Guía para el docente
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Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 1º Medio - Subsector: Ciencias físicas - Unidad temática: La luz - Palabras claves: Luz, colores, sombra, reflexión, refracción. - Contenidos curriculares: La luz - Observación fenomenológica del hecho de que la luz se refleja, transmite y absorbe, al igual que el sonido. Distinción entre la propagación de una onda en un medio (sonido) y en el vacío (luz). Historia del debate entre la hipótesis corpuscular y la hipótesis ondulatoria para explicar estos fenómenos. - Derivación geométrica de la ley de reflexión a partir del principio de Fermat. Distinción cualitativa del comportamiento de la luz reflejada por espejos convergentes y divergentes. Espejos parabólicos. - Demostración fenomenológica de la descomposición de la luz blanca en un prisma. El arco iris: debate acerca de diversas hipótesis explicativas de su origen. - La luz como una onda. Observación y discusión de esta característica a través de la difracción en bordes y fenómenos de interferencia. - Contenidos relacionados: - 1º Medio: El sonido: Vibración y sonido. La luz: Propagación de la luz – Naturaleza de la luz. - 2º Medio: El movimiento: Descripción del movimiento. - 3º Medio: La Tierra: El Sistema Solar. - 4º Medio: Mundo atómico: El átomo. - Aprendizajes esperados: - son más sensibles a la diversidad de la materia en cuanto a la forma en que se propaga la luz en diferentes medios; - reconocen el valor de formular un principio y de realizar razonamientos geométricos para comprender fenómenos naturales (principio de Fermat); - relacionan fenómenos muy diversos como el sonido y la luz a través de conceptos unificadores como el de onda; - reconocen que el conocimiento científico se ha logrado paso a paso a lo largo de la historia (por ejemplo, en astronomía), 1 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz a veces luego de dilatadas controversias (por ejemplo, la naturaleza ondulatoria o corpuscular de la luz). Aprendizajes esperados de esta actividad: - Identificar otros fenómenos asociados al comportamiento de la luz. - Comprender qué es el fenómeno de reflexión y su importancia. - Comprender qué es el fenómeno de refracción. - Comprender qué son los colores. - Aprender a observar, identificar y describir fenómenos que ocurren comúnmente. Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl: - Ficha Temática - Videos: “Están las cosas”, “La luz”, “La evolución”, “Reflexión” - Juego: “El ahorcado” de Naturaleza de la luz - Diapositivas digitales (ppt): “Naturaleza de la luz” y “La luz: óptica física”. Actividades propuestas para este tema: Este documento cuenta con el desarrollo de dos actividades las que están vinculadas al video llamado “Están las cosas”. - - Actividad, “¿Qué es la refracción de la luz?”: pretende que los estudiantes comprendan el fenómeno de refracción mediante la observación y posterior descripción del video Actividad, “Fenómenos de la luz”: se enfoca en que los estudiantes comprendan que existen muchos fenómenos asociados al comportamiento de la luz. Sugerimos que vean y observen el video “Están las cosas” todos juntos para que usted vaya destacando los momentos importantes. Las actividades asociadas al video pueden realizarse en grupos de tres a cuatro estudiantes. 2 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz ACTIVIDAD: “¿Qué es la refracción de la luz?” Duración: dos horas pedagógicas 1. Mapa de contenidos tratados Luz Transmisión de la luz Absorción Refracción Naturaleza dual Reflexión 2. Desarrollo de la actividad ¿Qué es la refracción de la luz? Paso 1 Esta actividad está ligada al video “Están las cosas”, que explica el fenómeno de refracción de la luz. Recomendamos iniciar esta actividad preguntando a sus estudiantes: - ¿Qué fenómeno de la luz conocen? Sus estudiantes, probablemente, reconozcan el efecto de la sombra y la reflexión como fenómenos de las ondas de luz. Si no reconocen ni un fenómeno de la luz, dirija la discusión a estos fenómenos conocidos, preguntando: - ¿Qué es la sombra? La explicación de la sombra se basa en la trayectoria rectilínea de los rayos de Sol, por tanto, sugerimos utilizar esta pregunta para que sus estudiantes aprendan cómo viajan y se propagan estos rayos. Otro fenómeno “conocido” por los estudiantes es la reflexión de la luz. Si no lo saben, puede inducirlos a que respondan con la siguiente pregunta: - ¿Qué son los espejos? ¿Cómo nos reflejamos en ellos? 3 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz Los espejos son superficies hechas de un material que permite la reflexión de la luz. Indíqueles a sus estudiantes que además de estos fenómenos existe uno llamado refracción. Para introducir este fenómeno en particular, pregúnteles a sus estudiantes - ¿Han visto cuando la luz se desvía luego de chocar con ciertas superficies? Este fenómeno es visible en materiales como los vidrios. Invite a sus estudiantes a ver el video sobre refracción “Están las cosas”. Paso 2 Vean el video todos juntos. Si es necesario, observen el video más de una vez. Mientras sus estudiantes ven el video, destaque los siguientes momentos: - El físico indica que el video trata sobre la refracción de la luz. - El físico indica los materiales que utilizará para realizar el experimento. - El físico indica que trazará dos líneas perpendiculares sobre el cartón piedra que utilizará para el experimento. - El físico indica dónde ubicará el prisma en el cartón para realizar el experimento. - El físico comienza el experimento. Hace incidir el láser sobre el prisma en forma perpendicular a una de las caras del prisma. Observa lo que sucede con el rayo en el prisma. - El físico ubica el láser de manera que forme un ángulo distinto al ángulo recto con alguna de las caras del prisma. Observa lo sucede con el rayo en el prisma. - El físico explica que ocurrió con el rayo láser al hacerlo incidir de distintas formas en el prisma. Paso 3 Entregue a sus estudiantes la guía vinculada a este video. Mientras las entrega puede iniciar una discusión cuestionando que son y para qué sirven los materiales que se utilizan en el video. Motive una investigación al respecto. Léanla en conjunto o bien en grupos o pares de estudiantes. También pueden leerla en Internet. En esta actividad los estudiantes deben observar y describir el fenómeno que observan. Además, deben conocer los materiales que utiliza el físico en el video. Para ello, se les pide realizar una investigación para la cual deben contar con la bibliografía adecuada. Pueden obtenerla en el portal educarchile, en otro medio como Internet o en una biblioteca. Luego de revisar el material disponible, deben responder las siguientes preguntas, cuyas respuestas se encuentran a continuación. 4 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz 1. En el video, el físico utiliza como haz de luz un puntero láser. ¿Qué es un rayo láser? La palabra “láser” proviene de la sigla en inglés “laser” que quiere decir Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). Un láser es un haz de luz monocromático (un solo color) que viaja sólo en una dirección en rayos paralelos y que, por lo tanto, tiene una divergencia casi nula. Esta característica es casi imposible de lograr completamente, y el láser es prácticamente el único que posee esta propiedad. La mayoría de los haces de luz se ensanchan a medida que se alejan de la fuente emisora, mientras que los rayos de láser viajan siempre paralelos. El flujo de energía es también unidireccional y por ello podemos suponer que cada rayo viaja en forma paralela. Un rayo láser es también una onda, y como tal tiene una amplitud característica. En este tipo de haces de luz, todas las ondas se encuentran en fase, es decir, sus amplitudes de vibración son iguales y coinciden. Por lo tanto, todas las ondas viajan en la misma amplitud. 2. En el video, el físico utiliza un prisma para desviar la trayectoria de la luz Explica lo que es un prisma. Un prisma es un objeto capaz de refractar (desviar la luz), reflejar y descomponer la luz en distintos colores. Generalmente, estos objetos corresponden a un prisma triangular y por eso reciben ese nombre. 3. En el video, el físico traza sobre el cartón piedra dos líneas rectas perpendiculares entre sí. ¿Por qué lo hace? ¿Qué ocurre si no lo hace? Fíjate dónde se ubica el prisma en el cartón piedra. El físico dibuja dos líneas rectas perpendiculares entres sí, que se cruzan justo en el medio del cartón que utiliza. Esto lo hace para ubicar exactamente el prisma en el centro del cartón piedra y de ese modo utilizar las líneas como guía para hacer incidir el puntero láser en las caras del prisma en forma perpendicular y luego formando un ángulo con dichas caras. 4. Al hacer incidir el rayo láser en forma perpendicular sobre una de las caras del prisma, ¿qué ocurre con la trayectoria del láser? El físico hace incidir el puntero láser sobre las caras del prisma en forma perpendicular. Durante esta experiencia el rayo láser sigue la trayectoria en forma normal, atravesando el prisma. Esto ocurre en ambas caras. 5. Al hacer incidir el rayo láser de manera que forme un ángulo distinto al ángulo recto con alguna de las caras del prisma, ¿qué ocurre con la trayectoria del láser? En esta oportunidad, el físico hace incidir el rayo láser de manera que forme un ángulo distinto al ángulo recto con las caras del prisma. Ahora se observa que el rayo desvía su trayectoria con respecto a la inicial al incidir en el prisma. 5 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz 6. ¿Qué ocurriría si la luz no se refracta? Cuando la luz cambia el medio de propagación, tiene tres opciones: puede rebotar en el nuevo medio de propagación (reflexión), puede ser absorbida por el nuevo medio (absorción de la luz), o puede cambiar la trayectoria (refracción). En realidad, cuando la luz cambia el medio de propagación ocurren los tres fenómenos, pero uno de ellos ocurre en mayor proporción haciendo que los demás sean despreciables. Si imaginamos que la luz no cambia de velocidad de propagación (refracción) cuando pasa de un medio a otro, entonces la luz sólo se reflejaría o absorbería en ciertas superficies. Con esto, la luz siempre viajaría a la misma velocidad, cuando se refleja. No existirían los colores, debido a q no sería posible separar las diferentes longitudes de onda de la luz, por lo tanto sólo veríamos en un color. Paso 4 Para concluir esta actividad, recoja algunas de las respuestas de sus estudiantes, conversen sobre ellas. A continuación pídales a sus estudiantes que escriban una definición simple del fenómeno de refracción. Refracción: Este fenómeno ocurre cuando un haz de luz viaja hasta una superficie que es capaz de atravesar pero al hacerlo cambia su trayectoria inicial. Los rayos de luz incidentes se desvían de la trayectoria. Este fenómeno ocurre cuando la luz cambia de medio de propagación, y por lo tanto cambia su velocidad de propagación. 6 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz ACTIVIDAD: Fenómenos de la luz Duración: dos horas pedagógicas 1. Mapa de contenidos Luz Transmisión de la luz Absorción Refracción Naturaleza dual Reflexión Descomposición en diferentes colores (rango visible) Diferentes longitud de onda y frecuencia y Energía Por ejemplo Arco iris 2. Desarrollo de la actividad “Fenómenos de la luz” Paso 1 Esta actividad está ligada al video “Están las cosas”. En él se muestra el fenómeno de refracción de la luz. La actividad pretende que los estudiantes conozcan e identifiquen otros fenómenos de la luz. Recomendamos iniciar la actividad preguntando: - ¿Qué son las sombras? - ¿Qué son los colores? - ¿Por qué vemos nuestra imagen en los espejos? Es posible que sus estudiantes conozcan el fenómeno de las sombras y sepan por qué nos vemos en los espejos. Invite a sus estudiantes a ver el video “Están las cosas”. 7 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz Paso 2 Vean el video. Indique el fenómeno que están observando en el video, que es sólo uno de los fenómenos que esta actividad les dará a conocer. Si es necesario, observen el video más de una vez. Paso 3 Al finalizar el video, pregunte a sus estudiantes: - ¿Qué es la refracción de la luz? Sugerimos anotar en el pizarrón las ideas de sus estudiantes acerca de este fenómeno. Por último, hagan una definición completa de la refracción de la luz. Paso 4 Para continuar esta actividad, pregunte a sus estudiantes: - ¿Existen otros fenómenos asociados al comportamiento de la luz? Pídales que investiguen los siguientes fenómenos: reflexión de la luz, la sombra y los colores de la luz. Para realizar esta parte de la actividad, sus estudiantes deben contar con la bibliografía apropiada, la que pueden obtener en el portal educarchile, en otro medio como Internet o en una biblioteca. Luego de revisar el material bibliográfico, deben responder las siguientes preguntas, cuyas respuestas se encuentran a continuación. 1. ¿Cómo se propaga la luz? La luz es una onda electromagnética compuesta por partículas energizadas llamadas fotones. La luz se propaga en forma de rayos que viajan de manera paralela. El comportamiento ondulatorio de la luz permite que esta no pierda energía en su trayectoria. 2. ¿Qué ocurriría si la luz no fuera una onda electromagnética compuesta por fotones? Si no existiera la luz, como onda electromagnética que viene del sol, la vida no sería posible en nuestro planeta. La luz nos proporciona la energía suficiente, por ejemplo para hacer crecer las plantas que nos dan el oxígeno. Por su naturaleza, la luz es una gran fuente de energía en nuestro planeta. Por otro lado, hoy en día, hemos desarrollado la tecnología adecuada para poder utilizar ciertas fracciones de la luz (ciertas longitudes de onda), en diferentes aplicaciones: por ejemplo operaciones con rayos láser, terapias con rayos infrarrojos, utilización de la radiación UV, etc. Si la luz no fuera una onda electromagnética que se propaga en el vacío, no seria posible utilizarla. 8 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz 3. ¿Qué ocurre cuando la luz choca con un espejo plano? ¿Por qué? Un espejo es una superficie que tiene la capacidad de reflejar los rayos de luz y debe ser lo suficientemente clara como para formar una imagen en él. El tipo de espejo más común que conocemos es el espejo plano. Cuando un haz de rayos de luz que viajan en forma paralela choca con esta superficie, cambia de sentido su trayectoria hasta chocar con el cuerpo, lo que permite la formación de una imagen en la superficie del espejo. 4. ¿Qué es la reflexión de la luz? La reflexión de la luz es un fenómeno asociado al comportamiento ondulatorio de la luz en el que los haces de luz que viajan e inciden sobre una superficie son capaces de cambiar su trayectoria sin atravesar esta superficie. 5. ¿De qué nos sirve que la luz se refleje en ciertas superficies? Que la luz se refleje sirve para filtrar ciertas longitudes de ondas que tienen más energía, para continuar propagándose y para mirarnos en el espejo, entre otras cosas. Por ejemplo, la luz se refleja en ciertas capas de la atmósfera devolviendo al espacio o absorbiendo longitudes de onda que tienen energía que nos hace daño. La fibra óptica funciona como guía de luz, es decir dentro de este material la luz se refleja hasta salir de él. Se utiliza como medio de comunicación, para la medicina, la fotografía, entre otras muchas disciplinas. 6. ¿Cómo explicas el fenómeno de la sombra? ¿Qué es la sombra? Una sombra es una región de oscuridad donde la luz es obstaculizada. Una sombra ocupa el espacio que existe en la cara opuesta al lado en que incide la luz de un objeto que no deja pasar la luz (absorbe luz). 7. ¿Qué son los colores? Los colores corresponden a ondas luminosas de la región visible del espectro electromagnético, diferenciados por una frecuencia y longitud de onda característica de cada color. Al hacer incidir un haz de luz blanca visible en un prisma, veremos que este haz se descompone en distintos colores de diferentes frecuencias, energía y longitud de onda. El siguiente cuadro indica para cada color la longitud de onda y frecuencia característica. Color Rojo Naranja Amarillo Verde Celeste Azul Violeta Longitud de [nm] 625 – 740 590 – 625 565 - 590 520 – 565 500 - 520 430 – 500 380 - 430 onda Frecuencia [x 1012 Hz] 480 – 405 510 – 480 530 – 510 580 – 530 600 – 580 700 - 600 790 - 700 9 Guía para el docente La luz Naturaleza de la luz El ojo humano es capaz de percibir sólo la parte visible del espectro electromagnético, cuyo intervalo de frecuencia va desde 384 x 1012 hasta 769 x 1012 Hz (aproximadamente). Los colores asociados a un objeto son producto de la reflexión del color asociado al objeto, es decir, los objetos con un color característico son capaces de absorber la luz blanca y reflejar un color determinado, el que es percibido por el ojo. 8. ¿Cómo se forma el arco iris? El arco iris es producto de la descomposición de la luz blanca que proviene del Sol al incidir en pequeñas gotas de agua que se asemejan a un prisma. Lo que observamos son los colores de la parte visible del espectro electromagnético. Por esta razón, el arco iris se puede observar en días lluviosos en los que existen algunos rayos de Sol, o bien en días donde existe mucha humedad ambiental. Paso 5 Para finalizar esta actividad, pídales a sus estudiantes que dibujen en una cartulina o en papel kraft el espectro electromagnético, indicando: - Rangos del espectro: desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. - Para cada rango, el intervalo de frecuencia y de longitud de onda. - Para el rango visible, los colores respectivos. Sugiérale a los estudiantes que realicen el juego “El ahorcado” a modo de autoevaluación de los contenidos. 10
