Llum, Làser i Òptica: Kit per la difusió del seu coneixement
-
Upload
nguyendang -
Category
Documents
-
view
218 -
download
3
Transcript of Llum, Làser i Òptica: Kit per la difusió del seu coneixement
Llum, Làser i Òptica: Kit per la difusió del seu
coneixement
Contingut de les Lliçons:
Continguts:
1 làser vermell, 635 nm, <1 mW 1 làser verd, 532nm, <1mW 1 Conjunt de Llums (vermell, verd, blau) 1 LED Blanc 1 Joc de 3 Lents de vidre esmerilat 10 Transportadors 10 Xarxes de Difracció, 500 línies / mm 3 Miralls 3 Suports per miralls 1 Bosses d’ossets de goma, vermells i verds 1 Xeringa 1 Guia de Activitats
TÍTOL EDATS RECOMENADES TEMPS ESTIMAT
Llum Monocromàtica 11-18 anys 30 minuts
Llum Col·limada 11-18 anys 20-30 minuts
Llum Coherent 11-18 anys 20-30 minuts
Absorció i Ossets de Goma 14-18 anys 45-60 minuts
Microscopi Làser 8-18 anys 30 minuts
Reflexió i Refracció 11-14 anys 45 - 60 minuts
Separació i Mescla de Colors 8-12 anys 45-60 minuts
Mesura de la Longitud de Ona d’un Làser
14-18 anys 45-60 minuts
Mesura del Diàmetre d’un Cabell Humà amb un Làser
14-18 anys 45-60 minuts
Procediment 1. Col·locar els llums LED a la part de davant de la classe, apuntant cap a l’aula per tal que els estudiants puguin veure-la quan s’encengui (més tard). 2. Situar els làsers de forma que, quan s’encenguin, la llum emesa es projecti sobre una paret en blanc, a una certa distància dels estudiants, por seguretat (més tard). 3. Entregar una xarxa de difracció a cada estudiant.
Antecedents i Discussió Demanar als estudiants que proposin en veu alta respostes a la pregunta:
Per què la llum làser és diferent d’altres fonts de llum? Què fa que un làser sigui un làser?
Escrigui les respostes dels alumnes a la pissarra, on puguin veure-les, sense comentar-les ni
corregir-les. Anoti les respostes en una fulla de paper si es continuarà la classe mes endavant.
Introduir la lliçó comentant als estudiants que avui van a investigar una propietat de la llum làser.
No digui quina és. Anem a veure si els estudiants poden anomenar aquesta propietat per
deducció a través de la observació.
Lliçó Primera: Llum Monocromàtica
Plantejament Mitjançant la comparació dels espectres de llum blanca amb la llum de color emesa per un LED i la llum d’un làser, els estudiants observen que la llum emesa per un làser és monocromàtica, i consta d’una sola longitud d’ona (color) de la llum.
Duració: 30 minuts
Edat recomanada: 11-18
Materials Llums vermella, verda i blava amb tapes
de reixeta
Un làser vermell i un verd
Varies fonts de llum blanca (LED,
llanterna, llums de l’habitació)
10 xarxes de difracció
Observant i Investigant
1. Recordi als estudiants que la llum blanca esta composta de "totes" les longituds d’ona de la llum: la llum blanca és la que veiem/percebem quan les diferents longituds d’ona que formen la llum interactuen mútuament.
2. Introduir la xarxa de difracció: explicar que una xarxa de difracció permet separar la llum que veiem a través seu, mostrant el seu espectre. L’espectre és el conjunt de les longituds d’ona que formen la llum que s’està veient, és com la firma o l’empremta personal de cada llum.
3. Mostrar als estudiants com utilitzar la xarxa de difracció: mantenir la xarxa de difracció a l’altura de l’ull i mirar cap a una font de llum (mai directament al sol o a un làser) - observar l’espectre de la llum als costats del punt on es troba la font de llum.
4. Convidi als alumnes a practicar buscant espectres de les diferents "llums blanques" disponibles (llums fluorescents, bombetes, una llanterna).
5. Demani’ls-hi que descriguin el que veuen: "un arc iris". Demani’ls-hi que li diguin els colors que veuen i en quin orde. Pregunti’ls-hi si els colors estan en el mateix ordre per totes les llums que miren o si l’orde varia. Asseguris de que arriben a la conclusió de que el violeta o morat sempre és més a prop de la font de llum.
6. Seguidament digui als estudiants que observaran els espectres de llum de varis LED’s de colors. Encengui el joc de LED’s i faci observar als alumnes que hi ha una llum vermella, una verda i una blava (LED vermell, verd i blau, respectivament).
7. Pregunti als estudiants què creuen que veuran quan mirin al LED. Veuran un espectre? O només un color? Aquest LED està format per més d’una longitud d’ona, com la llum blanca, o només per una? Demani a un alumne, que respongui que veuran un espectre, a que comparteixi els seus raonaments. Igualment, un alumne que digui que no podrà veure un espectre, demani-li que comparteixi el seus raonaments.
8. Sense comentaris o correcció de les explicacions donades pels alumnes, convidi’ls a que, mitjançant l’ús de la xarxa de difracció, observin la llum del LED vermell, verd i blau. Els estudiants poden necessitar apropar-se per poder observar correctament.
9. Demani als alumnes que comparteixin les seves observacions i expliquin que fins i tot un LED vermell, verd o blau es compon del seu propi espectre de colors diferents.
10. Finalment, demani als estudiants predir el què veuran quan mirin a la llum dels làser verd i vermell. Demani als alumnes que comparteixin les seves respostes i els seus raonaments.
11. Giri els làsers en direcció oposada als estudiants, cap a una paret en blanc.
12. Indiqui als estudiants que mai han de mirar directament a una llum làser – MAI.
13. Expliqui als alumnes que es disposen a observar l’espectre del làser quan passa a través de la xarxa de difracció.
14. Situï una xarxa de difracció davant de cada làser i mostri als estudiants que quan la xarxa se separa de la llum làser només apareix un color.
15. Convidi als alumnes a argumentar i especular sobre el que veuen.
16. Pregunti - Llavors... quina és la propietat especial de la llum làser que hem observat?
UN COLOR, UNA LONGITUD D’ ONA: ¡¡¡MONOCROMÁTIC!!!
Lliçó Segona: Llum Colimada
Plantejament Mitjançant la comparació entre la llum emesa per un LED i la llum d’un làser, els estudiants observaran que la llum emesa per un làser és col·limada (viatja en rajos paral·lels)
Duració: 20-30 minuts
Edat recomanada: 11-18
Materials
Làser verd
Làser vermell
Llum verda, vermella i blava sense tapa
Regle
Paper blanc
Antecedents i Discussió
Expliqui als estudiants que a continuació observaran una propietat fonamental de la llum làser; una propietat que fa als làsers molt mes perillosos i potents que la llum amb la que estan familiaritzats, inclús en els casos en que el làser emet molt poca potencia com el que empraran en aquesta pràctica. La llum emesa per un làser és col·limada, això significa que els rajos de llum son paral·lels entre ells. Aquesta propietat és diferent de la llum “normal” en la que els rajos convergeixen o divergeixen a mesura que ens allunyem del focus d’emissió. Aquesta activitat mostrarà l’efecte de la col·limació.
Procediment
1. Divideixi als alumnes en cinc grups.
2. Proporcioni a cada grup una font de llum d’emissió (LED o làser), un regle i un full de
paper.
3. Mentre els estudiants estan apuntant les dades experimentals, dibuixi el següent quadre a
la pissarra o en un full de paper de gran dimensió, de manera que sigui visible des de tota
l’aula.
Observant i Investigant
1. Digui als alumnes que mesurin l’àrea de la llum
produïda per la font de llum a tres distàncies diferents:
3, 8 i 15 centímetres.
2. Demani als estudiants que escriguin les fórmules
per a l’àrea de:
a. un rectangle, A=a*b
b. un cercle, A=π*r*r
c. una el·lipse, A= π*A*B
3. Demani als alumnes que dirigeixin la font de llum sobre un full de paper en blanc des d’una distancia de 3, 8 i 15 centímetres i calcular l’àrea de la taca per a cada distància.
4. Convidi a un alumne de cada grup a escriure les dades del seu grup en la taula.
5. Pregunti a la classe - Què s’observa? És la llum de làser diferent de la llum d’un LED?
¡Està Col·limada!
Taula de Dades
Font de Llum Distància Àrea
LED vermell 3 cm
LED verd 3 cm
LED blau 3 cm
LÀSER verd 3 cm
LÀSER vermell 3 cm
LED vermell 8 cm
LED verd 8 cm
LED blau 8 cm
LÀSER verd 8 cm
LÀSER vermell 8 cm
LED vermell 15 cm
LED verd 15 cm
LED blau 15 cm
LÀSER verd 15 cm
LÀSER vermell 15 cm
Lliçó Tercera: LLum Coherent
Plantejament Comparant la llum produïda per un LED i l’emesa per un làser, els alumnes observaran que la llum làser és coherent (viatja en fase)
Duració: 20-30 minuts
Edat recomanada: 11-18
Materials
Làser verd
Làser vermell
Llum verda sense tapa
Llum vermella sense tapa Paper normal, blanc
Procediment 1. Divideixi als estudiants en quatre grups.
2. Proporcioni a cada grup una font de llum LED o un làser, un regle i un full de paper..
Antecedents i Discussió La llum del làser és coherent, el que significa que està “en fase”. Això significa que tots els
màxims i mínims de les ones de llum estan alineades.
Dibuixi un diagrama en la pissarra per mostrar el significat de coherència.
Observant i Investigant
1. Demani a cada grup que mantingui la seva font de llum lleugerament inclinada sobre
el paper, però molt a prop del paper, observant la imatge que es forma. Demani als
estudiants que comentin entre ells el que veuen, que arribin a un acord i que escriguin
el resultat de la seva observació.
2. Els grups han d’intercanviar les fonts de llum: el grup que tenia un LED tindrà ara un
làser i viceversa. Demani als estudiant que repeteixin el pas 1 amb la seva “nova” font
de llum i comparin el resultat.
3. Els estudiants han d’observar un patró de clapes (puntejat) quan s’utilitza la llum
làser i un patró uniforme quan s’utilitza la llum LED. És possible que calgui moure’s i/o
moure les fonts de llum (endavant-endarrere) per observar la subtil diferència.
4. Explicar que la llum viatja en ones – quan les ones estan en fase (coherent)
interfereixen entre si d’una manera específica. Les ones coherents es poden cancel·lar
entre elles (interferència destructiva) o poden amplificar-se mútuament (interferència
constructiva).
5. Un patró de punts brillants i foscos (molt, molt petit) es produeix quan s’il·lumina amb
llum làser (coherent) degut a la seva interferència. Aquest patró no s’observa en el cas
d’utilitzar llum LED ja que la llum emesa per un LED no és coherent, és a dir no està en
fase.
Lliçó Quarta: Absorció, Transmissió i
Reflexió
Resum Els ossets de goma resulten molt útils per demostrar els conceptes, bastant abstractes, que descriuen les interaccions bàsiques entre la llum i la matèria: absorció, transmissió i reflexió.
Durada: 45-60 minuts
Edat recomanada: 14-18
Materials
Làser verd
Làser vermell
LED de llum blanca
3 Ossets de goma vermells
3 Ossets de goma verds
3 Ossets de goma transparents
1 full de paper blanc
1 full de parafina
1 transparència o bossa de plàstic transparent
Inspirat en el següent vídeo que descriu el procés bàsic -
http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk
Exposició i Antecedents
Un error molt comú entre els estudiants és que el color és una propietat de la matèria. Aquest error bàsic condueix a tota mena d'equívocs; com la idea que quan la llum blanca passa a través d'un objecte de color verd, projecta una resplendor verda en el paper, l'objecte “afegeix” color al “blanc” propi de la llum. No importa quantes vegades se'ls expliqui... és difícil per als estudiants entendre la idea que quan ells veuen un objecte com a vermell, el que realment està succeint és que la majoria de les longituds d'ona que componen la llum blanca, són absorbides per l'objecte i només la longitud d'ona que coneixem com a vermell s'està reflectint. El que ells "veuen" és la llum vermella transmesa cap als seus ulls.
Quan la llum d'un làser, que és monocromàtica (formada d'un sol color o longitud d'ona)
incideix sobre un objecte és: absorbida, convertint la energia lumínica en calor, reflectida o
transmesa. La majoria dels estudiants, però, estan familiaritzats amb la idea que la llum blanca
està composta de molts colors o longituds d'ona. Quan la llum blanca incideix contra un
objecte, l'objecte absorbeix selectivament, reflecteix o transmet certes longituds d'ona. La
forma amb qual la llum interactua amb un objecte depèn de la/les longitud/s d'ona de la llum i
de la naturalesa dels àtoms en l'objecte.
Un material absorbirà les freqüències de la llum que coincideixen amb la freqüència a la qual
vibren els electrons dels àtoms que formen aquest material. Degut a que materials diferents
es componen d'àtoms, els electrons dels quals vibren a freqüències diferents, diferents
materials absorbiran diferents freqüències de la llum. Això trenca amb idea que la llum passa o
no, a través d'un material a causa del seu gruix.
La llum que un material no absorbeix és reflectida o transmesa.
La manera com veiem el color és degut, en gran part, a la forma com la llum interactua amb la
matèria. Així doncs, el color mai va existir en l'objecte..., només és la llum que brilla en ell i que
en última instància es reflectida cap als nostres ulls.
Les següents pràctiques donaran als estudiants una comprensió intuïtiva d'aquest fenomen i
començarà a desfer les seves idees errònies sobre la llum i el color.
Demostració
1. Dirigeixi el LED blanc cap als estudiants i recordi'ls que la llum blanca està composta de moltes ("totes") longituds d'ona o freqüències. Expliqui que el LED és una font de llum i que ells poden veure directament la llum que és emesa pel LED. 2. Pregunti: què passa quan la llum blanca interactua amb "alguna cosa"?
3. Davant dels estudiants, faci incidir el LED sobre el full blanc i pregunti: quin fenomen està succeint amb la llum? 4. Repeteixi amb el full de parafina i la bossa de plàstic o la transparència.
5. Discuteixi els termes de transmissió, reflexió i absorció.
Procediment
Divideixi els alumnes en tres grups i doni a cada grup un full de dades per omplir.
Configuri tres "llocs de treball", cada lloc de treball haurà de tenir una font de llum (un làser
verd o un làser de color vermell o un LED blanc), un full de paper blanc i 3 ossets de goma
(verd, vermell i transparent).
Observant i Investigant
1. Recordi als alumnes les normes de seguretat a tenir en compte quan es fa servir un làser.
2. Digui als estudiants que apuntin les seves observacions de com interactuen diferents fonts de llum amb diferents materials; els tres ossets de goma de diferents colors.
3. Instrueixi als estudiants de com fer incidir la llum produïda per cada font sobre cada ós de goma de colors i com registrar les seves observacions. Concretament han d'analitzar si la llum és transmesa, reflectida i/o absorbida pels diferents ossets de goma i com té lloc el fenomen.
4. Quan tots els grups hagin recollit les dades dels tres llocs de treball, demani’ls que revisin les seves observacions i les seves dades i arribin a una o més conclusions de com es comporta la llum. Demani'ls que escriguin les seves conclusions en el seu full de dades
Lliçó Cinquena: Microscopi LÀSER
Adaptat de Gorzad Planinsic: Projector format per una gota d’aigua. (Water-Drop Projector: http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf)
Plantejament Un muntatge senzill converteix una gota d’aigua d’estany en una lent esfèrica per fer visible el seu món interior. L’efecte és espectacular i aconsegueix de forma atractiva introduir el concepte de les lents i de l’òptica geomètrica.
Duració: 20-45 minuts
Edat recomanada: 8-18
(segons coneixements de matemàtiques)
Materials
Làser verd
Xeringa
Suport de laboratori
Cinta adhesiva o pinces de suport
Aigua d’estany, riu, llac, rierol o mar
Una mà ferma i una mica de paciència
Una diminuta gota
d’aigua, juntament
amb un feix LÀSER,
es converteix en una
lent esfèrica amb una
enorme capacitat
d’augment.
Configuració Per muntar aquesta simple però enormement atractiva demostració, comencem omplint una
xeringa amb aigua d’un estany o riu. Si vostè viu a prop de la costa, agafi una mica d’aigua de
mar. Si no està a prop de cap estany, riu o mar, pot recollir aigua d’un bassal o d’algun altre punt
d’aigua estancada, que probablement contingui algun petit organisme, de mida compresa entre
0,2 i 0,5 mm.
Ompli una xeringa amb l’aigua que ha recollit. Fixi la xeringa en un suport de laboratori per tal
que una gota d’aigua en pengi de la punta. Situi el làser verd alineat amb la gota d’aigua de
manera que el feix de llum passi a través del centre de la gota, perpendicular a la paret on es
projecti la font de llum.
El muntatge s’ha de situar a uns dos metres d’una pantalla o paret blanca, on una taca de
color verd brillant mostrarà una impressionant varietat d’animals unicel·lulars, larves, mosques...
surant i nedant.
Aquest experiment és en general prou atractiu per fer que els estudiants s’interessin en
conèixer el sistema òptic de gran abast que fa possible aquestes impressionants imatges.
Antecedents i Discussió
A la figura de la dreta tenim el camí que segueix el
feix de llum, d’entrada i sortida de la lent que forma
la gota d’aigua que està penja de la xeringa.
El feix que passa pel centre de la gota no es desvia;
en canvi, tots els altres feixos es dobleguen cap a la
normal al passar de l’aire (índex = n1) a l’aigua
(índex = n2).
Per angles petits, com en el nostre cas, utilitzem la
llei d’Snell: n1sinɵ1 = n2sinɵ2
A drop of water hanging from a syringe
approximates a spherical lens, so we can
apply the thick lens formula to determine the
focal length.
Que es converteix en: n1 ɵ1= n2 ɵ2. Per tant, la desviació cap a la normal a una superfície ve
donada per:
Aquesta és una equació general que s’utilitza per angles molt petits, i és útil per traçar els raigs a
través de sistemes complexos, que, tot i la senzilla configuració que tenim, és el que tenim en el
nostre sistema. Per aquest exemple, la desviació del feix que passa de l’aire a l’interior de la gota
(la primera superfície), és:
A la superfície posterior de la gota, i degut a la desviació imposada per la llei d’Snell, el feix
de llum està 2r vegades més a prop de l’eix; de manera que arriba a la superfície posterior a
una distancia h' de la normal:
L’angle de desviació del feix de llum a mesura que surt de la gota d’aigua és le mateix angle
de desviació que a l’entrar a la gota. Per últim:
L’explicació de com la llum que passa a través d’una lent esfèrica crea l’ampliació d’una
imatge, és un tema molt més complicat i pot estar fora de l’abast dels estudiants de
secundària. La següent figura és un simple diagrama de rajos de com té lloc l’amplificació.
Si vol explorar les matemàtiques que hi ha darrera d’això, si us plau, consulti l’excel·lent document de Gorazd Planinsic el qual s’ha referit tant al principi com al final d’aquesta lliçó.
Adaptat de Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector
http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf
Lliçó Sisena: Reflexió i refracció
Plantejament La reflexió i la refracció són dues de les idees bàsiques sobre la llum que han d’aprendre els estudiants. Algunes pràctiques amb emissors de llum i lents ajuden als estudiants a comprendre aquests funcionaments abans de passar a conceptes més complicats.
Duració: 45-60 minuts
Edat recomanada: 8-18
(segons els coneixements de
matemàtiques)
Materials Joc de 3 llums amb tapes de reixa
Làser vermell i verd (només per estudiants de major edat)
Transportadors
Joc de lents de vidre
3 miralls amb els suports corresponents
3 fulles de paper d’alumini
Reflexió
Procediment
Disposar als estudiants en grups de tres i entregar a cada grup una font de llum, un suport, un mirall i una fulla de paper d’alumini. Si és possible, formar un grup amb els alumnes de més edat per a poder emprar també el làser. Recordar als estudiants que han de vigilar cap a on van els rajos reflexats.
Observant i Investigant Demanar als estudiants que projectin la llum sobre el mirall per examinar com la llum rebota en la
seva superfície. Demanar ajustar l’angle des de el que la llum incideix en el mirall i preguntar-se:
Què noteu referent a com la llum rebota?
Una línia recta que es mou de forma predictible quan la font de llum es desplaça.
Assegura’t de que els estudiants comprenen que és el canvi en l’angle, i no la distància, el que
modifica la forma en que la llum rebota.
Els estudiants més avançats poden quantificar les seves observacions: fes que els estudiants
col·loquin el mirall en el centre del suport per a què el mirall quedi paral·lel a l’eix de 90 graus del
suport. Fes que els estudiants projectin el raig de llum des de un angle de 30 graus (respecte a la
vertical) directament al centre del mirall i mesurin l’angle del raig reflectit respecte a la vertical.
Demanar als estudiants anotar els seus resultats i repetir la mateixa mesura més de dues
vegades variant l’angle d’incidència.
Realitzar una discussió en grup sobre els resultats obtinguts pels estudiants. Els estudiants han
d’anotar quin angle d’incidència dóna el mateix angle de reflexió
A continuació, que els estudiants formin amb el paper d’alumini un superfície plana i brillant.
Repetir les mesures anteriors, de la mateixa manera que amb el mirall. Els estudiants observaran
que la làmina interactua amb la llum igual que ho feia el mirall.
Demanar als estudiants arrugar el paper i repetir l’exploració. Els estudiants ràpidament es
donaran compte de que la llum es dispersa i rebota en totes direccions. Explicar que quan una
superfície és rugosa, com passa ara amb el paper d’alumini, la llum encara rebota d’acord amb
les mateixes regles que s’han observat: una línia recta amb angle d’incidència igual a l’angle
reflectit; però, en aquest cas molts rajos incideixen sobre moltes superfícies amb diferents
orientacions, dispersant els rajos que arriben a la làmina arrugada.
Ara pots explicar als estudiants que la llum rebota en tot el que veiem. Sempre rebota en línia
recta. Els objecte que veiem és la llum, que es reflexa en les superfícies i és captada pels nostres
ulls.
Refracció - Antecedents i Discussió
Explicar als estudiants que la llum es propaga, en general, només en línia recta: però quan passa
d’un medi (aire) a un altre (aigua), es desvia o refracta. Els estudiants més joves simplement es
beneficiaran d’unes pràctiques per observar aquest fenomen, mentre que els estudiants més
avançats poden aprendre que aquesta desviació es produeix d’acord amb la llei de Snell:
n1sinɵ1 = n2sinɵ2
On n és l’índex de refracció del medi a través del qual es propaga la llum. ɵ1 és l’angle entre el
raig incident i la normal, i ɵ2 és l’angle entre el raig refractat i la normal.
Aquesta desviació es deu a que quan la llum passa de l’aire a propagar-se en una altre medi
(aigua, vidre, …) es alentida. El canvi en la velocitat fa que la llum canvií de direcció.
Material N
Aire 1.00029
Aigua 1.33
Vidre 1.50
Gasolina 1.31
Plàstic 1.47 - 1.6
Diamant 2.5
L’ índex de refracció (n) varia, a més, amb la
longitu d’ona de la llum.
Observant i Investigant- Nivell Principiant
1. Col·loca les tapes amb reixa en cada una de les tres fonts de llum per a que es projecti una
línia.
2. Col·loca la lent en forma de trapezi uns cinc centímetres davant la llum de manera que el
raig passi a través de la lent.
3. Observa que la llum “es dobla” quan entra en la lent i després es “dobla” de nou quan surt
d’ella. Aquest canvi de direcció s’anomena refracció.
4. Explica que la llum canvia de direcció degut a que canvia de velocitat a la passar d’un medi
(aire) a un altre (vidre).
5. A continuació, alinea les tres llums de forma que projectin les tres línies paral·leles.
6. Situa la lent convergent (convexa), col·locant-la a uns cinc centímetres davant dels
emissors i observa que la lent corba la llum cap un punt focal.
7. Repeteix el mateix amb la lent divergent (còncava).
Més sobre Lents
Les lents ens permeten emprar el que sabem sobre com
es desvia la llum. Els estudiants poden observar com la
llum viatja a través d’una lent convexa i una lent
còncava per enfocar la llum a un “punt focal”. El punt
focal és habitualment considerat com un lloc on es
forma una imatge, s’empren tot tipus de lents per
enfocar les imatges. Exemples típics de lents inclouen:
els nostres ulls, una càmera, un microscopi o un
telescopi. Les lents són una forma eficaç de controlar i
entendre la llum, per a que puguem emprar-la o
manipular-la.
Hi ha quatre factors que determinen la longitud focal
d’una lent:
1. l’índex de refracció de les lents nlens
2. l’índex de refracció del medi que forma l’entorn de la
lent nenv
3. el radi de curvatura de la superfície frontal de la lent r1
4. el radi de curvatura de la superfície posterior de la
lent r2
Matemàticament parlant, la longitud focal d’una lent en l’aire es pot calcular a través de la:
EQUACIÓ DE LENTS
1/f =(nlens/nenv) (1/r1 –1/r2)
Observa que, quan la lent és convexa, la longitud focal és positiva i quan la lent és còncava, la longitud focal és negativa.
Observant i Investigant – Nivell Intermedi
1. Projectar dos rajos paral·lels emprant dos làsers i insertant una lent generadora de línies.
2. Col·locar la lent convergent en el centre del transportador como es mostra en la figura.
Amb 0 graus com la normal.
3. Marcar el punt focal en el lloc on els dos rajos convergeixen.
4. Mesurar la distància des del centre de la lent fins el punt focal – aquesta és la longitud
focal o f, en l’equació de les lents.
5. Emprar aquest valor i els valors de n en la taula anterior pel vidre i l’aire, i resoldre
l’equació per obtenir el valor de r. r1 y r2: Denoten els radis de curvatura de la lent ,
corresponent r1 al costat esquerre de la lent i r2 al costat dret, essent el seu signe
determinat pel criteri general de signes en òptica: positiu si el centre de curvatura de la
superfície resideix a la dreta, i negatiu si el centre de curvatura es situa a l’esquerra de la
superfície. Tingues en compte que ambdues superfícies tenen el mateix radi de curvatura,
r1 = r2.
Si t’agradés caçar un peix amb un punter làser, hauries d’apuntar el feix làser
per sobre, per sota o directament al peix per a encertar?
Pensant en això....
Lliçó Setena: Colors
Plantejament Es realitzaran dos activitats senzilles per introduir els fonaments de la llum i el color als estudiants. L’objectiu es aprendre que la llum blanca està composta per molts colors i com varis colors es combinen per formar la llum blanca.
Duració: 30-45 minuts
Edat recomanada: 8-12 anys
Materials
LED de llum blanca
3 Fonts de llum amb tapes de reixeta
10 xarxes de difracció
Les llums de l’aula
La llum del sol
Paper blanc Llapis de colors o marcadors
Procediment 1. Divideixi als alumnes en cinc grups i doni a cada grup dues xarxes de difracció per compartir.
2. Situï el llum LED blanc en un extrem de l’aula, dirigi cap als estudiants. Encengui el LED.
Antecedents i Discussió 1. Convidi als estudiants a mirar la llum LED a través de la xarxa de difracció per torns. Pregunti:
Que és el que veus? Ajuda’ls, si és necessari, a percebre l’arc de Sant Martí als extrems de la
xarxa de difracció.
2. Demani als estudiants que mirin al voltant de la sala les altres fonts de llum a través de la xarxa
de difracció. Adverteixi als alumnes que mai han de mirar directament al sol o un làser, en
aquesta o en qualsevol altra activitat.
3. Pregunti als alumnes: Com s’organitzen els colors? Quin color és més proper a la font de llum?
Quin està més lluny? Estan els colors sempre en el mateix ordre sense importar quina font de
llum s’estigui observant, o els colors canvien de posició?
4. Demani als estudiants que facin un dibuix de la llum i l’arc de Sant Martí que veuen, amb els
colors en l’orde que apareixen.
5. A continuació situï els LEDs de colors, amb la tapa de reixeta, a la part davantera de l’aula.
6. Encengui el LED vermell, el verd i el blau, i demani als alumnes repetir l’exercici anterior amb
cada color; o sigui, veure les llums a través de la xarxa de difracció i informar sobre el que
observen.
7. Expliqui que les llums LED de color contenen només un grup de colors, no un espectre
complet. Per tant, els alumnes veuran franges estretes amb colors específics.
Discussió i Transició (o pas) a la Següent Activitat
Pregunta: D’on venen els colors de l’arc de Sant Martí?
Explicació: els colors ja estaven allà, ocults en la llum blanca. Mitjançant la xarxa de difracció la
llum blanca se separa en els seus colores individuals. Las gotes de pluja també poden separar
la llum solar en molts colors per que puguem veure un arc de Sant Martí. Aquests colors estan
sempre allà, a l’interior de la llum "blanca" que veiem tota l’estona, però no podem veure’ls
perquè generalment estan mesclats para formar la llum blanca a la que estem acostumats.
Generant Llum Blanca
1. Retiri les tapes de la reixeta del LED per projectar amplies franges de color clar.
2. Situï l’emissor de llum en un banc o una taula, davant d’una pantalla o paret blanca de
manera que els estudiants puguin veure la llum projectada.
3. Encengui el LED vermell i el blau, i demani als estudiants que prediguin el color que es
veurà quan es combinin.
4. Mescli el LED de llum vermella i el de blava per generar el color rosa o magenta.
5. Encengui el LED blau i el verd i demani als estudiants que prediguin el color que se veurà
quan es combinin.
6. Mescli el LED verd i blau per produir el blau clar o cian.
7. Encengui el LED verd i el vermell i demani als estudiants que prediguin el color que se
veurà quan es combinin.
8. Mescli la llum vermella i la verda per formar el color groc
9. Encengui els tres emissors de llum i demani als estudiants que prediguin el color que se
veurà quan es combinin.
10. Mescli tots els LED per obtenir la llum blanca.
Lliçó Vuitena: Mesurar la Longitud d’Ona
d’un Làser
Plantejament Els estudiants aprendran a
determinar la longitud d'ona d'un
làser mitjançant la recopilació de
sis conjunts de mesures que els
permetin calcular la longitud
d'ona.
Duració: 60-90 minuts
Edat recomanada: 14-18
Materials
Làser vermell
Làser verd
10 xarxes de difracció
Pantalla o paret blanca
Regla
Antecedents y Discussió
Type to enter text
La difracció és un fenomen que descriu com la llum es
corba a mesura que passa a través d'escletxes molt
estretes o al voltant d'una barrera molt petita (com un
cabell). La imatge de la dreta mostra la difracció (flexió)
de les ones al voltant d'una "cantonada". Pensant en la
llum com una ona, tingui en compte que a mesura que la
llum passa una barrera molt petita (com un cabell), es
formen dos patrons d'ones diferents. Aquestes ones
interfereixen entre si ja sigui per ampliar el patró d'ona
(interferència constructiva) o disminuir el patró d'ona
(interferència destructiva).
Observant i Investigant 1. Reparteixi les xarxes de difracció i permeti als
estudiants observar l'espectre que veuen quan
miren a diverses fonts de llum a través de la xarxa.
2. Expliqueu que la xarxa està composta de moltes,
moltes (ja veurem quantes en breu) escletxes
finíssimes, al voltant de les quals la llum es corba
quan passa. Quan llum blanca es corba, les seves
longituds d'ona també es dobleguen i interfereixen
entre si, separant per donar lloc a un espectre.
3. Què passa quan la llum monocromàtica (un sol color / longitud d'ona) passa a través de les
escletxes estretes d'una xarxa de difracció? Què s'espera que succeeixi quan a una sola longitud
d'ona se li produeix interferència? No es veurà un espectre de colors, perquè la llum
monocromàtica no està composta de moltes longituds d'ona, si no d'una sola.
4. Situar un làser vermell sobre una superfície estable i projectar la seva llum a través de la
xarxa de difracció cap a una paret en blanc. Subjectar amb cinta adhesiva la xarxa de difracció a
la part davantera del làser per assegurar-ho.
5. Feu el mateix amb un làser verd en una paret diferent.
6. Explicar que el patró que es veu és degut al patró d'interferència de l'ona de la llum quan
passa a través de les escletxes.
7. Introduir les matemàtiques que descriuen aquest fenomen: λ = (X) (d) / L
On d és la distància entre les escletxes (cm/línia), L és la distància de la xarxa de difracció a la
pantalla i X és la distància entre màxims d'intensitat.
8. Dividiu la classe en dos grups, un treballarà amb el làser vermell i l'altre treballarà amb el làser
verd.
9. Doneu a cada grup una taula per omplir amb les dades de les mesures.
10. Que cada grup d'estudiants anoti en la taula el nombre de línies per mil·límetre de la xarxa
de difracció i convertir centímetres per determinar l'ample de cada escletxa.
11. Després, els estudiants mesuraran i anotaran la
distància entre la xarxa de difracció i la pantalla (L).
12. A continuació, els estudiants mesuraran la distància
entre dos punts brillants, màxims d'intensitat, adjacents
(X).
13. Indiqueu als estudiants que han de fer i registrar
aquests mesuraments a tres distàncies diferents de la
pantalla o paret.
14. Comparar els resultats experimentals dels estudiants
amb les longituds d'ona reals del làser: 635nm i 532nm,
per el làser vermell i el verd respectivament.
Taula de Dades
Xarxa de Difracció Línies/mm
Amplada de la escletxa (d)
cm/línia
Distància de la xarxa a la pantalla
(L) en cm
Distància entre màxims (X)
Trieu tres distàncies a la pantalla des de les que es facin les mesures
COLOR DEL LÀSER: _________________________
Determinar la longitud d’ onda del làser
Usar els valors de X, di L a partir de les dades anteriors i la fórmula de la doble escletxa
λ = (X) (d)/ L
per determinar la longitud d'ona del làser. Mitjana dels tres valors calculats i determinar un valor final
per a la longitud d'ona.
λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L Valor Mitjà de la Longitud
d'Ona
Mostra totes les substitucions de dades en la fórmula
Valor Final (cm)
Valor Final (micròmetres)
Lliçó Novena: Mesura del gruix d’un cabell
humà mitjançant la difracció d’un feix làser
Plantejament Els estudiants determinaran el gruix
d’un cabell humà utilitzant la difracció
I un làser de longitud d’ona
coneguda.
Temps: 45 minuts
Edats : 14-18
Materials
• Làser vermell
• Làser verd
• Cinta adhesiva
• Paret blanca o pantalla.
• Regla o cinta mètrica
• Cabell humà
Discussió i antecedents Veieu la lliçó prèvia per una introducció a la difracció.
La difracció d’un làser pot ser utilitzada per mesurar coses molt petites-com un cabell humà!
Malgrat que normalment pensem en difracció quan la llum passa a traves d’escletxes molt
estretes també te lloc en altres circumstancies com veurem de seguida.
Observant i investigant
1. Dividiu la classe en dos grups
2. Doneu a cada grup un làser, una regla o metro, un full
de paper blanc i cinta adhesiva.
3. Cada grup tria un company/a per donar uns quants
cabells per mesurar. Els cabells han de ser com a mínim
de 25 cm de llarg.
4. Introduïu la formula
Gruix del Cabell = (longitud d’ona) (distancia a la paret) /
distancia entre les primeres taques fosques
5. Fixeu amb la cinta adhesiva el cabell al làser de forma
que el cabell creui l’apertura del feix (com s’il·lustra a la
figura)
6. Col·loqueu el làser en una taula o un altra superfície
aproximadament a 1m de la pantalla o de la paret
blanca
7. Ensenyeu als estudiants com mesurar la distancia entre
les primeres dues superfícies d’interferència destructiva
a qualsevol del dos costats del màxim central (distancia
entre les dos primers punts foscos )
8. Demaneu als estudiants prendre mides I omplir la fulla
de dades I calcular el gruix del cabell en com a mínim 5
llocs diferents del cabell.
9. Demaneu als estudiants calcular el gruix mitjà del cabell
humà. Air i comparar-lo amb el valor habitualment
acceptat que buscaran per internet..
Taula de Dades
Mesures # Longitud d’ona del làser
Distancia a la paret (W)
Distancia entre els dos primers punts
foscos (D)
1
2
3
4
5
6
7
8
Introduïu com a mínim 5 conjunts de dades a la taula de sobre. Calculeu I apunteu el gruix resultant de cada mesura en la taula de sota.
Mesura Gruix del Cabell = (longitud d’ona) (W) / D
1
2
3
4
5
6
7
8
Calculeu i apunteu el gruix mitjà de cabell Com se sembla aquest valor al “valor acceptat “ pel gruix d’un cabell humà?
“EPIC Adopta un Kit d’ensenyament” EPIC s’associa amb Laser Classroom per la difusió d’un kit educacional: "Llum, Làser i Óptica" entre estudiants de tota Europa. Els equips, patrocinats per empreses, costaran 195 euros i estaran a disposició dels professors. Organitzacions nacionals de recerca, Universitats i grups de fotònica han col·laborat amb EPIC en la traducció del kit a diferents idiomes i a identificar els professors motivats per usar-lo durant les seves classes, amb la finalitat de promoure entre els alumnes la ciència en general i la fotònica, en particular. Les escoles rebran el kit de forma gratuïta. El que s’espera dels professors es que utilitzin activament l’equipament i ,una vegada a l’any, informin a EPIC de quants estudiants han utilitzat el kit, enviïn una foto i un informe sobre el desenvolupament de la classe. Organitzacions de suport
La Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) és una institució pública de recerca i d’educació superior en els àmbits de l’enginyeria, l’arquitectura i les ciències. 30.000 estudiants de grau i 5500 de post-grau es formen en 43 Departaments i 23 Escolas o Facultats. www.upc.edu
L'Associació Europea de Nanofotònica és una organització independent sense finalitat lucrativa que té com a principal objectiu la promoció científica i tecnològica en l'àmbit de la nanofotònica. L'associació, que està oberta a totes les entitats relacionades amb la nanofotònica, dóna suport a activitats educatives i de formació, així com contribueix a la creació de polítiques científiques a nivell internacional. http://nanophotonicseurope.org
EPIC és el Consorci de Industries de la Fotònica Europees, associació de l’industria sense ànim de lucre, dirigida pels seus socis, que promou el desenvolupament sostenible de les organitzacions que treballen en el camp de la fotònica. Els nostres membres inclouen tota la cadena de valor, des de l’ il·luminació LED, energia solar fotovoltaica, la fotònica de silici, components òptics, làsers, sensors, pantalles, projectors, fibra Óptica i altres tecnologies relacionades amb la fotònica. Fomentem un vibrant ecosistema de la fotònica mitjançant el manteniment d’una sòlida estructura i actuem como a catalitzador i orientador per al seu progrés tecnològic i comercial. EPIC treballa en estreta col·laboració amb les industries del ram, les universitats i les autoritats publiques per tal de construir un sector industrial de la fotònica més competitiu capaç de mantenir un creixement tant econòmic com tecnològic en el altament competitiu mercat mundial.