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

Luz monocromática 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

Dispersión y mezcla de Colores 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

Actividad 1: Luz monocromática

Planteamiento Mediante la comparación entre losespectros de la luz blanca, la luz de coloremitida por un LED y la luz láser, losalumnos observarán que la luz emitida porun láser es monocromática y consta deuna 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 nicorregirlas. 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 unapropiedad de la luz láser. No les diga cuál es. Comprobaremos si los alumnos pueden nombraresta 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 formanla luz interactúan entre sí.

2. Introduzca la red de difracción: explique que una red de difracción permite separar la luz quevemos a través de ella, mostrando su espectro, una firma o huella dactilar única que caracterizael 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 laaltura 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 (lámparasfluorescentes, bombillas, una linterna).

5. Pídales que describan lo que ven: "un arco iris"; pídales que le digan los colores que ven y enqué orden; pregúnteles si los colores están en el mismo orden para todas las luces que miran osi el orden varía. Asegúrese de que lleguen a la conclusión de que el violeta o morado siemprees 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 decolores. 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, osólo por una? Pida a uno de los alumnos partidario de un espectro que exponga susrazonamientos. Igualmente, solicite a otro alumno contrario a un espectro que comparta susrazonamientos.

8. Sin comentar ni corregir las explicaciones dadas por los alumnos, indíqueles que observen la luzdel LED rojo, verde y azul, utilizando la red de difracción. Los estudiantes pueden necesitaracercarse para poder ver bien.

9. Pida a los alumnos que compartan sus observaciones y expliquen que incluso un LED rojo, verdeo 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 verdey 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 LÁSER-NUNCA.

13. Diga a los alumnos que van a observar el espectro del láser al pasar su luz a través de la red dedifracción.

14. Sitúe una red de difracción delante de cada láser y muestre a los estudiantes que cuando la redsepara 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 lade un láser, los estudiantes observaránque 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; unapropiedad que hace a los láseres mucho más peligrosos y potentes que la luz con la queestán familiarizados, incluso cuando el láser emite muy poca energía como los que se usanen esta práctica. La luz emitida por un láser es colimada, es decir los rayos de luz son paralelos entre sí. Laluz "ordinaria" diverge o se ensancha a medida que se propaga. Esta actividad demostraráel 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 unadistancia de 3, 8 y 15 centímetros para calcular el área iluminada por la luz para cadadistancia.

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 delLED?

¡Está Colimada!

Tabla de datos

Fuente de Luz Distancia Área

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

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)


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.


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 discutanentre 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, debeobtener un láser... si tienen un láser, deben contar con un LED. Pida a los estudiantesrepetir 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 moverlas 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 puedencancelarse 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 luzláser coherente debido a esta interferencia, pero este patrón no es producido por el LEDporque la luz emitida por el LED no es coherente, o sea no está en fase.

Actividad 4: Absorción, transmisión y reflexión

Planteamiento Los ositos de gominola resultan muy útiles parademostrar los conceptos bastante abstractos quedescriben las interacciones más básicas entre laluz y la materia: absorción, transmisión y reflexión.


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

Inspirado en el siguiente vídeo que describe el proceso básico - http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk


Un error conceptual muy común entre los estudiantes es que el color es una propiedad de lamateria. Este error subyacente conduce a toda clase de equívocos; el más extendido es quecuando la luz blanca pasa a través de un objeto verde proyecta un resplandor verde en elpapel, asumiendo que el objeto “añade” color al de otro modo color “blanco” de la luz. Noimporta cuántas veces se les explique, es difícil para los estudiantes entender la idea de quecuando ven un objeto, p. ej. rojo, lo que realmente está sucediendo es que la mayoría de laslongitudes de onda que componen la luz blanca están siendo absorbidas por el objeto y sólola longitud de onda que conocemos como rojo se está reflejando. Lo que ellos "ven" es la luzroja transmitida hacia sus ojos.

Cuando la luz de un láser, que es monocromática (compuesta de un solo color o longitud deonda) incide sobre algún material puede sufrir tres fenómenos: se absorbe (convirtiendo laenergía lumínica en calor), se refleja o se transmite. Pero la mayoría de los estudiantes estánfamiliarizados con la luz blanca, compuesta de muchos colores, o longitudes de onda. Cuandola 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 lalongitud 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 vibranlos electrones de los átomos que forman el material. Puesto que distintos materiales secomponen de átomos cuyos electrones vibran a diferentes frecuencias, dichos materialesabsorben diferentes frecuencias de la luz. Esto rompe con la idea de que la luz atraviesa o noun 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 interactúacon la materia. Así, el color nunca estuvo en el objeto, sólo en la luz que brilla sobre él y queen última instancia se refleja hacia nuestros ojos.

Las siguientes prácticas darán a los estudiantes una comprensión intuitiva de este fenómeno yempezarán 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 blancaestá 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 laluz 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 láserde color rojo o un LED blanco) un pedazo de papel blanco normal y 3 ositos de gominola (unoverde, uno rojo y uno claro o transparente).


1. Recuerde a los alumnos las normas de seguridad a tener en cuenta cuando se maneja unláser.

2. Diga a los estudiantes que registren sus observaciones de cómo interactúan diferentesfuentes 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 sobrecada oso de goma de color y como registrar su observación. Concretamente deben analizarsi la luz es transmitida, reflejada y/o absorbida por los diferentes osos de gominola y cómotiene 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 conclusionesacerca de cómo se comporta la luz. Pídales que escriban su conclusión en su hoja dedatos.

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 sepuede pintar en una hoja de papel blanco. Recuerde a los estudiantes que la luz blanca secompone de todas las longitudes de onda visibles de la luz. Ayúdelos a relacionar que el osito degominola rojo en realidad permite que sólo las longitudes de onda de luz roja se transmitan oreflejen. Todas las otras longitudes de onda (colores) son absorbidos y no podemos ver la luz quees absorbida. Como resultado, la única luz que pasa a través del oso rojo es de color rojo (losestudiantes comprenderán que ésta es también la razón por la que el oso rojo se ve rojo: cuando laluz 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 elláser verde! Recuérdeles que el osito de gominola verde deja pasar sólo la luz verde y bloquea alas 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 aguadel estanque en una lente esférica que hacevisible su pequeño mundo interior. El efecto esespectacular y consigue de forma atractivaintroducir el concepto de las lentes y de la ópticageométrica.


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 llenaruna jeringa con agua de un estanque o un río. Si vive cerca de la costa, un poco de agua demar. Si no está cerca de un estanque o un río o del mar, puede recoger agua de un charco oalgún 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 deagua cuelgue de la punta. Sitúe el láser verde alineado con la gota de agua para que el haz pasea 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 manchade 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 aconocer el sistema óptico que hace posible estas imágenes impresionantes.

Antecedentes y Discusión En la figura de la derecha se muestra el camino quesigue el haz de luz al entrar y salir de la lente queforma una gota de agua suspendida de una jeringa.El rayo que pasa por el centro de la gota no sedesvía; sin embargo, todos los demás rayos seinclinan hacia la normal al pasar del aire, de índicen1, 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:

1 2 1 12

1

1 1 n1

n2

Esta es una ecuación general que se utiliza para ángulos muy pequeños, y es útil para trazar losrayos a través de sistemas complejos, que es lo que tenemos en nuestro montaje, a pesar denuestra sencilla configuración. Para este ejemplo, la desviación cuando el rayo pasa del aire alinterior de la gota (la primera superficie), es:

h

r1 n1

n2

En la superficie posterior de la gota y debido a la desviación impuesta por la ley de Snell, elrayo está más cerca del eje en 2r veces la desviación; de manera que alcanza la superficieposterior a una distancia h' de la normal:

El ángulo de desviación del rayo a medida que sale de la gota es el mismo que el ángulo dedesviación al entrar en la gota. Por último:

La explicación de cómo la luz que pasa a través de una lente esférica crea la ampliación deuna imagen, es un tema mucho más complicado y puede estar fuera del alcance de losestudiantes de secundaria. La siguiente figura es un simple diagrama de rayos de cómotiene lugar la amplificación.

h h2r. h2h. 1 n1

n2

h 2

n1

n2

1

f h

2

h 2n1

n2

1

2hr

1 n1

n2

r

2.2 n2

n1

n2

n1

1

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 lasideas básicas sobre la luz que han deaprender los estudiantes. Algunas prácticascon emisores de luz y lentes ayudan a losestudiantes a comprender estos fundamentosantes de pasar a conceptos máscomplicados.


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, untransportador, un espejo y una hoja de papel de aluminio. Si dispone de un grupo conalumnos de más edad puede utilizar también el láser. Recuerde a los estudiantes que seaseguren 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 reflejaen 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, loque modifica la forma en que la luz se proyecta.

Los estudiantes más avanzados pueden cuantificar sus observaciones: haga a los estudiantescolocar el espejo con el soporte en el centro del transportador para que el espejo quede paraleloal eje de 90 grados. Desde el ángulo de 30 grados (con respecto a la vertical), pida a losestudiantes que incidan el rayo de luz directamente al centro del espejo y midan el ángulo delrayo reflejado con respecto a la vertical. Pida a los estudiantes que anoten sus resultados yrepitan con más de dos ángulos de incidencia, a su elección.

Mantenga una discusión en grupo sobre los resultados obtenidos por los estudiantes. Losestudiantes 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 ybrillante. Repita las medidas anteriores, como con el espejo. Los estudiantes observarán que lalámina 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 estudiantesrápidamente se darán cuenta de que la luz se dispersa y se refleja en todas direcciones. Expliqueque cuando una superficie es rugosa, como ocurre con la pelota de aluminio, la luz todavía serefleja de acuerdo con las mismas reglas que acabamos de observar: en una línea recta conángulos de incidencia = ángulo reflejado; Sin embargo, muchos rayos inciden sobre superficiescon 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. Siemprelo hace en línea recta. Todo lo que vemos es realmente luz que se refleja en las superficies y escaptada por nuestros ojos.

Refracción - Antecedentes y Discusión Explique a los estudiantes que la luz se propaga, en general, sólo en línea recta. Pero cuandopasa de un medio (aire) a otro (agua), se desvía o refracta. Los estudiantes más jóvenessimplemente aprovecharán unas prácticas que les permiten observar este fenómeno, mientras quelos estudiantes más avanzados pueden aprender que esta desviación se produce de acuerdo conla 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 acercade cómo se desvía la luz. Los estudiantes puedenobservar cómo se propaga la luz a través de una lenteconvexa y una lente cóncava hasta enfocar la luz en un"punto focal". El punto focal es comúnmenteconsiderado como el lugar donde se forma una imagen.Nosotros utilizamos todo tipo de lentes para enfocar lasimágenes. Algunos ejemplos típicos de lentes son:nuestros ojos, una cámara, un microscopio o untelescopio. Las lentes son una forma eficaz de controlary 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

21

11.1

1

rrn

n

f ent

lens

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 generarlíneas 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 elmismo radio de curvatura, r1 = r2

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?

Pensando en ello....

Actividad 7: Colores y luz

Planteamiento Se realizaran dos actividades sencillas paraintroducir los fundamentos de la luz y el color a losestudiantes. El objetivo es observar que la luzblanca está compuesta por muchos colores y quevarios colores se combinan para formar la luzblanca.


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.


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 dela rejilla de difracción.

2. Haga que los estudiantes miren en torno al aula a otras fuentes de luz a través de la red dedifracción. Advierta a los alumnos de que nunca deben mirar directamente al sol, en esta o encualquier otra actividad.

3. Pregunte a los alumnos cómo están dispuestos los colores. ¿Qué color es el más próximo a lafuente de luz? ¿Cuál está más apartado? ¿Están los colores siempre en el mismo orden, sinimportar 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 enel 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 concada color; o sea, mirar las luces a través de la red de difracción e informar sobre lo queobservan.

7. Explique que las luces LED de color contienen sólo un grupo de colores, no es un espectrocompleto. 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 separala luz blanca en sus colores individuales. Las gotas de lluvia también puede separar la luz solar enmuchos 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 luzblanca 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 modoque 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 verácuando 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 adeterminar la longitud de ondade un láser mediante larecopilación de seis conjuntosde medidas que les permitandeterminar la longitud de onda.


Nivel: 2º BTO

Materiales Láser rojo

Láser verde

10 redes de difracción

Montaje en pared o pantalla en blanco

Regla o cinta métrica


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La difracción es un fenómeno que describe cómo la luzse curva a medida que pasa a través de rendijas muyestrechas o alrededor de una barrera muy pequeña(como un cabello). Ver imagen a la derecha que muestrala difracción (curvatura) de las ondas en torno a una"esquina". Considerando la luz como una onda, tenga encuenta que a medida que la luz pasa una barrera muypequeña, se forman dos patrones de ondas diferentes.Estas ondas interfieren entre si ya sea para amplificar elpatrón de onda (interferencia constructiva) o disminuir elpatrón de onda (interferencia destructiva).

Observando e Investigando 1. Reparta las redes de difracción y permita a los

estudiantes observar el espectro que ven cuandomiran 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) rendijasfinísimas, alrededor de las cuales la luz se curvacuando pasa. Cuando luz blanca se curva, suslongitudes de onda también lo hacen e interfierenentre 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 lasrendijas estrechas de una red de difracción? ¿Qué se espera que suceda cuando a una solalongitud 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 ladistancia entre máximos de intensidad.

8. Divida la clase en dos grupos, uno trabajará con el láser rojo y el otro trabajará con el láserverde.

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 deintensidad, adyacentes (X).

13. Indique a los estudiantes que han de realizar yregistrar estas mediciones a tres distanciasdiferentes de la pantalla o pared.

14. Comparar los resultados experimentales de losestudiantes con las longitudes de onda reales decada láser: 635 y 532 nm, para el láser rojo y elverde respectivamente.

Tabla de Datos

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

COLOR DEL LASER: _________________________

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 ydetermine un valor final para la longitud de onda.

λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L Valor Medio de

la Longitud de Onda

Mostrar todas los datos sustituidos en la formula

Valor Final (cm)

Valor Final (micrómetros)

Actividad 9: Medir el Diámetro de un Cabello Humano mediante Difracción de un Haz Láser.

Planteamiento Utilizando un láser de longitud deonda conocida los estudiantesdeterminarán el diámetro de uncabello humano, gracias alfenómeno 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 hojade papel en blanco y un poco de cinta adhesiva.

3. Haga que cada grupo elija a un compañero/a comodonante de un mechón de pelo para medir. El pelo debeser al menos de 25 cm de largo.

4. Introduzca la fórmula:

Diámetro del Cabello = (longitud de onda) (distancia a lapared) / distancia entre las primeras manchas oscuras

d .L

x

5. Fije con cinta adhesiva el pelo al láser de manera que elcabello 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 entrelas dos primeras zonas de interferencia destructiva a cadalado del máximo central (distancia entre los dos primerospuntos oscuros)

8. Pida a los estudiantes tomar medidas, rellenar la hojade datos y calcular el diámetro del cabello en al menoscinco diferentes partes del pelo.

9. Pida a los estudiantes calcular el diámetro promedio deun cabello humano. A través de Internet, los estudiantesdeben encontrar los valores comúnmente aceptados parael diámetro de un cabello humano y comparar su valormedio 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.

Luz, Láser y Óptica: Kit de divulgación

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