Mezcla de Luces de Colores (IYL2015 -Óptica10)

Ya hemos investigado como la “luz blanca” proveniente del Sol, es en realidad una mezcla continua de longitudes de onda desde 400 nm  (violeta) hasta 700 nm (rojo), aproximadamente, lo que llamamos el espectro visible.

Lea en este blog:
Dispersión de la luz por un prisma (IYL2015- Óptica5) .
Espectroscopio (IYL2015 –Óptica9) .
También se ha investigado como un medio dispersor (prisma, red de difracción, gases de la atmósfera, gotas de agua), pueden separar esa mezcla, produciendo un “arcoíris”.
La medición y el análisis del espectro particular de una determinada fuente de luz, se utiliza para investigar su naturaleza física y química.

• ¿Podemos invertir el proceso?, es decir, ¿se puede obtener luz blanca a partir de un conjunto de luces de colores?
  La respuesta es sí.

  

• Se puede lograr con un conjunto mínimo de tres colores básicos, si se usan en proporciones adecuadas en cuanto a su intensidad y longitud de onda (o frecuencia).

• El conjunto que más se usa como los tres colores básicos es el azul (450 a 500 nm), el verde (500 a 570 nm) y el rojo (610 a 700 nm), esto porque están suficientemente espaciados entre sí, y se puede lograr con ellos una luz casi blanca sobre una superficie, si se ilumina con proporciones iguales de cada color.

• ¿Cómo se producen fuentes artificiales de luces de esos tres colores?

  Se pueden usar bombillos incandescentes y tubos fluorescentes, que producen una luz aceptada como blanca y pasándola por un “filtro de color” que estaría en el vidrio. Este filtro transmite preferentemente el color elegido y absorbe en buena cantidad los otros colores (llamados complementarios).
  En el comercio se consiguen filtros de color de muy buena calidad, pero usted puede hacer unos usando papel celofán para cubrir la lámpara de una linterna portátil, por ejemplo (¡cuidado con el calentamiento!). En ferreterías se consigan fluorescentes compactos de los tres colores.
  

  Para motivar a sus estudiantes, el docente puede construir un el equipo básico: los tres plafones atornillados a una tabla (plywood) con la conexión eléctrica (¡en paralelo!).  Además un texto básico y varias preguntas, para compartir con la clase.

  Objetivo: Construir un soporte para colocar tres fuentes luminosas de color, iluminar una pantalla (preferiblemente blanca) e investigar el comportamiento de luz y sombras y la adición de colores.

  

  
  Materiales: Tres plafones pequeños (¢700 c/u) y tornillos, regla de madera, un trozo de cable eléctrico, tres bombillos, fluorescentes compactos (¢5000 c/u), o “led” (rojo, verde, azul), enchufe, herramientas caseras, pantalla o pared blanca. Opcional: regleta, extensión eléctrica, pantallas (cartones) pintadas de diferentes colores.
  ¿Qué hacer?:

1. Arme apropiadamente la parte mecánica y eléctrica (!plafones -en paralelo-, cuidado!). Coloque los bombillos a unos 50 cm de una pantalla blanca.

   

   
   !Esta observación requiere hacerse en un aula que se pueda obscurecer, o realizarla durante la noche!
   Disfrute e investigue.
   Mantenga las variables controladas, para analizar sus efectos.  

2. Coloque un obstáculo (!su mano!) que produzca sombra sobre la pantalla. ¿Qué sucede?

3. Tape, o desconecte uno, o dos bombillos. ¿Cómo cambian las sombras y el fondo (pantalla)?

4. Cambie a una pantalla de color (siempre blancusco) y repita.

5. Si puede independice los bombillos (orden, distancia, intensidad de la corriente eléctrica) – tenga cuidado-.
   Investigue.

Referencias adicionales:

http://en.wikipedia.org/wiki/Additive_color .

http://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_model .
http://www.webexhibits.org/causesofcolor/1BE.html .
http://www.physicsclassroom.com/class/light/Lesson-2/Color-Addition .

Espectroscopio (IYL2015 –Óptica9)

La dispersión de la luz, permite separar la luz de una fuente luminosa en sus componentes para analizarla, porque permite ver ámbitos de “longitud de onda”, de “frecuencia”, o de “energía”.

• Los objetos dispersores más conocidos son los prismas, como el que usamos en la entrada (IYL2015 –Óptica5) Dispersión de la Luz por un Prisma.
  Las pequeñas gotitas de agua suspendidas en una nube o formadas cuidadosamente por el aspersor de una manguera, cuyo efecto usted ha visto en los arcoíris, son también objetos dispersores de la luz. 
• Otro dispersor es la “rejilla de difracción” que puede usarse con luz transmitida (atraviesa del objeto), como se usa en la mayoría de los espectroscopios modernos, o con luz reflejada, como lo hace un “CD” o un “DVD”.
• Un espectroscopio es entonces un instrumento para formar y examinar un espectro luminoso, especialmente en la región visible (del rojo al violeta), del espectro electromagnético. 
• Una red de difracción es en esencia un material (algún tipo de plástico), con un rayado microscópico en su superficie, que produce difracción. 
  La difracción de la luz desvía las longitudes de onda largas (rojo), más que las longitudes de onda cortas (violeta) y como cada longitud de onda en esta región, está asociada a un color diferente, vemos entonces un espectro. 
• La difracción de la luz es una prueba más de la naturaleza ondulatoria de la luz, aunque también sabemos que se comporta como partícula (fotones). Lea en mi blog: “La luz; onda o partícula”.
  
•  El espectroscopio nos permite visualizar, cuales longitudes de onda están presentes en la luz que emite una fuente y además tener una idea de su brillo y porcentaje de presencia. 
• En el primer párrafo de esta entrada hablamos de “longitud de onda (λ)”, “frecuencia (f)” y “energía (E) ”. No son sinónimos y mucho menos conceptos equivalentes, pero en el caso de la luz, están estrictamente relacionados por las ecuación: c = λ f  y E = h f.
  Donde c = 299 792 458 m/s es la velocidad de la luz  en el vacío y
  h=  6,626 x 10^-34 joule segundo es la constante de Planck.

Para motivar a sus estudiantes, el docente puede construir un espectroscopio con una red de difracción y preparar un material como el de la figura; una cartulina  con un texto básico y varias preguntas, para compartir con la clase.

Objetivo: Observar espectros luminosos (“arcoíris”) de varias fuentes luminosas.
Materiales: Red de difracción (Edmund Scientifics), tubo de cartón de unos 20 cm de largo y 3 cm de diámetro (puede ser diferente), lámina de lata de refresco para construir una rendija de 0,1 mm de ancho (también puede hacerla con dos bordes de navaja de afeitar), cúter, tijera, cinta engomada, lápiz.
En una próxima entrada, construiremos un espectroscopio, usando un CD en vez de la red de difracción usada aquí.

¿Qué hacer?:

1. Pinte de negro el interior del tubo de cartón (no es estrictamente necesario). 
2. Corte dos discos de lámina metálica, con un diámetro un poco mayor que el del tubo. 
3. Con mucho cuidado corte uno de ellos por el diámetro (corte recto y limpio).
   Péguelos a un extremo del tubo, de tal manera que queden separados 0,1 mm, para construir la rendija. Solo a través de la rendija entrará la luz al espectroscopio. 
4. Corte un cuadrado de 1 cm de lado de red de difracción (es un material costoso y no muy fácil de adquirir).
   En el otro disco metálico, corte un cuadrado un poco menor que la red de difracción que usará.
   Cierre esta abertura con la red de difracción.
   Pegue este disco al otro extremo del tubo (la red por dentro). Solo saldrá luz del espectroscopio, hacia su ojo, por la red de difracción.

Ya está. Observe fuentes luminosas colocando su ojo por el extremo del espectroscopio que tiene la red de difracción.
Nunca mire hacia el Sol.

• Describa lo que observa. 
• ¿Cuáles colores, en qué orden? 
• ¿Cambian los colores del espectro de una fuente a otra (bombillo incandescente, llama de candela o de gas, fluorescente, “led”, bombillos de alumbrado público, etc?

Referencias adicionales:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/grating.html#c2 ,
http://www.trentu.ca/physics/prosundergrad_diffraction.php ,
http://www.kshitij-iitjee.com/diffraction-grating

Retrorreflector -Ojo de gato bidimensional- (IYL2015- Óptica8)

Usted ya ha investigado y conoce la ley de la Reflexión de la luz (IYL2015-Óptica1) y comprende bien las características de la imagen formada por un espejo plano.

• Si coloca dos espejos planos en ángulo recto y envía un rayo luminoso a uno de ellos (1), de tal manera que la continuación del rayo reflejado en el primer espejo, también incida sobre el segundo espejo (2), el rayo final que emerge del sistema (3), se refleja de la siguiente manera:
  a) Es anti paralelo al primer rayo, esto es, el rayo luminoso se desvía 180°.
  b) El rayo se traslada  una cierta distancia: Δh, que depende del ángulo de incidencia y de la distancia del punto de incidencia al vértice de los dos espejos. Puede calcularse fácilmente usando simples relaciones trigonométricas.

Para motivar a sus estudiantes, el docente puede preparar un material como el de la figura; una cartulina con el ojo de gato, un rayo luminoso dibujado y varias preguntas, para compartir con la clase.

Objetivo: Observar y probar (con matemática), la desviación y la traslación de un rayo luminoso que se refleja en un retrorreflector.
Materiales: Dos espejo pequeños, cartón, lápiz,  regla graduada, transportador, pegamento.
¿Qué hacer?:

1. Una con cinta engomada los dos espejos de tal manera que el ángulo entre ellos sea 90° (IYL2015-Óptica2). Péguelos a una lámina de cartón.
2. Realice la experiencia.
   a) Trace una recta hacia el primer espejo, con un ángulo de incidencia de 60°, por ejemplo. Observe como sale el rayo trasladado desde el segundo espejo.
   b) O simplmente coloque un lápiz en el cartón, apuntando hacia un espejo.
3. Varía la distancia del punto de incidencia del rayo respecto al punto donde se unen los espejos (x). Observe como cambia la "traslación del rayo". 
4. Haga un diagrama a escala real de la situación y usando geometría y trigonometría básica:
   
   a) Demuestre que el rayo inicial (1) y el final (3), son paralelos.
   b) Derive la fórmula para calcular el desplazamiento: Δh = x (sen 2θ).
5. Suponga que envía el rayo (1) a 5,0 cm del vértice, con un ángulo de incidencia de 72°. Calcule el valor de la traslación Δh.
   Compruebe su solución observando.

• Opcional. Use un puntero láser (de bajo potencia) y observe la trayectoria completa del rayo luminoso, desde arriba. 



Retrorreflector en la superficie lunar.

• La trayectoria que sigue una bola de billar que pega en dos bandas de una mesa de billar, sufre una “reflexión” análoga.
• ¿Cómo estaría construido un "ojo de gato tridimensional"?
  Haga uno. 
• Investigue como están hechos los “ojos de gato” que se colocan en las carreteras 
• Sabía que los astronautas del Apollo 11, 14 y 15, dejaron un retrorreflector en la Luna, que se utiliza para monitorear la distancia Tierra-Luna, midiendo el tiempo que un haz de luz láser tarda en ir y venir.

Cámara oscura (IYL2015- Óptica7)

Una cámara oscura es una caja cerrada a prueba de luz con un pequeño agujero al frente.

Es como una cámara fotográfica, sin la lente, pero en su lugar hay un pequeño agujero, por donde tienen que pasar todos los rayos luminosos, que forman la imagen en la pantalla.

• Los rayos luminosos  provenientes de una fuente luminosa, o una escena bien iluminada, pasan a través del agujero de la cámara y proyectan una imagen en el lado opuesto de la cámara. 
• ¿Es esta imagen virtual (como en los espejos planos), o real? 
• ¿Es su ojo una especie de cámara oscura (¡mucho más compleja!)?

Para motivar a sus estudiantes, el docente puede preparar un material como el de la figura; una cartulina con algunas explicaciones, varias preguntas y una cámara oscura, todo para compartir con la clase.

• Objetivo: Construir una cámara oscura y utilizarla para observar fuentes luminosas o paisajes fuertemente iluminados. Describir la formación de la imagen, sus características y la analogía con el ojo humano y la cámara fotográfica.

• Materiales: Cartón corrugado o tubo de desecho (2 cajas de leche -pintarlas porque son translúcidas-), papel pergamino (papel cebolla, o papel encerado), cinta engomada, pegamento corriente, lámina metálica (de envase de refresco), chinche, pintura negra no brillante, brocha angosta.
  
  
• ¿Qué hacer?:

1. Construya la cámara oscura con un tubo de cartón de 30 cm de largo y 5,0 cm de diámetro, con su interior pintado de negro y córtele una sección de 5,0 cm de largo, (puede usar dos cajas de leche de las angostas). 
2. Recorte una tapa para la sección menor y hágale un  pequeño agujero en el centro.  
3. Corte un pequeño trozo de lámina metálica y, con un chinche hágale un agujero de unos 0,5 mm de diámetro en el centro.
   Pegue esta lámina tapando el agujero de la tapa de cartón. 
4. Cierre la sección menor (¡la cámara oscura propiamente dicha!) con la tapa de cartón por un lado y por el otro con papel encerado (o con papel pergamino). 
5. Junte las dos secciones de tal manera que el papel encerado (la pantalla) quede en medio.
   Cierre la abertura de tal manera que no pase la luz por la junta.

Ya está.
Solo dirija la cámara hacia una escena bien iluminada y observe por el lado abierto (arrime bien su ojo y con sus manos evite entradas de luz).

• Describa las características de la imagen formada en la pantalla. 
• ¿Puede ver colores? 
• Investigue el efecto de diferentes tamaños (diámetros) del agujero. 
• Haga una analogía entre esta cámara oscura, con el ojo humano y con la cámara fotográfica.
  Incluya partes y funcionamiento. 
• ¿Qué sucedería si en vez del papel encerado colocara película fotográfica, o un “chip” de cámara digital?