Luz, Láser y Óptica: Kit de divulgación Componentes del Kit: 1 láser rojo, 635 nm, <1 mW 1 láser verde, 532 nm, <1mW 1 Conjunto de lámparas (rojo, verde, azul) 1 LED Blanco 1 Juego de 3 Lentes de vidrio esmerilado 10 Transportadores 10 Redes de Difracción, 500 líneas / mm 3 Espejos 3 Soportes para espejos 1 Bolsa de ositos de gominola, rojo y verde 1 Jeringuilla 1 Guía de actividades Contenido de las actividades: TÍTULO NIVEL TIEMPO ESTIMADO 2º / 4º ESO 30 minutos Luz colimada 4º ESO 20-30 minutos Luz coherente 4º ESO 20-30 minutos Absorción, transmisión y reflexión 4º ESO 45-60 minutos Microscopio láser 4º ESO / 2º BTO 30 minutos Reflexión y refracción 4º ESO / 2º BTO 45 - 60 minutos 2º / 4º ESO 45-60 minutos Medida de la longitud de onda de un láser 2º BTO 45-60 minutos Medida del diámetro de un cabello humano con un láser 2º BTO 45-60 minutos Luz monocromática Dispersión y mezcla de Colores Actividad 1: Luz monocromática Planteamiento Mediante la comparación entre los espectros de la luz blanca, la luz de color emitida por un LED y la luz láser, los alumnos observarán que la luz emitida por un láser es monocromática y consta de una única longitud de onda (color). Duración: 30 minutos Nivel: 2º o 4º ESO Materiales Lámparas de luz roja, verde y azul con tapas de rendija Un láser rojo y uno verde Varias fuentes de luz blanca (LED, linterna, lámparas domésticas) 10 redes de difracción Montaje experimental 1. Coloque los focos en la parte delantera de la clase, dirigidos hacia el aula para que los estudiantes puedan ver la luz cuando se enciendan posteriormente. 2. Sitúe los láseres de forma que, cuando se enciendan, la luz emitida se proyecte por seguridad sobre una pared en blanco, en dirección opuesta a los estudiantes. 3. Entregue una red de difracción a cada grupo. Antecedentes y Discusión Pida a los estudiantes que propongan en voz alta respuestas a la pregunta: ¿Por qué la luz láser es diferente de otras fuentes de luz? ¿Qué convierte una luz en láser? Escriba las respuestas de los alumnos en la pizarra, donde puedan verlas, sin comentarlas ni corregirlas. Anote las respuestas en una hoja de papel si se va a continuar la clase otro día. Comience la actividad comentando a los estudiantes que en esta práctica van a investigar una propiedad de la luz láser. No les diga cuál es. Comprobaremos si los alumnos pueden nombrar esta propiedad a través de la observación y la investigación. Observando e Investigando 1. Recuerde a los estudiantes que la luz blanca está compuesta por "todas" las longitudes de onda de la luz: la luz blanca es lo que percibimos cuando las diferentes longitudes de onda que forman la luz interactúan entre sí. 2. Introduzca la red de difracción: explique que una red de difracción permite separar la luz que vemos a través de ella, mostrando su espectro, una firma o huella dactilar única que caracteriza el conjunto de longitudes de onda que forman la luz que observamos. 3. Muestre a los estudiantes cómo utilizar la red de difracción: mantenga la red de difracción a la altura del ojo y mire hacia una fuente de luz (nunca directamente al sol o a una luz láser). Ahora observe el espectro de la luz. 4. Invite a los alumnos a buscar espectros de las diferentes "luces blancas" disponibles (lámparas fluorescentes, bombillas, una linterna). 5. Pídales que describan lo que ven: "un arco iris"; pídales que le digan los colores que ven y en qué orden; pregúnteles si los colores están en el mismo orden para todas las luces que miran o si el orden varía. Asegúrese de que lleguen a la conclusión de que el violeta o morado siempre es el más próximo a la fuente de luz. 6. A continuación diga a los estudiantes que van a observar los espectros de luz de varios LED’s de colores. Encienda el juego de LED’s y pida los alumnos que comprueben que hay una luz roja, una verde y una azul claro (LED rojo, verde y azul, respectivamente). 7. Pida a los alumnos que predigan lo que van a ver cuando miren al LED. ¿Van a ver un espectro, o sólo un color? ¿Está el LED formado por más de una longitud de onda, como la luz blanca, o sólo por una? Pida a uno de los alumnos partidario de un espectro que exponga sus razonamientos. Igualmente, solicite a otro alumno contrario a un espectro que comparta sus razonamientos. 8. Sin comentar ni corregir las explicaciones dadas por los alumnos, indíqueles que observen la luz del LED rojo, verde y azul, utilizando la red de difracción. Los estudiantes pueden necesitar acercarse para poder ver bien. 9. Pida a los alumnos que compartan sus observaciones y expliquen que incluso un LED rojo, verde o azul se compone de su propio espectro de colores diferentes. 10. Finalmente, pida a los estudiantes predecir lo que van a ver cuando miren a la luz del láser verde y del rojo. Pida a los alumnos que compartan sus respuestas y su razonamientos. 11. Dirija los láseres en dirección opuesta a los estudiantes, hacia una pared en blanco. 12. Indique a los estudiantes que nunca deben mirar directamente a NINGUNA LUZ LÁSERNUNCA. 13. Diga a los alumnos que van a observar el espectro del láser al pasar su luz a través de la red de difracción. 14. Sitúe una red de difracción delante de cada láser y muestre a los estudiantes que cuando la red separa el espectro de la luz láser sólo aparece un color. 15. Invite a los alumnos a exponer y especular sobre lo que ven. 16. Pregunte - Entonces... ¿cuál es la propiedad especial de la luz láser que hemos observado? UN COLOR, UNA LONGITUD DE ONDA: ¡¡¡MONOCROMÁTICO!!! Actividad 2: Luz colimada Planteamiento Comparando la luz emitida por un LED y la de un láser, los estudiantes observarán que la luz emitida por un láser es colimada (se propaga en rayos paralelos). Duración: 20-30 minutos Nivel: 4º ESO Materiales Láser verde Láser rojo Lámpara de luz verde sin tapa de rendija Lámpara de luz roja Regla Papel normal, blanco Antecedentes y Discusión Diga a los estudiantes que van a observar una propiedad fundamental de la luz láser; una propiedad que hace a los láseres mucho más peligrosos y potentes que la luz con la que están familiarizados, incluso cuando el láser emite muy poca energía como los que se usan en esta práctica. La luz emitida por un láser es colimada, es decir los rayos de luz son paralelos entre sí. La luz "ordinaria" diverge o se ensancha a medida que se propaga. Esta actividad demostrará el efecto de la colimación. Montaje experimental 1. Divida a los alumnos en cinco grupos. 2. Dé a cada grupo una fuente de emisión (luz o láser), una regla y una hoja de papel. 3. Mientras los estudiantes estén recogiendo datos, dibuje la siguiente tabla en la pizarra o en un papel blanco grande, visible desde toda el aula. Observando e Investigando 1. Diga a los estudiantes que van a medir el área de la luz producida por la fuente de luz a tres distancias diferentes: 3, 8 y 15 centímetros. 2. Pida a los estudiantes que escriban las fórmulas para el área de: a. un rectángulo, A= a.b b. un círculo, A = .R2 c. una elipse, A = .a.b 3. Pida a los alumnos que dirijan su fuente de luz hacia una hoja de papel blanco a una distancia de 3, 8 y 15 centímetros para calcular el área iluminada por la luz para cada distancia. 4. Invite a un alumno de cada grupo a poner los datos de su grupo en la tabla. 5. Pregunte a la clase - ¿Qué se observa? ¿Es la luz del láser diferente de la luz del LED? ¡Está Colimada! Tabla de datos Fuente de Luz Distancia LED rojo 3 cm LED verde 3 cm LED azul 3 cm LASER verde 3 cm LASER rojo 3 cm LED rojo 8 cm LED verde 8 cm LED azul 8 cm LASER verde 8 cm LASER rojo 8 cm LED rojo 15 cm LED verde 15 cm LED azul 15 cm LASER verde 15 cm LASER rojo 15 cm Área Actividad 3: Luz Coherente Planteamiento Por comparación entre la luz producida por un LED y la emitida por un láser, los alumnos observarán que la luz láser es coherente (se propaga en fase) Duración: 20-30 minutos Nivel: 4º ESO Materiales Láser verde Láser Rojo Luz verde sin tapa Lámpara de luz roja Papel normal, blanco Montaje experimental 1. Divida a los estudiantes en cuatro grupos. 2. Dé a cada grupo una fuente de luz, o un láser, una regla y una hoja de papel. Antecedentes y Discusión La luz del láser es coherente, lo que significa que está "en fase". Esto implica que todos los "picos y valles" de las ondas de luz se alinean. Dibuje un diagrama en la pizarra para mostrar el significado de coherencia. Observando e Investigando 1. Pida a cada grupo que mantenga su fuente de luz ligeramente inclinada sobre el papel, pero muy cerca del mismo, observando la imagen que se forma. Pídales que discutan entre ellos sobre lo que ven, lleguen a un acuerdo y escriban su observación. 2. Haga que los grupos se intercambien las fuentes de luz... si un grupo tiene un LED, debe obtener un láser... si tienen un láser, deben contar con un LED. Pida a los estudiantes repetir el proceso con su "nueva" fuente de luz y comparar el resultado. 3. Los estudiantes deben observar un patrón moteado con la luz del láser y no moteado (uniforme) con la luz del LED. Es posible que necesiten un poco de orientación y/o mover las fuentes de luz hacia atrás y adelante varias veces para notar la sutil diferencia. 4. Explique que la luz se propaga en forma de ondas. Cuando esas ondas están en fase (coherente) interfieren entre sí de una manera específica. Las ondas coherentes pueden cancelarse unas a otras (interferencia destructiva) o pueden amplificarse mutuamente (interferencia constructiva). 5. Un patrón de puntos brillantes y oscuros (muy, muy pequeños) es producido por la luz láser coherente debido a esta interferencia, pero este patrón no es producido por el LED porque la luz emitida por el LED no es coherente, o sea no está en fase. Actividad 4: Absorción, transmisión y reflexión Inspirado en el siguiente vídeo que describe el proceso básico - http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk Planteamiento Los ositos de gominola resultan muy útiles para demostrar los conceptos bastante abstractos que describen las interacciones más básicas entre la luz y la materia: absorción, transmisión y reflexión. Duración: 45-60 minutos Nivel: 4º ESO Materiales Láser verde Láser rojo LED de luz blanca 3 Ositos de gominola rojos 3 Ositos de gominola verdes 3 Ositos de gominola transparentes (claros) 1 hoja de papel blanco 1 hoja de papel encerado 1 transparencia o bolsa de plástico transparente Antecedentes y Discusión Un error conceptual muy común entre los estudiantes es que el color es una propiedad de la materia. Este error subyacente conduce a toda clase de equívocos; el más extendido es que cuando la luz blanca pasa a través de un objeto verde proyecta un resplandor verde en el papel, asumiendo que el objeto “añade” color al de otro modo color “blanco” de la luz. No importa cuántas veces se les explique, es difícil para los estudiantes entender la idea de que cuando ven un objeto, p. ej. rojo, lo que realmente está sucediendo es que la mayoría de las longitudes de onda que componen la luz blanca están siendo absorbidas por el objeto y sólo la longitud de onda que conocemos como rojo se está reflejando. Lo que ellos "ven" es la luz roja transmitida hacia sus ojos. Cuando la luz de un láser, que es monocromática (compuesta de un solo color o longitud de onda) incide sobre algún material puede sufrir tres fenómenos: se absorbe (convirtiendo la energía lumínica en calor), se refleja o se transmite. Pero la mayoría de los estudiantes están familiarizados con la luz blanca, compuesta de muchos colores, o longitudes de onda. Cuando la luz blanca choca contra un objeto, el objeto absorbe, refleja o transmite, selectivamente, ciertas longitudes de onda. La forma en que interactúa la luz con un objeto depende de la longitud de onda de la luz y de la naturaleza de los átomos en el objeto. Un material absorbe las frecuencias de la luz que coinciden con la frecuencia a la que vibran los electrones de los átomos que forman el material. Puesto que distintos materiales se componen de átomos cuyos electrones vibran a diferentes frecuencias, dichos materiales absorben diferentes frecuencias de la luz. Esto rompe con la idea de que la luz atraviesa o no un material únicamente debido a su "espesor". La luz que un material no absorba es, o bien reflejada o bien transmitida. La forma en que se percibe el color es debido en gran parte al modo en que la luz interactúa con la materia. Así, el color nunca estuvo en el objeto, sólo en la luz que brilla sobre él y que en última instancia se refleja hacia nuestros ojos. Las siguientes prácticas darán a los estudiantes una comprensión intuitiva de este fenómeno y empezarán a erradicar sus ideas erróneas acerca de la luz y el color. Demostración 1. Encienda el LED blanco dirigido hacia los estudiantes y recuérdeles que la luz blanca está compuesta de muchas ("todas") longitudes de onda o frecuencias de la luz. Explique que el LED es una fuente de luz; que los alumnos puedan ver directamente la luz que es emitida por el LED. 2. Pregunte: ¿qué pasa cuando la luz blanca interactúa con "algo"? 3. Frente a los estudiantes, ilumine el papel blanco con el LED y pregunte: ¿qué le pasa a la luz? 4. Repita con el papel encerado y la bolsita de plástico o la transparencia. 5. Discutir los términos de transmisión, reflexión y absorción. Procedimiento Divida a los alumnos en tres grupos y dé a cada grupo una hoja con la tabla de datos. Configure tres "puestos", en cada puesto disponga una fuente de luz (un láser verde o un láser de color rojo o un LED blanco) un pedazo de papel blanco normal y 3 ositos de gominola (uno verde, uno rojo y uno claro o transparente). Observando e Investigando 1. Recuerde a los alumnos las normas de seguridad a tener en cuenta cuando se maneja un láser. 2. Diga a los estudiantes que registren sus observaciones de cómo interactúan diferentes fuentes de luz con diferentes materiales: los tres colores diferentes de las gominolas. 3. Enseñe a los estudiantes cómo hacer incidir la luz emitida por cada fuente de luz sobre cada oso de goma de color y como registrar su observación. Concretamente deben analizar si la luz es transmitida, reflejada y/o absorbida por los diferentes osos de gominola y cómo tiene lugar el fenómeno. 4. Cuando todos los grupos han recogido los datos de los tres puestos, dé instrucciones para que revisen sus observaciones y sus datos y puedan llegar a una o más conclusiones acerca de cómo se comporta la luz. Pídales que escriban su conclusión en su hoja de datos. Discusión y Conclusiones Pida a los estudiantes que compartan sus observaciones o ¿Todas las fuentes de luz se comportan de la misma manera? o ¿Cuando se observa la absorción, la transmisión y la reflexión? o ¿Por qué la luz verde no pasa a través del osito de gominola roja? ¿Y por qué la luz láser roja no pasa por el osito de gominola verde? o ¿Por qué la luz blanca se pone roja cuando pasó por el oso de goma de color rojo y se vuelve verde cuando pasa por el osito de goma verde? Los estudiantes pueden sugerir que los ositos de gominola "colorean" la luz blanca, igual que se puede pintar en una hoja de papel blanco. Recuerde a los estudiantes que la luz blanca se compone de todas las longitudes de onda visibles de la luz. Ayúdelos a relacionar que el osito de gominola rojo en realidad permite que sólo las longitudes de onda de luz roja se transmitan o reflejen. Todas las otras longitudes de onda (colores) son absorbidos y no podemos ver la luz que es absorbida. Como resultado, la única luz que pasa a través del oso rojo es de color rojo (los estudiantes comprenderán que ésta es también la razón por la que el oso rojo se ve rojo: cuando la luz blanca rebota en él, sólo las longitudes de onda rojas pueden reflejarse y llegar a nuestros ojos, el resto de longitudes de onda son absorbidas). Lo mismo es cierto para el osito de goma verde, pero con el verde en lugar del rojo. Los estudiantes descubren que el haz del láser rojo pasa por el osito de gominola roja, ¡pero no el láser verde! Recuérdeles que el osito de gominola verde deja pasar sólo la luz verde y bloquea a las otras longitudes de onda; por lo tanto, el láser rojo no atraviesa el osito de gominola verde. Actividad 5: Microscopio LASER Adaptado de Gorzad Planinsic: Proyector formado por una gota de agua. (Water-Drop Proyector: http://www.fmf.uni-lj.si/ ~ planinsic/articles/planin2.pdf) Planteamiento Un montaje sencillo convierte una gota de agua del estanque en una lente esférica que hace visible su pequeño mundo interior. El efecto es espectacular y consigue de forma atractiva introducir el concepto de las lentes y de la óptica geométrica. Duración: 20-45 minutos Nivel: 4º ESO – 2º BTO (según conocimiento en matemáticas) Materiales Láser verde Jeringa Soporte de laboratorio Cinta adhesiva o pinzas de soporte Un estanque, río, lago, arroyo o agua de mar Una mano firme y un poco de paciencia Una diminuta gota de agua, junto con un haz LASER, se convierte en una lente esférica con una enorme capacidad de aumento. Dispositivo experimental Para montar esta simple pero enormemente atractiva demostración comenzaremos por llenar una jeringa con agua de un estanque o un río. Si vive cerca de la costa, un poco de agua de mar. Si no está cerca de un estanque o un río o del mar, puede recoger agua de un charco o algún otro punto permanente de agua que probablemente contenga algún pequeño ser vivo, cuyo tamaño se encuentre entre 0,2 - 0,5 mm. Llene la jeringa con el agua. Fije la jeringa en un soporte de laboratorio para que una gota de agua cuelgue de la punta. Sitúe el láser verde alineado con la gota de agua para que el haz pase a través del centro de la gota, perpendicular a la pared donde se proyecte la luz. El montaje debe situarse a unos dos metros de una pantalla o pared blanca, donde una mancha de color verde brillante mostrará una impresionante variedad de animales unicelulares, larvas, moscas... flotando y nadando. Este experimento es, en general, lo suficientemente llamativo para atraer a los estudiantes a conocer el sistema óptico que hace posible estas imágenes impresionantes. Antecedentes y Discusión En la figura de la derecha se muestra el camino que sigue el haz de luz al entrar y salir de la lente que forma una gota de agua suspendida de una jeringa. El rayo que pasa por el centro de la gota no se desvía; sin embargo, todos los demás rayos se inclinan hacia la normal al pasar del aire, de índice n1, al agua, de índice n2 Para ángulos pequeños, tal como ocurre en nuestro caso, la ley de Snell: n1.sen1 = n2.sen2 se convierte en: n1. 1 = n2. 2 . Por lo tanto, la desviación hacia la normal a una superficie viene dada por: n 1 2 1 1 2 1 1 1 1 n2 Esta es una ecuación general que se utiliza para ángulos muy pequeños, y es útil para trazar los rayos a través de sistemas complejos, que es lo que tenemos en nuestro montaje, a pesar de nuestra sencilla configuración. Para este ejemplo, la desviación cuando el rayo pasa del aire al interior de la gota (la primera superficie), es: h n 1 1 r n2 En la superficie posterior de la gota y debido a la desviación impuesta por la ley de Snell, el rayo está más cerca del eje en 2r veces la desviación; de manera que alcanza la superficie posterior a una distancia h' de la normal: n n h h 2r. h 2h. 1 1 h 2 1 1 n2 n2 El ángulo de desviación del rayo a medida que sale de la gota es el mismo que el ángulo de desviación al entrar en la gota. Por último: n n h 2 1 1 2 2 h n1 n2 r . f 2 h n 2 n2 1 2 1 1 n1 r n2 La explicación de cómo la luz que pasa a través de una lente esférica crea la ampliación de una imagen, es un tema mucho más complicado y puede estar fuera del alcance de los estudiantes de secundaria. La siguiente figura es un simple diagrama de rayos de cómo tiene lugar la amplificación. Si a usted le gusta explorar las matemáticas que se encuentran tras este fenómeno, puede consultar el excelente documento de Gorazd Planinsic que se refiere al comienzo de esta práctica. Adaptado de Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf Actividad 6: Reflexión y Refracción Planteamiento La reflexión y la refracción son dos de las ideas básicas sobre la luz que han de aprender los estudiantes. Algunas prácticas con emisores de luz y lentes ayudan a los estudiantes a comprender estos fundamentos antes de pasar a conceptos más complicados. Duración: 45-60 minutos Nivel: 4º ESO – 2º BTO (dependiendo del nivel en matemáticas) Materiales Juego de 3 lámparas con tapas de rendija Láser rojo y verde (para alumnos mayores) Transportadores Juego de lentes de vidrio 3 espejos con los soportes correspondientes Reflexión Montaje experimental Distribuya a los estudiantes en grupos de tres y entregue a cada grupo una fuente de luz, un transportador, un espejo y una hoja de papel de aluminio. Si dispone de un grupo con alumnos de más edad puede utilizar también el láser. Recuerde a los estudiantes que se aseguren de hasta donde llegan los rayos reflejados. Observando e Investigando Pida a los estudiantes que proyecten la luz sobre el espejo para examinar cómo la luz se refleja en su superficie. Pídales ajustar el ángulo desde el que la luz incide en el espejo y preguntarse: ¿Qué observas acerca de cómo la luz se refleja? - Una línea recta que se mueve de forma predecible cuando la fuente de luz se desplaza. Asegúrese que los estudiantes comprenden que es el cambio en el ángulo, y no la distancia, lo que modifica la forma en que la luz se proyecta. Los estudiantes más avanzados pueden cuantificar sus observaciones: haga a los estudiantes colocar el espejo con el soporte en el centro del transportador para que el espejo quede paralelo al eje de 90 grados. Desde el ángulo de 30 grados (con respecto a la vertical), pida a los estudiantes que incidan el rayo de luz directamente al centro del espejo y midan el ángulo del rayo reflejado con respecto a la vertical. Pida a los estudiantes que anoten sus resultados y repitan con más de dos ángulos de incidencia, a su elección. Mantenga una discusión en grupo sobre los resultados obtenidos por los estudiantes. Los estudiantes deben darse cuenta que el ángulo de incidencia = ángulo de reflexión. A continuación, haga que los estudiantes formen con el papel de aluminio una superficie plana y brillante. Repita las medidas anteriores, como con el espejo. Los estudiantes observarán que la lámina interactúa con la luz de la misma manera que el espejo. Pida a los estudiantes que arruguen el papel en una bola y repitan la exploración. Los estudiantes rápidamente se darán cuenta de que la luz se dispersa y se refleja en todas direcciones. Explique que cuando una superficie es rugosa, como ocurre con la pelota de aluminio, la luz todavía se refleja de acuerdo con las mismas reglas que acabamos de observar: en una línea recta con ángulos de incidencia = ángulo reflejado; Sin embargo, muchos rayos inciden sobre superficies con distintas orientaciones, dispersando los rayos que alcanzan la lámina arrugada. Ahora puede usted explicar a los estudiantes que la luz se refleja en todo lo que vemos. Siempre lo hace en línea recta. Todo lo que vemos es realmente luz que se refleja en las superficies y es captada por nuestros ojos. Refracción - Antecedentes y Discusión Explique a los estudiantes que la luz se propaga, en general, sólo en línea recta. Pero cuando pasa de un medio (aire) a otro (agua), se desvía o refracta. Los estudiantes más jóvenes simplemente aprovecharán unas prácticas que les permiten observar este fenómeno, mientras que los estudiantes más avanzados pueden aprender que esta desviación se produce de acuerdo con la ley de Snell: n1.sen1 = n2.sen2 donde n es el índice de refracción del medio a través del cual se propaga la luz, 1 es el ángulo entre el rayo incidente y la normal, y 2 es el ángulo entre el rayo refractado y la normal. Esta desviación se debe a que cuando la luz pasa del aire a propagarse en otro medio (agua, vidrio...) se ralentiza. El cambio en la velocidad hace que la luz cambie de dirección. Material n Aire 1.00029 Agua 1.33 Vidrio 1.50 Gasolina 1.31 Plástico 1.47 - 1.6 Diamante 2.5 El índice de refracción (n) varía, además, con la longitudes de onda de la luz. Observando e Investigando – Nivel de iniciación 1. Coloque las tapas con rendija en cada una de las tres fuentes de luz para que se proyecte una línea. 2. Coloque la lente trapezoide unos cinco (5) centímetros delante del foco de luz de manera que el rayo pase a través de la lente. 3. Observe que la luz se desvía cuando entra en la lente y luego se desvía de nuevo cuando sale de la misma. Esta desviación se denomina refracción. 4. Explique que la luz cambia de dirección debido a que cambia la velocidad al pasar de un medio (aire) a otro (vidrio). 5. A continuación, disponga las tres luces de forma que proyecten tres líneas paralelas. 6. Sitúe la lente convergente (convexa), colocándola a unos cinco (5) centímetros delante de las lámparas y observe que la lente curva la luz hacia un punto focal. 7. Repita con la lente divergente (cóncava). Más sobre Lentes Las lentes nos permiten utilizar lo que sabemos acerca de cómo se desvía la luz. Los estudiantes pueden observar cómo se propaga la luz a través de una lente convexa y una lente cóncava hasta enfocar la luz en un "punto focal". El punto focal es comúnmente considerado como el lugar donde se forma una imagen. Nosotros utilizamos todo tipo de lentes para enfocar las imágenes. Algunos ejemplos típicos de lentes son: nuestros ojos, una cámara, un microscopio o un telescopio. Las lentes son una forma eficaz de controlar y entender la luz, para que podamos manipularla. Hay cuatro factores que determinan la longitud focal de una lente: 1. el índice de refracción de las lentes, nlens 2. el índice de refracción del medio que forma el entorno de la lente, nent 3. el radio de curvatura de la superficie anterior de la lente, r1 4. el radio de curvatura de la superficie posterior de la lente, r2 Matemáticamente, la longitud focal de una lente en el aire se puede calcular a través de la: ECUACIÓN DE LENTES 1 1 1 nlens 1. f nent r1 r2 Obsérvese que, cuando la lente es convexa, la longitud focal es positiva y cuando la lente es cóncava, la longitud focal es negativa. Observando e Investigando – Nivel Intermedio 1. Proyecte dos rayos paralelos utilizando dos láseres e insertando una lente para generar líneas de proyección. 2. Coloque la lente convergente en el centro del transportador como se muestra en la figura, con 0 grados como la normal. 3. Marque donde los dos rayos convergen como el punto focal. 4. Mida la distancia desde el centro de la lente hasta el punto focal - esta es la longitud focal f en la ecuación de las lentes. 5. Utilice este valor y los valores de n en la tabla anterior para el vidrio y el aire y resuelva la ecuación para obtener el valor de r. Tenga en cuenta que ambas superficies tienen el mismo radio de curvatura, r1 = r2 Pensando en ello.... Si le gustara "arponear" un pez con un rayo láser, ¿debe apuntar el haz por encima, por debajo o directamente al pez con el fin de acertar? Actividad 7: Colores y luz Planteamiento Se realizaran dos actividades sencillas para introducir los fundamentos de la luz y el color a los estudiantes. El objetivo es observar que la luz blanca está compuesta por muchos colores y que varios colores se combinan para formar la luz blanca. Duración: 30-45 minutos Nivel: 2º - 4º ESO Materiales LED de luz blanca 3 Fuentes de luz con tapas de rejilla 10 redes de difracción Las luces del aula La luz del sol Papel blanco Lápices de colores o marcadores Procedimiento 1. Divida a los alumnos en cinco grupos y dé a cada grupo dos redes de difracción para compartir. 2. Encienda el LED blanco desde la parte delantera del aula dirigido hacia los estudiantes. Antecedentes y Discusión 1. Pida a los estudiantes a que miren la luz LED a través de la red de difracción por turnos. Pregunte: ¿Qué es lo que ves? Ayúdeles, si es necesario, a percibir el arco iris en los bordes de la rejilla de difracción. 2. Haga que los estudiantes miren en torno al aula a otras fuentes de luz a través de la red de difracción. Advierta a los alumnos de que nunca deben mirar directamente al sol, en esta o en cualquier otra actividad. 3. Pregunte a los alumnos cómo están dispuestos los colores. ¿Qué color es el más próximo a la fuente de luz? ¿Cuál está más apartado? ¿Están los colores siempre en el mismo orden, sin importar qué fuente de luz se esté observando, o los colores cambian de posición? 4. Pida a los estudiantes que hagan un dibujo de la luz y los arcos iris que ven, con los colores en el orden correcto. 5. A continuación coloque los LED de color con la tapa de rendija en la parte delantera del aula. 6. Encienda el LED rojo, el verde y el azul, y pida repetir a los alumnos el ejercicio anterior con cada color; o sea, mirar las luces a través de la red de difracción e informar sobre lo que observan. 7. Explique que las luces LED de color contienen sólo un grupo de colores, no es un espectro completo. Por tanto, los alumnos verán bandas estrechas con colores específicos. Discusión y Transición (o paso) a la Siguiente Actividad Pregunte: ¿De dónde vienen los colores del arco iris? Explique que los colores ya estaban allí, ocultos en la luz blanca y que la red de difracción separa la luz blanca en sus colores individuales. Las gotas de lluvia también puede separar la luz solar en muchos colores, formando un arco iris. Estos colores están siempre dentro de la luz blanca que observamos, pero no podemos verlos porque se encuentran mezclados dando lugar a la luz blanca a la que estamos acostumbrados. Generando Luz Blanca 1. Retire las tapas de rendija del LED para que proyecten amplias franjas de luz coloreada. 2. Sitúe el emisor de luz en un banco o una mesa, frente a una pantalla o pared blanca de modo que los estudiantes puedan ver la luz proyectada. 3. Encienda el LED rojo y el azul, y pida a los estudiantes que predigan el color que se verá cuando se combinan. 4. Mezcle las luces del LED rojo y el azul para generar el color rosa o magenta. 5. Encienda el LED azul y el verde y pida a los estudiantes que predigan el color que se verá cuando se combinen. 6. Mezcle el LED verde y azul para producir el azul claro o cian. 7. Encienda el LED verde y el rojo y pida a los estudiantes que predigan el color que se verá cuando se combinen. 8. Mezcle la luz roja y la verde para formar el color amarillo 9. Encienda los tres emisores de luz y pida a los estudiantes que predigan el color que se verá cuando se combinen. 10. Mezcle todos los LED para obtener la luz blanca. Actividad 8: Medir la Longitud de Onda de un Láser Planteamiento Los estudiantes aprenderán a determinar la longitud de onda de un láser mediante la recopilación de seis conjuntos de medidas que les permitan determinar la longitud de onda. Type to enter text Duración: 60-90 minutos Nivel: 2º BTO Materiales Láser rojo Láser verde 10 redes de difracción Montaje en pared o pantalla en blanco Regla o cinta métrica Antecedentes y Discusión La difracción es un fenómeno que describe cómo la luz se curva a medida que pasa a través de rendijas muy estrechas o alrededor de una barrera muy pequeña (como un cabello). Ver imagen a la derecha que muestra la difracción (curvatura) de las ondas en torno a una "esquina". Considerando la luz como una onda, tenga en cuenta que a medida que la luz pasa una barrera muy pequeña, se forman dos patrones de ondas diferentes. Estas ondas interfieren entre si ya sea para amplificar el patrón de onda (interferencia constructiva) o disminuir el patrón de onda (interferencia destructiva). Observando e Investigando 1. Reparta las redes de difracción y permita a los estudiantes observar el espectro que ven cuando miran a diversas fuentes de luz a través de la red. 2. Explique que la red está compuesta de muchas, muchas (ya veremos cuántos en breve) rendijas finísimas, alrededor de las cuales la luz se curva cuando pasa. Cuando luz blanca se curva, sus longitudes de onda también lo hacen e interfieren entre sí, separándose para dar lugar a un espectro. 3. ¿Qué sucede cuando la luz monocromática (un solo color/longitud de onda) pasa a través de las rendijas estrechas de una red de difracción? ¿Qué se espera que suceda cuando a una sola longitud de onda se le produce interferencia? Usted no puede ver un espectro de colores, porque la luz monocromática no está compuesta de muchas longitudes de onda, solo de una. 4. Coloque un láser rojo sobre una superficie estable y proyecte su luz a través de la red de difracción hacia una pared en blanco. Sujete con cinta adhesiva la red de difracción a la parte delantera del láser para fijarlo. 5. Haga lo mismo con un láser verde en una pared diferente. 6. Explique que el patrón que se ve es debido al patrón de interferencia de la onda de la luz cuando pasa a través de las rendijas. 7. Introduzca las matemáticas que describen este fenómeno: λ = (X) (d) / L donde d es la distancia entre las rendijas (cm/línea), L es la distancia de la red de difracción a la pantalla y X es la distancia entre máximos de intensidad. 8. Divida la clase en dos grupos, uno trabajará con el láser rojo y el otro trabajará con el láser verde. 9. Dé a cada grupo una tabla para rellenar con los datos de las medidas. 10. Pida a cada grupo de estudiantes que anote en la tabla el número de líneas por milímetro de la red de difracción y lo conviertan a centímetros para determinar el ancho de cada rendija. 11. Después, los estudiantes medirán y anotarán la distancia entre la red de difracción y la pantalla (L). 12. A continuación, los estudiantes medirán la distancia entre dos puntos brillantes, máximos de intensidad, adyacentes (X). 13. Indique a los estudiantes que han de realizar y registrar estas mediciones a tres distancias diferentes de la pantalla o pared. 14. Comparar los resultados experimentales de los estudiantes con las longitudes de onda reales de cada láser: 635 y 532 nm, para el láser rojo y el verde respectivamente. Tabla de Datos COLOR DEL LASER: _________________________ Red de Difracción Líneas/mm Anchura de la rendija (d) cm/línea Distancia de la red a la pantalla (L) en cm Distancia entre máximos (X) Elija tres distancias a la pantalla desde las que se hagan las medidas Determinación de la longitud de onda del láser Utilice los valores de X, d y L a partir de los datos anteriores y la fórmula de la doble rendija λ = (X) (d)/ L para determinar la longitud de onda del láser. Promedie los tres valores calculados y determine un valor final para la longitud de onda. λ = (X) (d)/ L Mostrar todas los datos sustituidos en la formula Valor Final (cm) Valor Final (micrómetros) λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L Valor Medio de la Longitud de Onda Actividad 9: Medir el Diámetro de un Cabello Humano mediante Difracción de un Haz Láser. Planteamiento Utilizando un láser de longitud de onda conocida los estudiantes determinarán el diámetro de un cabello humano, gracias al fenómeno de la difracción. Duración: 45 minutos Nivel: 2º BTO Materiales Láser rojo Láser verde Cinta adhesiva Pantalla o pared blanca Regla / cinta métrica Pelo humano Antecedentes y Discusión Véase la actividad anterior para la introducción a la difracción. La difracción láser se puede aplicar para medir cosas muy pequeñas, como el cabello humano. Aunque solemos pensar en términos de difracción de la luz que pasa a través de rendijas muy estrechas, la difracción también se produce de otras maneras. Procedimiento 1. Divida la clase en dos grupos 2. Dé a cada grupo un láser, una regla o metro, una hoja de papel en blanco y un poco de cinta adhesiva. 3. Haga que cada grupo elija a un compañero/a como donante de un mechón de pelo para medir. El pelo debe ser al menos de 25 cm de largo. 4. Introduzca la fórmula: Diámetro del Cabello = (longitud de onda) (distancia a la pared) / distancia entre las primeras manchas oscuras d . L x 5. Fije con cinta adhesiva el pelo al láser de manera que el cabello cruce la abertura del haz (como se ilustra) 6. Coloque el láser sobre una mesa u otra superficie, aproximadamente a un metro de una pared o pantalla. 7. Muestre a los estudiantes cómo medir la distancia entre las dos primeras zonas de interferencia destructiva a cada lado del máximo central (distancia entre los dos primeros puntos oscuros) 8. Pida a los estudiantes tomar medidas, rellenar la hoja de datos y calcular el diámetro del cabello en al menos cinco diferentes partes del pelo. 9. Pida a los estudiantes calcular el diámetro promedio de un cabello humano. A través de Internet, los estudiantes deben encontrar los valores comúnmente aceptados para el diámetro de un cabello humano y comparar su valor medio con el valor encontrado. Tabla de Datos Medida # Longitud de Onda del Láser Distancia a la Pantalla (W) Separación entre primeras zonas oscuras (D) 1 2 3 4 5 6 7 8 Repita las medidas al menos cinco veces, e introduzca los datos en la tabla superior; calcule y registre el valor obtenido para el diámetro del pelo, en la tabla inferior. Medida Diámetro del pelo = (longitud de onda) (W) / D 1 2 3 4 5 6 7 8 Calcule y anote el Valor Medio del diámetro del pelo. ¿Cómo se parece este valor al "valor aceptado" para el diámetro de un cabello humano? “EPIC Adopta un Kit de Enseñanza” EPIC se asocia con Laser Classroom para la difusión de un kit educacional: "Luz, Láser y Óptica" que llegué a los estudiantes de toda Europa. Los equipamientos, patrocinados por empresas, costarán 195 euros y estarán a disposición de los profesores. Organizaciones nacionales de investigación y grupos de fotónica han colaborado con EPIC en la traducción del juego a diferentes idiomas y en identificar a los maestros motivados para usar el kit durante sus clases, con el fin de promover entre los alumnos la ciencia, en general, y la fotónica, en particular. Los maestros no tienen que pagar por el juego, lo recibirán de forma gratuita. Lo que se espera de los profesores es que utilicen activamente el equipamiento y, una vez al año, informen a EPIC de cuántos niños han utilizado el juego, enviar una fotografía y un informe sobre el desarrollo de la clase. Organizaciones de Apoyo El Instituto de Educación Secundaria (I.E.S.) Ramiro de Maeztu es un centro de Secundaria fundado en 1939, ocupando las instalaciones del Instituto Escuela, un centro dependiente de la Institución Libre de Enseñanza cuyo objetivo fue la renovación de la práctica pedagógica en España. Desde su creación, el IES Ramiro de Maeztu ha desarrollado una línea de innovación pedagógica heredera del Instituto Escuela, fomentando la enseñanza de idiomas, la proyección internacional y la práctica deportiva (los alumnos del Ramiro son la cantera del Estudiantes, equipo de baloncesto cuyas instalaciones deportivas compartimos). En la actualidad es un centro bilingüe, impartiendo enseñanzas en inglés hasta 3º ESO y tiene una Sección Alemana, con clases en alemán hasta el Bachillerato. El instituto también imparte el Bachillerato Internacional, dependiente de la IBO (International Baccaularate Organization). Con el CSIC mantenemos una relación bastante estrecha, ya que compartimos espacio y además muchos alumnos son hijos de personal científico del CSIC. http://www.educa.madrid.org/web/ies.ramirodemaeztu.madrid/ IMB-CNM, el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, es un instituto de investigación sin fines de lucro que pertenece a la Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas Español (CSIC), el mayor organismo público de investigación multidisciplinar en España, cuyo objetivo principal es desarrollar y promover la investigación que ayudará a lograr el progreso científico y tecnológico. La actividad principal del IMB-CNM es investigación básica y aplicada y el desarrollo de micro y nanotecnologías basada en el silicio como material clave. Las actividades de I + D del IMB-CNM se complementan con la formación de investigadores y con el apoyo y la transferencia de tecnología a las empresas de los principales sectores industriales en su entorno. http://www.imb-cnm.csic.es EPIC es el Consorcio de Industrias Fotónicas Europeas, asociación industrial sin ánimo de lucro, que dirigida por sus socios promueve el desarrollo sostenible de las organizaciones que trabajan en el campo de la fotónica. Nuestros miembros abarcan toda la cadena de valor, desde la iluminación LED, energía solar fotovoltaica, la fotónica de silicio, componentes ópticos, láseres, sensores, pantallas, proyectores, fibra óptica y otras tecnologías relacionadas con la fotónica. Fomentamos un vibrante ecosistema mediante el mantenimiento de una sólida estructura y actuamos como catalizador y orientador para el avance tecnológico y comercial de la fotónica. EPIC trabaja en estrecha colaboración con las industrias del ramo, las universidades y las autoridades públicas para construir un sector industrial más competitivo, capaz de mantener un crecimiento tanto económico como tecnológico en el altamente competitivo mercado mundial de la fotónica.