Subido por Nancy Gutierrez

Elaboración de un espectrómetro funcional

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Elaboración de un espectrómetro casero por estudiantes y como influyen las
competencias establecidas por la coordinación de IGFO∗en su funcionalidad
Arredondo Garay, Johana Yaredt. Gutiérrez Cázares, Nancy Paola. Jimenez Torres, María del Mar. Martinez Ramirez,
Sofia Alejandra. Rivera González, Marco Antonio.
Laboratorio de Caracterización Óptica, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, Universidad de
Guadalajara, Jalisco, México. 1 de Abril del 2022.
Abstract
In the following article the results obtained from 5 homemade spectrometers of different photonics students
are analyzed. Three different light sources were observed with the devices made by the students as well as
with a mechanical laboratory spectrometer. Based on the results and the process to obtain them, the skills
acquired by each student are sampled.
Key words— Spectrometer, spectrophotometer, homemade spectrometer, competencies analysis, problem
resolution.
Resumen
En el siguiente articulo se analizan los resultados obtenidos de 5 espectrómetros caseros de distintos
estudiantes de fotónica. Se observaron 3 fuentes de luz distintas con los dispositivos realizados por los
estudiantes así como con un espectrómetro mecánico de laboratorio. A partir de los resultados y su proceso
para obtenerlos, se muestrean las competencias adquiridas por cada estudiante y como repercutió la ausencia
de alguna en la funcionalidad de su producto final.
Palabras clave— Espectrómetro, espectrofotómetro, espectrómetro casero, análisis de competencias, resolución
de problemas.
I.
cada alumno con la adquisición de las competencias y
habilidades, el presente trabajo realiza una recopilación
de las mismas en un grupo de estudiantes que cursan
sus últimos semestres de la carrera en Ingeniería
en Fotónica y las relaciona con la funcionalidad
de su decisiones para resolver problemas y darle
funcionalidad a un producto final, como en este caso
fue elaborar un espectrómetro casero para la materia
Introducción
El desarrollo de competencias y aprendizajes de los
alumnos en curso de una carrera a nivel de licenciatura
se presentan en diferentes etapas y situaciones para
cada individuo, se espera que los estudiantes egresen
con adquisición total de las competencias y habilidades
establecidas por la carrera, pero la vida no es una
utopía. A partir de la variación que puede existir entre
∗
Ingeniería fotónica, centro universitario de ciencias exactas e ingenierías.
1
Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022
de Laboratorio de Caracterización Óptica.
II. La invención del espectrómetro
I. Competencias
Según Daniel García1 el primer registro de un
proto-espectrofotómetro es de 1859; un científico
estudiando las características de los gases construyó
un equipo para medir las energías absorbentes
del CO2 , O3 , HC y vapor de agua, durante el
experimento descubrió que los gases completamente
incoloros absorbían luz en algunas longitudes de onda,
mientas que los otros que no eran incoloros, no la
absorbían. En 1935, Arthur C. Hardy del Instituto
Tecnológico de Massachusetts obtuvo la primer patente
de espectrofotómetro y el primero en registrarlo
comercialmente basado en el trabajo de Arthur fue
General Electric, al ser el comienzo del uso de esta
nueva tecnología su aplicación fue limitada.
Las competencias establecidas para IGFO son:
1. Conoce y aplica los conceptos de las ciencias como
una herramienta en la solución de problemas de
ingeniería.
2. Determina los requisitos fotónicos y ópticos de
proyectos asociados a aplicaciones específicas en
el área de Ingeniería.
3. Diseña, construye y prueba elementos y sistemas
electro-ópticos.
4. Adquiere, procesa e interpreta de forma adecuada
los datos y señales generados por medio de la
experimentación.
5. Comunica información de manera efectiva y III. Espectro emitido por fuentes de luz
precisa en su entorno utilizando lenguaje técnico
Los colores espectrales son los colores presentes en
apropiado.
la luz visible, son colores monocromáticos o colores
6. Realiza proyectos y tareas de acuerdo con espectrales puros.
los procedimientos, estándares, regulaciones y Las fuentes de luz pueden y emiten en diferentes
longitudes de onda, su espectro es una distribución de
principios éticos relevantes.
intensidades según cada longitud de onda que contenga,
7. Comprende la estructura, significado y utilidad la intensidad de un color altera como es percibido.
de la información financiera para su aplicación y La sensibilidad para percibir las longitudes de onda
desarrollo en actividades de Ingeniería.
del rango visible pueden depender del individuo
8. Aplica estrategias de desarrollo profesional y y condiciones del contexto donde se observa, pero
personal de forma continua para mejorar su estudios experimentales dicen que el color mejor
percibido por el ojo humano es el verde y hacia los
desempeño.
extremos la sensibilidad decae mas o menos como se
9. Organiza y gestiona actividades aplicando muestra en la figura 1.
conocimientos, habilidades y su capacidad de
trabajo en equipo.
El estudiante egresado de la carrera de Ingeniería
Fotónica deberá aplicar los principios de leyes que
rigen el comportamiento de la luz desde el punto
de vista de partículas subatómicas y de ondas, así
como sus diversas propiedades y aplicaciones, las cuales
podrá utilizar para desarrollar soluciones tecnológicas
para enfrentar los retos que se presentan en el mundo
actual, tales como mejorar la eficiencia de los procesos
de combustión, asegurar las comunicaciones, realizar
mejores procedimientos médicos, entre otros. Contar
con el desarrollo de las competencias y habilidades
garantizan que el egresado pueda enfrentar el mundo
laboral y los problemas a resolver relacionados con la
optoelectrónica.
1
Figura 1: Sensibilidad del ojo humano al espectro visible
R. D. García. Instrumentos que revolucionaron la química: La historia del espectrofotómetro, (2018).
2
Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022
II.
III. Encuestas
Metodología
I. Materiales
Los alumnos utilizaron distintas formas de aprendizaje
para concebir el diseño y posición de cada elemento, así
mismo diferentes habilidades para armar el sistema y
llegar al mismo objetivo. Entre todos los integrantes del
equipo crearon y contestaron las siguientes encuestas.
¿Cómo consiguieron concluir su espectrómetro de
manera eficiente?
Opciones de respuestas:
La actividad para evaluar las competencias y
habilidades del grupo de estudiantes, consistió en
realizar un espectrómetro casero únicamente con
materiales determinados previamente por la profesora:
• Rejilla de difracción
• 2 Navajas para afeitar
1. Preguntando al profesor
• Cinta aislante
2. Preguntando a compañeros
• Tijeras
3. Experimentando prueba y error
4. Investigando en internet
• Cilindro de cartón o caja de cartón
5. Intercambio de ideas
Para la generación y toma de espectros del
muestreo fueron necesarias 3 diferentes fuentes de luz ¿Que cualidades le atribuyes a la eficiencia de los
seleccionadas por el grupo de estudiantes:
espectrofotómetros caseros en comparación al sistema
de referencia? Se compararon los espectros del
1. Lampara LED
espectrómetro casero con los de referencia y cada
alumno determinó su efectividad de acuerdo con los
siguientes parámetros:
2. Lampara de Neón
1. Franjas del espectro claras.
3. Lampara de Mercurio
2. Facilidad para hacer la lectura.
3. Estabilidad del diseño.
II. Métodos
Los alumnos diseñaron un espectrómetro con
los materiales ya mencionados, esta experiencia
fue realizada sin un instructivo, así los alumnos
tuvieron que averiguar si mismo como realizar este
espectrómetro. Ya construido se les pidió observar un
espectro de luz natural (luz solar) para confirmar su
funcionalidad.
Una vez con el resultado esperado, todos los integrantes
del grupo en el laboratorio experimentaron y
capturaron el espectro de las diferentes lamparas (LED,
Neón, Mercurio) con cada uno de los espectrómetros
casero y con el espectrómetro mecánico del laboratorio
crearon sus referencias. Los espectros de estas lamparas
se observaron con el medio aislado de fuentes de luz
ajenas al experimento.
Por medio de un sistema de posicionamiento donde 1
es el mayor y 5 el menor funcional cada alumno calificó
cada espectrómetro casero.
A partir de los resultados obtenidos se le pidió a
cada alumno auto-examinara su proceso de elaboración
y reconociera las competencias con las que cuenta.
III. Resultados
I. Espectrómetro Mecánico de Laboratorio
En la figura 2 se muestran los espectros obtenidos con
el espectrómetro profesional brindando la referencia
para los datos esperados.
3
Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022
Figura 4: Espectro de emisión con espectrómetro casero de
sujeto 1 y 3 respectivamente: Lampara LED
Figura 2: Espectros de emisión con espectrómetro
profesional: Lampara de mercurio, neón y LED
respectivamente.
En cada espectro
luminosas sus rangos
totalmente definidas
complicación su tipo de
de emisión de las fuentes
de longitud de onda están
y permite identificar sin
fuente proveniente.
Figura 5: Espectro de emisión con espectrómetro casero de
sujeto 4 y 5-6 respectivamente: Lampara Neón
Los espectros captados por los sujetos 2, 3 y 4
muestran una definición de rangos de longitud de onda
claras y definidas, mientras que el de los sujetos 1, 5 y
6 difícilmente se distingue el espectro que los conforma.
II. Espectrómetros caseros
Las figuras 3, 4 y 5 son algunos de los espectros
de emisión de las tres fuentes, captados por los
espectrómetros de los alumnos.
III. ¿Cómo consiguieron realizar su espectrómetro
de manera eficiente?
Los resultados de la encuesta (cuadro 1) que
contestaron los alumnos, la herramienta de solución
de problemas "Preguntando a compañeros"fue las mas
popular, dejando en segundo lugar a .Experimentando
prueba y error.eIntercambio de ideas". Las opciones
"Preguntando al profesor.eInvestigando en internet"se
Figura 3: Espectro de emisión con espectrómetro casero de descartaron.
sujeto 2: Lampara Mercurio
4
Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022
Sujeto
1
2
3
4
5
6
Metodo 1
Metodo 2
Preguntando a compañeros
Intercambio de ideas
Preguntando a compañeros
Experimentado prueba y error
Preguntando a compañeros
Experimentado prueba y error
Experimentado prueba y error
Intercambio de ideas
Preguntando a compañeros
Intercambio de ideas
Preguntando a compañeros
inferior de la figura 4 con más claridad y detalle, seguido
por el espectro de la parte superior de la figura 5, este
fue generado con el producto final del sujeto 4. El resto
de los espectrómetros se determinaron inestables por el
cartón utilizado (muy delgado) para la construcción.
El cuadro 1 muestra que la mayoría de
los estudiantes optaron por preguntar a otros
compañeros como primer método y el intercambio de
ideas/experimentación prueba y error como segunda
herramienta. Esto se relaciona totalmente con las
competencias 1, 4 y 8 donde el cuadro 3 demuestra
que los seis sujetos coincidieron de forma positiva con
base a los puntos establecidos por esas competencias.
Los sujetos 1, 2 coinciden con la ausencia de la
novena competencia y los sujetos 5 y 6 de la segunda
competencia. La carencia de la competencia 9 y 2,
se relacionan con la baja capacidad para gestionar
actividades y sistemas con las habilidades con las que
si cuentan, también muestran la falta de autocrítica
para determinar los requisitos básicos del producto
funcional.
Analizando los datos obtenidos de las encuestas
sabemos que a pesar de que no todos los alumnos
pudieron realizar un espectrómetro capaz de conseguir
franjas legibles, todos los alumnos entendieron el
principio de operación básico del dispositivo por lo
que el enfoque de aprendizaje en el desarrollo de un
espectrómetro casero ayuda a los estudiantes en la
adquisición y rectificación de sus conocimientos en su
área de estudio.
Cuadro 1: Resultados de encuesta 1
IV. Eficiencia de los espectrómetros
Las votaciones para las cualidades de la funcionalidad
de los espectrómetros se muestran en el cuadro 2,
sólo 2 sujetos consiguieron obtener las 3 cualidades
que describen a un espectrómetro casero funcional.
Como posicionamiento definitivo del producto final
se consideró la moda de acuerdo al numero que cada
alumno le otorgó.
Lugar
1
2
3
4
5
Sujeto
3
4
2
1
5-6
Características
Presentó franjas claras, la lectura fue fácil y el sistema si fue estable.
Presentó franjas claras, la lectura fue fácil y el sistema si fue estable.
Presentó franjas claras, la lectura no fue fácil pero el sistema si fue estable.
Presentó franjas claras pero la lectura no fue fácil y el sistema no era estable
Las franjas no fueron claras, la lectura no fue fácil y el sistema no fue estable.
Cuadro 2: Posicionamiento y cualidades funcionales de los
espectrómetros caseros
V. Competencias presentes de cada sujeto
Las competencias con las que los alumnos creen contar
se muestran en el cuadro 3.
Competencia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Sujeto 1
Si
Si
No
Si
No
Si
No
Si
No
Sujeto 2
Si
No
Si
Si
No
Si
Si
Si
No
Sujeto 3
Si
No
Si
Si
No
Si
Si
Si
No
Sujeto 4
Si
Si
Si
Si
No
No
No
Si
Si
Sujeto 5
No
No
Si
Si
Si
No
No
Si
Si
Sujeto 6
Si
No
Si
Si
Si
Si
No
Si
Si
V.
Agradecimientos
Agradecemos los útiles comentarios de la Dra. Citlalli
Almaguer Gomez, que han mejorado notablemente la
calidad de este manuscrito.
Referencias
[1] J Buie. Evolution of UV-Vis Spectrophotometers.
Lab Manager, 4, 24-25 (2011).
Cuadro 3: Competencias con las que si creen contar los
integrantes del grupo de observación
La encuesta fue de auto-inspección, confiamos en la [2] R Simoni, R Hill, M Vaughan, H Tabor. A classic
instrument: The Beckman DU spectrophotometer
ética y la autocrítica de cada integrante del grupo de
and its inventor, Arnold O. Beckman. J. Biol.
alumnos.
Chem., 278(49), 79-81 (2003).
IV.
Conclusiones
Por las variaciones de construcción y calidad del [3] A Hardy. History of the design of the recording
material de cada espectrómetro, la forma proyectada
spectrophotometer. J. Opt. Soc. Ame., 28(10),
de su espectro fue diferente. Esto es más notorio en el
360-364 (1938).
espectro inferior de la figura 5 debido a que la cavidad
del sistema era cilíndrica y no rectangular como el resto, [4] Board on Physics and Astronomy, Division on
lo cual, deformó su proyección.
Engineering and Physical Sciences (BPADEPS).
Instrumentation for a better tomorrow: proceedings
El espectrómetro realizado por el sujeto 3 fue el
of a symposium in honor of Arnold Beckman.
que obtuvo mejores resultados mostrando el espectro
5
Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022
Washington, Estados Unidos; National Academies [6] "¿Si el espectro de luz visible es de 380 a
750 nm, el ojo humano no ve absolutamente
Press (2006).
nada en ondas cuya longitud sea cercana a
[5] Universidad
de
Guadalajara.
Ïngeniería
estos
valo..."Quora.
https://es.quora.com/
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