Luz, Láser y Óptica: Kit de divulgación

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