mettere a fuoco il punto a una determinata distanza, metti su l'ottica giusta e la regoli. Il raggio cilindrico all'infinito è un'utopia -*_ uniposta(at)yahoo.it -*_ uniposta(at)gmail.com

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uniposta

Questt'attrezzatura non c'è, nel mio ex laboratorio di Fisica.

Lo immaginavo che l'oscilloscopio sarebbe stato utile; essendo un doppia traccia posso in una mettere un'onda quadra di frequenza variabile e comunque conosciuta e nell'altra la mia frequenza sconosciuta. Giusto ? Ma come collego il fotodiodo citato in precedenti post all'oscilloscoipio ? Questo è il punto centrale !!!

Non è un Istituto Tecnico ma un Liceo e la preparazione media tecnica dei ragazzi consente loro, a malapena, di gestire un telefonino. Gli insegnanti teorici sono appena un gradino al disopra. Apprezzo che il tuo commento si concluda con uno smile che lascia capire una certa qual rassegnazione. Ciao UBt

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UBt

Credo proprio che sia quello che servirebbe a me. Grazie se tu o qualcun'altro potete fornirmi un aiuto. Uno schema Fidocad potrebbe essere utile. Ciao UBt

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UBt
.

Non ho molta dimestichezza coi colori; comunque è rosso vivo. Ma la cosa ha una relativa importanza.

Non all'infinito comunque, se ben ricordo, a qualche decina di metri di distanza il diametro del raggio non era cambiava di molto. Il laser in questione è un'apparecchiatura didattica e questo spiega in parte il suo alto prezzo. Immagina che la mia scuola ha a suo tempo comprato una calcolatrice 4 operazioni a 265.000 lire, un CD ROM 1 velocità a più di un milione, un multimetro digitale a 300.000 lire, ecc. ecc. Questi erano i prezzi correnti. Se poi si trattava di apparecchiature cosiddette "didattiche" i prezzi salivano alle stelle. Sono a conocnza anch'io degli alti costi delle apparecchiature medicali. Ribadisco che il laser c'è già, perfettamente funzionante. Necessita solo il circuito di rilevazione. Ciao UBt

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UBt

UBt ha scritto:

OK, ma dovresti dirmi quale sensore userai e di quanto vuoi amplificare.

Giuliano

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JUL

UBt ha scritto:

Chiedo scusa a Boiler per l'intromissione. Se il punto centrale consiste nel come applicare un fotodiodo (o un LED) all'oscilloscopio, il problema non esiste, va collegato direttamente alla sonda dell'ingresso Y. Qualsiasi oscilloscopio appena decente ha una portata da almeno 10mV/cm, e quindi gli impulsi si vedono benissimo anche senza amplificazione.

Giuliano

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JUL
12:25 info+links - Dom 08 Apr 2007, 16:35, UBt ha scritto:

- Oh, beh, per quanto riguarda il rubino, anch'io:

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...ma soprattutto, a giudicare dalla grande varietà di tonalità dal rosato, al rosso chiaro, al rosso intenso, al liquoroso, al purpureo, al quasi lilla, sembrano non averla i commercianti di rubini. E infine gemmologicamente parlando, "sangue di piccione" non si usa :
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\\opzione(?) > cambiava di molto \\opzione(?) > era cambiato di molto \\alternativa > era che cambiasse di molto

- (non so quale volevi scrivere nel testo finale)

- E poi vi lamentate che vi mancano i soldi.

- E poi si lamentano degli alti costi della Sanità. - Però, per esempio, un oblò (l'intero blocco, s'intende,) di un grosso aereo passeggeri può costare intorno ai 10mila euro. Un po' di metallo, plastica, e matariali gommosi. Con tutti i collaudi di questo mondo, e mettiamoceli pure. - Una tuta spaziale costa milioni (ma la sua realizzazione è molto artigianale e viene fatta su misura, non è un prodotto di serie)

- Ci sono i fotoricevitori per telecomunicazioni, per esempio

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[PDF]
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Ci sono quelli fatti apposta per fibre ottiche (la finestrella è in fondo a uno stretto buco, e nella pagina ci sono anche gli emettitori o i kit completi), e quelli con la normale finestrella

-*_ uniposta(at)yahoo.it -*_ uniposta(at)gmail.com

-------------------------------- Inviato via

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uniposta

JUL ha scritto:

Ma che dici???? Non è mica il mio thread privato ;-) I tuoi interventi sono benvenuti.

Aggiungo alla tua risposta: l'oscilloscopio si collega come un multimetro. Certi modelli hanno la possibilità di scegliere tra ingresso ad alta imepdenza (10 MOhm di solito) e ingresso terminato a 50 ohm. Utilizzare la prima opzione.

Boiler

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Boiler

UBt ha scritto:

Se come dici hai a che fare con dei buzzurri ;-) puoi fare così, ma è piu' semplice e piu' preciso impostare il trigger e la scala dei tempi in modo da avere 10 picchi fermi sullo schermo e misurare sulla scala orizzontale il tempo. Dividi per dieci e ottieni il periodo. Inverti e hai la frequenza.

Boiler

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Boiler

Mi sono stati suggeriti un BPW34 o un BPW41. Quanto al fattore di amplificazione non saprei proprio cosa dire. UBt

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UBt

">>

Chiedo scusa. La seconda che hai detto. ...se ben ricordo, a qualche decina di metri di distanza il diametro del raggio non era cambiato di molto. UBt

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UBt

Credo che il problema sia di semplicissima soluzione. Non utilizzerei un fotodiodo da telecomunicazioni perch=E9 tanto non hai bisogno di tirare delle linee a 10 gigabit per secondo :-D Partiamo da un BPW34, che dovrebbe andare benone. 1kHz =E8 una frequenza di modulazione estremamente piccola, per cui non hai nessun problema con le bande passanti n=E9 del diodo, n=E9 dell'oscilloscopio. Il sensore lavora bene nel rosso, fino all'infrarosso vicino (probabilmente sar=E0 al silicio, data la lunghezza d'onda limite nell'infrarosso):

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Nell'oscurit=E0, =E8 nient'altro che un diodo: in un senso conduce, nell'altro non conduce (quasi) niente. Quando lo illumini, inizia a passare una corrente apprezzabile anche in polarizzazione inversa, dato che i fotoni permettono la generazione di coppie elettroni/lacuna nella regione di svuotamento (che fra parentesi coincide praticamente con la regione intrinseca, dato che il diodo =E8 di tipo PIN). Prendi una piletta da qualche volt (diciamo 9V) ed una resistenza da qualche decina di kOhm (diciamo 100kOhm) e collega il diodo di modo che sia polarizzato inversamente. Se misuri con un tester la tensione ai suoi capi, in oscurit=E0 sar=E0 praticamente uguale a quella della pila; se illuminato, scender=E0 un po', di una quantit=E0 che dipende dall'intensit=E0 luminosa e dal valore della resistenza. Se il segnale varia nel tempo, potrai tranquillamente utilizzare l'oscilloscopio collegato ai capi del diodo per misurare la frequenza, come suggeriva per esempio Boiler. Se il segnale =E8 un po' piccolo, puoi magari guadagnare qualcosa usando un fototransistor, ma in generale potrai affidarti tranquillamente all'amplificatore verticale gi=E0 presente all'interno del tuo oscilloscopio.

Altra possibilit=E0 senza pila: collega il fotodiodo in parallelo ad una resistenza da 100kOhm e l'oscilloscopio (ad alta impedenza). Funzioner=E0 da fotopila, fornendo un segnale di qualche decina di mV proporzionale alla luce che ricever=E0. Anche qui potrai demandare l'amplificazione all'oscilloscopio.

Per quanto riguarda il discorso dei laser, un laser HeNe a 632,8 nm ha di solito delle caratteristiche piuttosto interessanti ed una divergenza del fascio abbastanza bassa, soprattutto se confrontato con i laser a semiconduttore che hanno bisogno di un'ottica complessa per ottenere un fascio collimato in maniera decente. In pi=F9, molti puntatori laser economici lavorano mi pare intorno ai 675 nm, lunghezza d'onda che corrisponde ad un rosso che pare pi=F9 scuro di quello della riga dell'HeNe perch=E9 l'occhio a questa lunghezza d'onda =E8 un po' meno sensibile. Confermo pero' che fino ad una decina di anni fa, i prezzi dei laser a gas di piccola potenza come quello usato dal nostro amico andavano intorno almeno al milione di vecchie lire.

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Darwin

Nell'oscurità, è nient'altro che un diodo: in un senso conduce, nell'altro non conduce (quasi) niente. Quando lo illumini, inizia a passare una corrente apprezzabile anche in polarizzazione inversa, dato che i fotoni permettono la generazione di coppie elettroni/lacuna nella regione di svuotamento (che fra parentesi coincide praticamente con la regione intrinseca, dato che il diodo è di tipo PIN). Prendi una piletta da qualche volt (diciamo 9V) ed una resistenza da qualche decina di kOhm (diciamo 100kOhm) e collega il diodo di modo che sia polarizzato inversamente. Se misuri con un tester la tensione ai suoi capi, in oscurità sarà praticamente uguale a quella della pila; se illuminato, scenderà un po', di una quantità che dipende dall'intensità luminosa e dal valore della resistenza. Se il segnale varia nel tempo, potrai tranquillamente utilizzare l'oscilloscopio collegato ai capi del diodo per misurare la frequenza, come suggeriva per esempio Boiler. Se il segnale è un po' piccolo, puoi magari guadagnare qualcosa usando un fototransistor, ma in generale potrai affidarti tranquillamente all'amplificatore verticale già presente all'interno del tuo oscilloscopio. Altra possibilità senza pila: collega il fotodiodo in parallelo ad una resistenza da 100kOhm e l'oscilloscopio (ad alta impedenza). Funzionerà da fotopila, fornendo un segnale di qualche decina di mV proporzionale alla luce che riceverà. Anche qui potrai demandare l'amplificazione all'oscilloscopio.

Le informazioni che mi hai fornito sono, mi pare, proprio quelle che avrei voluto avere e che dovrebbero consertirmi di realizzare quanto desiderato. L'esperimento in questione sarà realizzato nelle prossime settimane e fino allora non potrò montare il laser e lo specchio rotante. Per cui non potrò, fino allora, provare praticamente quanto da te indicato. Grazie infinite UBt

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UBt

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