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Velocità della luce

Quanto vale la velocità della luce?

In questa lezione vedremo quanto vale la velocità della luce sia nel vuoto che in un mezzo materiale trasparente e vedremo perché la velocità della luce rappresenta la massima velocità raggiungibile in natura.

Velocità della luce in m/s

La velocità della luce nel vuoto (che per convenzione viene indicata con la lettera c) è un dato noto da tempo; essa si propaga in linea retta, si muove di moto rettilineo uniforme, e assume il valore costante di 299.792.458 m/s, che per semplicità approssimeremo con 300.000.000 m/s ovvero 3 · 108 m/s; tale valore corrisponde a 3 · 105 km/s.

Velocità della luce in km/h

Volendo esprimere la velocità della luce nel vuoto in km/h si ha che:

velocità della luce = 1.079.252.849 km/h

ovvero:

velocità della luce = 1,079 · 109 km/h

Tale dato è facilmente ricavabile ricordando la relazione che intercorre tra i m/s e i km/h (si veda: da km/h a m/s) che è:

1 m/s = 3,6 km/h

Pertanto, conoscendo la velocità della luce in m/s (299.792.458 m/s) per convertirla in km/h è sufficiente moltiplicare per 3,6 il valore numerico dei m/s. Risulta pertanto che:

299.792.458 · 3,6 = 1.079.252.849 km/h

Viene confermato quindi che la velocità della luce espressa in chilometro orari è pari a 1.079.252.849 km/h.

Velocità della luce in un mezzo materiale trasparente

Oltre che nel vuoto la luce si può propagare in un mezzo trasparente quale ad esempio aria, vetro, diamante, acqua, ecc.

Nel vuoto la velocità della luce raggiunge il suo massimo valore possibile che, come detto in precedenza, è di 3 · 108 m/s; ciò implica che in un mezzo materiale trasparente la velocità della luce è sempre inferiore a tale valore.

Ma come è possibile determinare la velocità della luce in uno di questi materiali?

È sufficiente conoscere il valore dell'indice di rifrazione della sostanza e dividere c per il valore dell'indice di rifrazione (n), ovvero:

Velocità della luce in un mezzo materiale trasparente

Così ad esempio, sapendo che l'indice di rifrazione dell'acqua è n = 1,33, risulta che la velocità della luce nell'acqua corrisponde a:

v = 3 · 108 / 1,33 = 2,26 · 108 m/s

Velocità della luce e moto rettilineo uniforme

Come detto, la luce si propaga di moto rettilineo uniforme; ciò significa che la luce percorre spazi uguali in tempi uguali. Lo spazio percorso in un moto rettilineo uniforme è calcolabile applicando la seguente formula:

Spazio percorso dalla luce

Dalla quale è possibile ricavare anche la formula per il calcolo del tempo impiegato dalla luce a percorrere un determinato spazio:

Tempo impiegato dalla luce

Esercizio #1 sulla velocità della luce

Quanto tempo impiega la luce a percorrere la distanza Terra-Luna? Si sappia che tale distanza corrisponde a circa 385.000 km.

Svolgimento

La luce si propaga di moto rettilineo uniforme. Lo spazio percorso in un moto rettilineo uniforme è calcolabile applicando la seguente formula:

Spazio percorso dalla luce

da cui risulta che il tempo impiegato a percorrere un determinato spazio è:

Tempo impiegato dalla luce

Sostituendo in modo opportuno i dati a nostra disposizione, si ha che:

t = 385.000 / (3 · 108 m/s) = 1,28 · 10-3 s

Pertanto il tempo impiegato dalla luce a percorrere la distanza Terra -Luna è pari a 1,28 ms (millisecondi).

Esercizio #2 sulla velocità della luce

Un'onda elettromagnetica si propaga nel vuoto. Quanto spazio percorre nel tempo di 10 minuti?

Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: esercizio sulla velocità della luce.

La velocità della luce rappresenta la massima velocità raggiungibile in natura

Consideriamo ora il caso di un treno che viaggia ad una certa velocità costante, che chiamiamo Vtreno rispetto al suolo, e una palla che viene lanciata e si muove all’interno del treno lungo la stessa direzione di marcia.

Chiameremo la velocità della palla Vpalla.

Un osservatore posto a terra che vede passare davanti a se il treno vedrà la palla muoversi ad una velocità che è la somma della velocità della palla rispetto al treno più la somma della velocità del treno rispetto alla Terra.

velocità della luce nel vuoto e moti relativi

Cosa succede se consideriamo adesso un fascio di luce emesso sul treno in corsa?

Ci aspettiamo che, come nel caso della palla, l’osservatore a terra veda viaggiare il fascio di luce ad una velocità che è pari alla somma della velocità della luce c più quella del treno. Ed invece non è così!

velocità della luce

Gli esperimenti infatti mostrano che la velocità della luce all’interno del treno, anche se visti da un osservatore posto su un sistema di riferimento fisso, è sempre la stessa e vale c; la velocità della luce è dunque sempre pari a c qualsiasi sia la velocità del dispositivo che la emette.

Inoltre la velocità della luce rappresenta la massima velocità raggiungibile in natura: nessun corpo può arrivare a viaggiare al valore di tale velocità, ma si ci può avvicinare sempre più intendendo c come limite; cioè si ci può avvicinare sempre più alla velocità della luce senza però mai raggiungerla.

Questi risultati sono stati teorizzati all’inizio del novecento dal grande fisico Albert Einstein nella sua teoria della relatività.

Le conclusioni a cui arrivò Einstein furono talmente sconcertanti che molti accademici del tempo rimasero molto scettici a lungo sulle discussioni portate avanti dall’illustre genio.

Le leggi di Newton e Galileo sono valide ed applicabili solo quando le velocità sono molto inferiori a quelle della luce, come nel nostro mondo ordinario.

Se invece le velocità diventano dell’ordine di c allora bisogna introdurre dei fattori correttivi che portano a introdurre concetti di tempo relativi, masse e lunghezze relativistiche. Ovvero tempo, lunghezza e massa sono grandezze fisiche non più assolute ma mutabili a seconda della velocità a cui si procede.

Prova tu

Determinare lo spazio percorso in un minuto da un'onda elettromagnetica che si propaga nel vuoto.

La soluzione dell'esercizio la trovi qui: formula della velocità della luce.

Esercizi sulle onde elettromagnetiche

Se ti interessano li trovi qui: esercizi sulle onde elettromagnetiche.

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