Los experimentos en esta sección le ayudarán a investigar el mundo de la luz, el color y la óptica. •
Construcción de una lente de aumento
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Construcción de un prisma
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Una moneda que desaparece
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La luz se propaga en línea recta
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Cascada de luz
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Lentes de aumento
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Los colores del televisor
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Visión aumentada
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Atardeceres caceros
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Arco Iris personal
Instrumentos para investigar la luz
Construcción de una lente de aumento Necesita: • •
Un frasco transparente con tapa. Agua
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Objetos para observar.
Montaje: • • •
Llene el frasco completamente con agua y tápelo bien. Colóquelo en posición horizontal. Observe objetos a su alrededor a través del frasco transparente.
¿Qué está pasando? Al pasar la luz por el frasco con agua se refracta. Los rayos se desvían igual que una lente de aumento. Esta lente tiene una distancia focal muy pequeña, por lo que presenta las imágenes invertidas de los objetos que se
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encuentran un poco alejados del frasco. ¿Qué ocurre si aleja o acerca los objetos al frasco?
Prisma de agua Necesitas: • •
Un espejo Una cubeta llena de agua
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Una ventana o rendija por la que entre un rayo de sol
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Una pared blanca o una hoja de papel
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Algún objeto para sostener el espejo inclinado
Montaje: Pon la cubeta con agua frente a la ventana para que entre n rayo de sol dentro de ella. Coloca un espejo inclinado en la cubeta, formando una cuña (prisma) de agua. Busca la proyección del rayo de sol, sobre la pared (figura). ¿Qué sucede? El rayo de luz incidente se rompe en los colores componentes de la luz blanca al atravesar el prisma de agua encima del espejo. Se refleja en éste atraviesa de nuevo el prisma y sufre una segunda descomposición. El prisma de agua desvía cada longitud de onda en un ángulo diferente. El rojo posee la longitud de
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onda más larga y es el que menos se desvía, mientras que el voltea sufre la máxima desviación. Los colores siempre aparecen en el mismo orden que en un arco iris.
Una moneda que desaparece Necesita: Una moneda, un vaso y agua Montaje: Se coloca la moneda en el fondo del vaso vacío tal como se indica en la figura A. La luz que sale de la moneda se transmite en línea recta e incide en el ojo. Al bajar un poco la posición del ojo, la moneda desaparece. Al llenar el vaso con agua, la moneda aparece de nuevo (fig. B). ¿Qué sucede? Cuando el rayo de luz que proviene de la moneda llega a la superficie que separa el agua del aire, se produce un cambio en la dirección en que se propaga. Como consecuencia de este cambio de dirección, se vuelve a ver la moneda. Este fenómeno se llama refracción de la luz.
La luz se propaga en línea recta Necesita: • •
1 lata con una de sus tapas completamente abierta. 1 clavo fino y 1 martillo.
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1 pedazo de papel seda blanco.
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1 liga de hule pequeña.
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1 vela encendida.
Montaje: Con el clavo y el martillo abra un pequeño agujero en el centro de la tapa que quedó en la lata. Cubra el lado abierto con el papel seda y asegúrelo con la liga. Observe la imagen de la llama a través del papel seda, orientando el agujerito de la tapa hacia la vela. (Lo verá mejor en un cuarto obscuro). ¿Qué está pasando? La imagen de la vela que se forma en papel seda aparece invertida demostrando que la luz viaja en línea recta. Además, podremos ver la imagen de la vela más pequeña o
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más grande según separemos o aproximemos el agujero a la vela, demostrando que este actua como una lupa.
Cascada de luz Necesita: Una botella plástica vacía y limpia; Clavo y martillo para hacer hueco lateral; Una linterna; Agua y un recipiente para recogerla Montaje Hágale el hueco lateral a la botella vacía. Llénela de agua y póngale la tapa. Busque un lugar oscuro. Ilumine la botella desde la posición opuesta al hueco, quítele la tapa, ponga su mano debajo del chorro saliente y disfrute de la "cascada de luz". Usted puede ver la luz en su palma. ¿Qué está pasando? Una parte de la luz emitida es atrapada por el flujo de agua saliente y sigue las curvas de caída. Se ha creado un canal para transmitir luz. La fibra óptica es otro canal, muy eficiente, de transmisión de luz y datos, por eso en los sistemas modernos de internet se le utiliza en vez del cobre.
Lentes de aumento Necesita: • •
Gotas de agua Plástico transparente
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Revista o libro
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Gotero (opcional)
Montaje: Cubra la revista o libro con lámina plástica o una bolsa transparente estirada y coloque unas gotas de agua sobre la superficie. Observe que las letras pequeñitas vistas a través de la gota se ven aumentadas. ¿Qué está pasando? La gota de agua tiene una superficie redondeada que refracta los rayos de luz, como también lo hacen los lentes de aumento.
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Los colores del televisor Ingredientes: • •
Gotas de agua Un Televisor o un monitor de computadora
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Servilletas u otro material absorbente
Montaje: Ponga unas gotitas de agua en la parte superior de la pantalla y observe la magnificación detallada de los puntos que conforman la imagen. Encontrará puntos de color verde, rojo y azul organizados en algún patrón. La gotita irá cayendo. Atrápela al final con una servilleta. ¿Qué está pasando? Las gotas funcionan como un lente de aumento. En el caso del televisor podrá ver los puntitos de diferentes colores que juntos componen la imagen. Estos puntos se llaman pixeles. Puede averiguar cómo están organizados los pixeles, si en líneas verticales de colores u otras maneras. En la mayoría de los monitores modernos los puntitos están ordenados en filas por color.
Visión aumentada Necesita: • •
Una tarjeta Un alfiler para perforar
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Una lámpara con un bombillo
Montaje:
Haga un hueco pequeño en el centro de la tarjeta. Colóquelo frente a su ojo y observe el bombillo a través del huequito. Acérquese y
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aléjese hasta que pueda apreciar el aumento. Podrá enfocar sobre objetos muy cercanos, pero se reduce mucho la cantidad de la luz que recibe el ojo. Pruebe examinar otros objetos iluminados, como la pantalla del televisor o la computadora. ¿Qué está pasando? Con suficiente luz, usted podrá acercarse a los objetos y enfocarlos, cosa imposible normalmente. Esto se debe a que sólo se está usando la parte central del lente del ojo. La reducción de rayos luminosos permite enfocar. Pruebe el experimento con personas que no pueden enfocar de lejos (miopes) o de cerca. A través de un huequito pequeño sí lo lograrán.
Atardeceres caseros .• •
Necesita: Un vaso de vidrio grande Agua
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Una pared blanca
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Una linterna
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1 cucharadita de leche
Montaje: Llene 3/4 partes del vaso con agua y colóquelo frente a una pared blanca. Tome la linterna y dirija el foco de luz a través del vaso. ¿De qué color se ve la luz que llega a la pared? Ahora agréguele la leche al agua. Mezcle bien y vuelva a dirigir el foco de luz a través de este líquido. ¿Qué color observa en la pared ahora? ¿Qué está pasando? La leche sirve de filtro y no permite que todos los colores presentes en la luz blanca pasen, sólo los anaranjados y rojos llegan a la pared. De manera semejante, la atmósfera de la tierra, con sus humos y partículas de polvo filtra la luz del sol, cuando esta entra de manera inclinada, al atardecer. Esto permite que se vean los celajes.
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Arco iris personal Necesita: • •
Una manguera con rociador Un día soleado
¿Qué hacer? Póngale un rociador a la manguera o sujétela con la mano, de tal manera que el chorro se distribuya en uniformemente. Párese dando su espalda al sol. Rocíe el agua hacia el frente y trate de ver el arco iris que se forma en el agua. ¿Que está pasando? La luz del sol está compuesta por muchos colores. Al pasar la luz por el agua, cada color es refractado de manera diferente, entonces aparecen como colores separados. Observe: Cuando ve un arco iris en el cielo, este siempre se encuentra en dirección opuesta al sol.
Elementos necesarios: • •
La caja de cereal. Goma.
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Dos espejos de 7 cm x 7 cm o más grandes.
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Cinta adhesiva gruesa para cubrir los bordes de los espejos.
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Alternativas de materiales
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Si no tienes una caja, necesitarás cartulina, una regla, un lápiz y un compás (para medir la inclinación de la ranura para el espejo).
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Conseguir pedazos de espejo, o espejos viejos es fácil. De hecho, los dos espejos no necesitan ser iguales, ni tener el tamaño de la caja, pueden ser más grandes, aunque se salgan de la caja. Lo importante es su posición e inclinación. Ten mucho cuidado con los bordes de pedazos de espejo. Estos son filosos y para evitar accidentes se deben cubrir con cinta adhesiva gruesa.
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El tamaño del espejo está relacionado con la dimensión de la caja. Es muy fácil calcularlo si mides los lados de la caja que colindan con el espejo y usas la fórmula desarrollada por Pitágoras para calcular el largo de la hipotenusa.
Instrucciones para armarlo 1.
Abre la caja completamente y despégala con cuidado.
2.
Toma el lateral angosto como el tamaño de cada lado del prisma que vas a construir. Dobla este lateral sobre el frente de la caja, unas tres veces. Esto te dará los cuatro lados de la periscopio. Déjale un borde pequeño que sirva para unir los extremos.
3.
Pide ayuda a una persona mayor para usar un cutter o una tijera filosa y cortar las ventanas de observación y las ranuras donde se insertan los espejos. 4.
Dobla los lados de la figura, siguiendo la líneas e instrucciones.
5.
Termina de cerrar esta caja en forma de “prisma cuadrangular” (paralelepípedo rectángulo), pegando los laterales y luego las tapas superiores e inferiores.
6.
Ahora inserta los espejos a través de las ranuras y prueba tu nuevo instrumento.
Practica con tu periscopio •
Úsalo para ver más allá de tu altura. Por ejemplo sobre un arbusto o para
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mirar la parte de arriba de un refrigerador alto. Mira detrás de una puerta, sin que te vean.
Extensión Puedes extender el tubo para que tu periscopio sea más largo, pero la imagen se achicará. Los periscopios muy largos incluyen lentes para agrandar la imagen.
Posibles errores Si el instrumento no te funciona revisa lo siguiente:
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El ángulo de inclinación de los espejos. La posición de los espejos con su cara hacia las ventanas.
¿Cómo funciona un periscopio? La luz que llega al espejo es reflejada con el mismo ángulo con que llegó. En tu periscopio, la luz llega al espejo más lejano de ti con una inclinación de 45°. Luego rebota sobre el segundo espejo (el más cercano), también con esa inclinación y finalmente es orientado a tus ojos.
Historia La invensión de telescopios y de otros instrumentos oculares que usan sistemas de espejos y lentes a finales del siglo XVI, precede al periscopio. Un instrumento muy parecido fue utilizado con fines militares en tierra, para vigilar a los enemigos sin exponerse. De manera semejante, el periscopio naval fue desarrollado con el fin de proveer un “ojo” hacia la superficie, en el submarino. Los primeros sumergibles no contaban con estos instrumentos y, cuando estaban debajo del agua, se veían forzados a mobilizarse ciegamente. En el área naval, fue el francés Mariee Davey en 1854, quien desarrolló la primera versión y ya en 1872 el diseño se modificó para reemplazar los espejos por prismas, extendiendo su
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alcance. Siguieron muchas mejoras y versiones.
Elementos necesarios: • •
Dos Discos Compactos (CD) desechados, en buen estado. O también se pueden usar tres tiras de vidrio cortadas del mismo tamaño. Cinta adhesiva.
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Un tubo restante del empaque del papel aluminio o papel encerado. (Estos son más fuertes que los de papel higiénico, aunque su diámetro es menor.)
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Tijeras grandes y fuertes.
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Cartulina para hacer la tapa del visor.
Adicionalmente se puede añadir:
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Un material translúcido para hacer una tapa decorada. Unas tapas semitranslúcidas.
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Cuentas de vidrio o plástico.
Alternativas de materiales:
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Conseguir pedazos de espejo, o espejos viejos es fácil. Pero en este caso el tamaño de los espejos es muy importante. Los tres deben ser tiras rectangulares exactamente iguales. Por ello, probamos con CDs y funcionó bastante bien.
Ten mucho cuidado con los bordes de los espejos, porque son muy filosos.
Instrucciones para armarlo Estas instrucciones indican cómo hacer el caleidoscopio con Discos Compactos (CD), porque es un recurso de desecho común. Por supuesto que también se puede construir con espejos. 1.
Toma el CD e identifica los dos lados. Uno es más opaco que el otro.
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2.
Corta tres figuras rectangulares, lo más grande posible, de dos CDs. Del primero te saldrán dos piezas. Pide ayuda a un adulto si es necesario. Se requiere de tijeras grandes y fuertes. Trata de hacerlo sin que se desprenda la película plateada.
3.
Termina de cortar las piezas para que queden iguales.
4.
Haz un prisma triangular con las tres piezas y sugétalas con cinta adhesiva. Las caras más brillantes debe quedar hacia adentro.
5.
Para protegerte de los bordes filosos, cúbrelos cuidadosamente con cinta adhesiva sin desprender la película plateada.
6.
Ahora está lista la parte más importante.
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¡Cuidado con tus ojos! No te vayas a punzar por accidente.
8.
Para evitarlo vas a introducir el prisma de espejos o piezas de CD en un envase cilíndrico. Lo vas a colocar dentro de un tubo de cartón. Si el tubo que escogiste es muy grande, puedes forrar el caleidoscopio con esponja, u otro material que le aumente el diámetro y lo haga quedar firme dentro del tubo.
9.
OPCIONAL Ahora puedes construir un visor: una tapa con un agujero al centro, que tape el final del tubo por donde observarás y ¡listo!
Practica con tu caleidoscopio
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Ahora mira a través del caleidoscopio una región iluminada. Mueve tu cabeza con el caleidoscopio para que veas las imágenes del ambiente cambiante y múltiple. Extensión Puedes cerrar la ventana externa del caleidoscopio con una tapa transparente que siga permitiendo que pase la luz. Esta tapa la puedes hacer de papel o plástico. Otra versión contiene una cámara transparente al frente con cuentas de colores que al moverse generan diseños múltiples. Prueba contar el número de imágenes reflejadas a través en tu caleidoscopio. ¿Cómo se forman esas imágenes?
Posibles errores Si el instrumento no te funciona, revisa lo siguiente:
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Las piezas de CD pueden estar en mal estado. Si se les desprendió parte de la película y no reflejan igual, desecha el prisma y construye otro.
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Los espejos o piezas de CD introducidos en el cilindro deben tener la cara más brillante hacia adentro. ¡Revísalo!
Historia Desde antes de los antiguos egipcios, se conocían los principios de la simetría de reflexión y se pulían piezas de piedra caliza para formar ángulos y observar las imágenes multiplicadas. Pero fue hasta 1816, que el inglés David Brewster desarrolló una versión contenida dentro de un tubo y la denominó caleidoscopio. Desde 1801, el joven de 22 años se había dedicado intensamente al estudio de la óptica y del desarrollo de instrumentos científicos. Doce años más tarde, en 1813, publicó sus descubrimientos. Poco después desarrolló el primer caleidoscopio y aunque lo patentó, por errores de la época, nunca recibió remuneración, crédito de la producción masiva del aparato. Este gustó a todas las clases sociales y fue muy vendido por muchas empresas. Desde entonces, los caleidoscopios han sido usados como diversión, en el estudio de la matemática y en el arte. Hoy en día hay también versiones en la internet y software que permiten realizar estas simetrías.
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Elementos necesarios: • •
Un Disco Compacto (CD) desechado, en buen estado. Una caja de cereal.
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Un cutter o tijeras.
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Una regla.
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Un transportador.
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Cinta adhesiva plateada para sellar cajas.
Instrucciones para armarlo 1.
Toma una caja, como de cereal.
2.
Para construir el espectroscopio debes insertar un CD de un lado de esta caja y hacer una ranura para que entre la luz por el otro extremo.
3.
Cierra las tapas superiores rectangulares y la tapa cuadrada encima del lateral opuesto al CD. Sujétalas con cinta adhesiva.
4.
Recorta la tapa encima del lateral que tendrá el CD.
5.
Corta las ranuras inclinadas, a unos 60°, en ambas caras laterales.
6.
Toma el CD e introdúcelo en la ranura, con el lado más brillante hacia arriba.
7.
Sella la parte superior para que no entre luz por los bordes.
8.
Sella la unión entre el CD y la caja, para que no entre luz por estas ranuras y el CD quede bien sujeto.
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Recorta una ventana de observación grande, sobre las tapas superiores y abre la ranura
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de entrada de luz en el extremo opuesto.
Ahora está listo.
Practica con tu espectroscopio Observa a través del Espectroscopio. Coloca tu cara de manera que tu ojo vea el CD y tape la ventana completamente. Así no entrará la luz por este lado. Te tomará algo de práctica, pero cuando lo logres te abrirá un mundo nuevo. Recuerda que la ranura debe apuntar hacia la fuente de luz que quieres inspeccionar. Si no lo ves, pide a otra persona que te ayude mientras observas el disco. A veces otra persona puede ayudarnos a apuntar mejor hacia la fuente de luz. Mueve y gira levemente el espectroscopio hasta encontrar un “espectro” (como un arco iris) brillante y definido. Verás que cada tipo de luz produce un espectro diferente. Los espectros son como “huellas digitales” que identifican los elementos que emiten luz.
Lista de chequeo Si el instrumento no te funciona, revisa lo siguiente:
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Revisa que hayas metido el CD con la parte brillante hacia ti. Puede ser que haya otros agujeros en la caja que estén dejando entrar luz de otras fuentes. Búscalos y cúbrelos con cinta adhesiva plateada.
¿Cómo funciona un espectroscopio? Un espectroscopio permite averiguar cuales son los elementos emisores de luz, al separarla en sus colores componentes y presentar un espectro (como una arco iris). Cada elemento produce colores diferentes. En el espectroscopio estas líneas de colores delatan los elementos en la fuente.
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Este es el espectro de un bombillo incandescente.
Los colores son seguidos, sin cambios grandes de intensidad. Es un espectro contínuo, sin líneas negras que lo partan horizontalmente. Claramente se ve el rojo, seguido del verde y de último el azul. Una bombilla de halógeno es muy similar.
Ahora busca un fluorescente. Apunta bien con la ranura (de entrada de luz) al tubo y observa. Este es una foto de ese espectro. Se distinguen más tonalidades, diferencias en intensidad en ciertas regiones y rayas negras que parten el rojo. Las línea verde intenso, morada fuerte y el débil anaranjado nos indican la presencia del elemento Mercurio, que genera parte de la luz. El espectro continuo del fondo está generado por la película de fósforo que cubre el vidrio y es excitado por el Mercurio.
En este caso hay dos elementos que emiten luz: Mecurio y Fosforo.
Los fluorescentes funcionan al calentar gas de Mercurio hasta que este brille, lo que a su vez activa la película de fósforo que cubre el interior del vidrio.
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Una pantalla de computadora de escritorio con fondo blanco presenta este espectro de luz. La pantalla de Cristal Líquido de una computadora portátil muestra un espectro diferente.
Cazando espectros Ahora puedes ir a buscar diferentes tipos de luz.
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SODIO - Tal vez en tu barrio la iluminación pública es de sodio (amarilla). Te gustará mucho este espectro que muestra muchas líneas brillantes y separadas (discretas). Verás aquí unas líneas amarillas características del Sodio y también la línea verde indicadora de Mercurio.
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NEON - En una regleta eléctrica normalmente se encuentra un control de apagar y prender que emite luz roja (un bombillito de Neón). Inspecciónala con tu espectroscopio. Encontrarás muchas líneas espectrales discretas y brillantes en rojo y anaranjado. También puedes salir a ver los rótulos de “Neón” de los anuncios. Cuando no son rojos, aunque la gente los llama neones, contienen otros gases, tales como argón y otros.
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SOL- NO LO VEAS DIRECTAMENTE. Para ver su espectro nada más tienes que apuntar hacia una superficie blanca iluminada. El espectro que encontrarás es continuo, ya que es generado por un gas incandescente.
Elementos necesarios: •
La caja de cereal.
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Cinta adhesiva plateada “duck tape”.
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Papel encerado, un pedazo pequeño de 10 x 10 cm.
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Una tachuela
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Un día muy soleado, una vela encendida o bombillos fuertes.
Instrucciones para armarlo 1.
Abre la caja completamente y despégala con cuidado.
2.
Toma un lado, que incluye un lateral y un frente para hacer un prisma de base cuadrada. Cierra el lateral con cinta adhesiva.
3.
Ahora toma el otro lado y haz el segundo prisma. Cuando lo cierres, trata de que quede más grande que el anterior, para que puedas meter cómodamente uno en otro.
4.
El prisma más pequeño tendrá en el fondo una ventana, que deberás cubrir con papel encerado. El otro extremo quedará abierto para que puedas ver a través de él.
5.
El prisma más grande tendrá una ventana de observación abierta y el otro extremo debe cerrarse cuidadosamente para que no entre luz. Cubre los agujeros con cinta adhesiva opaca, como duct tape.
6.
Luego hazle un agujero al centro con una tachuela.
7.
Ahora inserta el prisma pequeño en el grande, con cuidado de no romper el papel encerado. ¡Tu instrumento está listo!
Practica con tu cámara oscura Sirve para ver objetos muy bien iluminados o que generen luz. NUNCA VEAS EL SOL DIRECTAMENTE, TE PUEDES DAÑAR LOS OJOS. En exteriores, colócate en una sombra y observa una persona que se encuentre al sol. También en tu casa o de noche, puedes ver la llama sobre una candela o los bombillos de luz. Enfoque El prisma interno puede moverse para atrás y para adelante, con lo cual cambia de tamaño la imagen en la pantalla de papel encerado.
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Posibles errores Si el instrumento no te funciona, revisa lo siguiente:
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Cierra cualquier otro agujero que deje entrar luz. Se necesita de un objeto muy iluminado. Para tener más contraste en la pantalla de papel encerado, debes ponerte a la sombra.
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Si haces un agujero más grande, entrará más luz, pero la imagen será menos nítida.
¿Cómo funciona una cámara oscura? Verás que las imágenes que ves en tu cámara están invertidas. ¿Por qué? El huequito que hiciste en la caja externa deja pasar muy poca luminosidad. La luz viaja en línea recta. Imagínate un rayo que viene de la base de este bombillo. Como viaja en línea recta, para entrar por el huequito se proyecta hasta pegar en la parte superior de la pantalla. Lo opuesto pasa en el rayo de luz que inicia en la parte superior del bombillo. Este se proyecta y pasa a través del huequito, siguiendo en línea recta hasta llegar a la base de la pantalla. Como resultado de un sinnúmero de rayos que pasan por este huequito, la imagen es proyectada al revés en la pantalla.
Historia La historia cuenta que los antiguos griegos utilizaban la cámara oscura para observar la naturaleza y hacer experimentos. Observaban los efectos de la luz. Uno de ellos, el filósofo Aristóteles (384 a.C. - 322 a.C.), propuso que los elementos que constituían la luz se trasladaban (con un movimiento ondulatorio) desde los objetos hasta el ojo del observador. Para comprobar su hipótesis, construyó una cámara oscura, que describió así: "Se hace pasar la luz a través de un pequeño agujero hecho en un cuarto cerrado por todos sus lados. En la pared opuesta al agujero, se formará la imagen de lo que se encuentre enfrente". Como resultado, se generó mucho interés en el instrumento, que con el tiempo se perfeccionó y se le añadieron otros elementos. Tiempo después, algunos artistas de los siglos XVI y XVII, como el holandés Johannes Vermeer, las utilizaron como ayuda para hacer sus bocetos y pinturas. También fue esta el principio de la cámara fotográfica.
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