Mapa web
Youtube
Campus UNED

"A velocidade da luz é moitísima!" 

11 de mayo de 2023

Escolares de catro colexios de Ourense e Pereiro gozaron co obradoiro científico da UNED, que lles presentou o Kit de Fresnel, unha proposta con 34 experimentos de óptica para aprender e divertirse coa ciencia estudando o comportamento da luz.

OURENSE, 11 de maio de 2023."Que é a luz?", preguntou o doutor Manuel Pancorbo Castro aos mozos. "É unha forma de enerxía" contestou unha alumna do IES 12 de Outubro. "É algo lunimoso", respostou outro neno do Virxe de Covadonga. Pero esa resposta necesita máis datos para seren correctas e así todos os alumnos souberon que a luz é unha enerxía que se propaga e percíbese polo noso sentido da vista, que producen e emiten algúns materiais ou obxectos aos que chamamos fontes luminosas. Puideron ver e entender, a través do Kit de Fresnel, como a luz se propaga en forma de ondas a través do espazo. "Só as fontes luminosas emiten luz propia, o resto das cousas reflicten a luz que reciben das fontes", dixéronlles os físicos da UNED. A sesión ía in crescendo en interese. Así se viviron dúas xornadas nos centros IES 12 de Outubro, Guillelme Brown, Miraflores e Virxe de Covadonga coñecendo os seus escolares os segredos da óptica.

Os físicos da Facultade de Ciencias da UNED acenderon unha lámpada e mostraron que emite luz en case todas as direccións. Igualmente mostraron diferentes tipos de fontes luminosas (lámpada de filamento, diodo LED, punteiro láser). A luz propágase a través do espazo como unha onda, parecido ás ondas do mar e aínda máis parecido ás ondas de radio. A luz, as ondas de radio, as ondas de televisión, os raios X… son ondas da mesma familia, pero delas só detectamos cos nosos sentidos a luz. O son non pertence a esta familia.

Normalmente, a forma dunha onda luminosa mostra crestas e a separación entre as “crestas” da onda denomínase lonxitude de onda e está relacionada coa cor da luz (maior separación para a luz vermella, menor para a luz violeta e separacións intermedias para o resto de cores). 

Manuel Pancorbo e Juan Pedro Sánchez, comezando o obradoiro cos estudantes do colexio Miraflores, presentándolles o Kit de Fresnel.

Nos catro centros escolares hai un nivel moi aceptable dos seus estudantes como se demostra nas respostas que deron ás preguntas formuladas polos científicos. Mais ás veces non reteñen ben datos como o da velocidade da luz. En xeral sábeno malia que algún dixo no MIraflores: "Segundo un libro que lin a velocidade da luz é de 200.000 kilómetrs por segundo", mentres outro soltou: "Eu lin noutro libro que é de tres millóns de kilómetros por segundo". Ao final, entre ambos os dous, estaba a solución: 300.000 kilómetros por segundo. No Virxe de Covadonga tamén acertaron mais un neno respostou ao principio que a velocidade da luz é "moitísima". Estes detalles poñen a nota simpática na aula, onde todos respoatan e entre todos aprenden cos científicos, que son moi divulgativos.

A velocidade á que viaxan as ondas luminosas é moi grande (a luz percorre a distancia Terra-Lúa en pouco máis de 1 segundo e a distancia Terra-Sol en pouco máis de 8 minutos, datos que todos os rapaces acertaron. Cando se lles preguntou o tempo que tardaríamos en chegar ao Sol se poidésemos viaxar nun coche a 100 kilómetros por hora, un estudante indicou que se tardaría "unha hora". Bendito despiste pois se fose posible, tardaríamos 171 anos en chegar ao Sol e 160 días en chegar á Lúa. Son exemplos que axudan a entender o que se explica. 

Só as fontes luminosas emiten luz propia, o resto das cousas reflicten a luz que reciben das fontes (por exemplo: unha cadeira, unha mesa, un libro…). Así o explicaba o doutor Juan Pedro Sánchez Fernández.

Realizando un experimento óptico que engaiolou aos escolares dos catro colexios ourensáns que participaron nesta nova experiencia científica da UNED.

Os relatores preguntaron aos escolares cantas imaxes nunha diapositiva eran fontes luminosas. O eran todas menos a Lúa e uns arbustos que recibían a luz dun farol. En xeral acertaron moi ben malia que nalgunha sala houbo que pedir que levantaran a man quenes crían que a Lúa é fonte de luz e despois quenes crían que non o é. Había máis mans levantadas na segunda opción. Recordóuselles que o sentido da vista permítenos percibir a luz emitida polas fontes e a reflectida polos obxectos, por iso podemos velos. Pero só vemos a luz cando chega aos nosos ollos, non mentres se propaga.

Os estudantes aprenderon a medir o tamaño dun glóbulo vermello dunha mostra de sangue grazas á difracción da luz. O círculo que miden é a proxección do glóbulo cuzo tamaño é menor dun milímetro.

A luz branca

Os dous físicos da UNED acenderon unha lanterna e preguntaron aos estudantes de que cor era a luz da lanterna. Esta emitía luz branca. “A luz branca, tanto da lanterna como de calquera outra fonte, en realidade está composta por luz de todas as cores. Percibímola branca cando todas as cores están xuntos, pero podemos separalos para comprobalo, como agora veremos. Foi Isaac Newton, un científico inglés dos séculos XVII-XVIII, quen descubriu isto”, sinalou Juan Pedro Sánchez. 

Pedindo un voluntario fíxose a proba de separar as cores do proxector cun prisma. O escolar recompúxoos cunha lente e comprobou o resultado de restar parte das cores. Tamén se poden separar as cores cun CD.

Os nenos do Virxe de Covadonga gozaron co obradoiro científico que lles sorprendeu para ben.

O seguinte paso foi estudar a cor. E a pregunta: "E de que cor son as cousas que non emiten luz propia?" Pancorbo e Sánchez foron explicando que “debido a que vemos as cousas grazas á luz das fontes luminosas, a súa cor dependerá da luz coa que sexan iluminadas. Pero tamén dependerá das súas propiedades. Moitas substancias ou materiais conteñen pigmentos que absorben luz de determinadas cores; entón, os obxectos só reflicten as cores non absorbidas. Se o obxecto iluminouse con luz branca, a suma das cores reflectidas é a que produce o ton que normalmente percibimos. Pero se iluminamos con outra luz a percepción final pode cambiar”, explicaron os científicos. Ao demostrar esta teoría, saíu outro escolar voluntario que se puxo unhas lentes vermellas e outro unhas verdes. Ensinábanselles diferentes rotuladores de cores e pedíuselles que sinalasen o dalgunha cor que queiramos. Especialmente ao usar as lentes vermellas fallaron bastante as cores.

Unha das probas máis vistosas era a da descomposición da luz branca nas sete cores.

A sesión continuou mostrando outros experimentos do kit de Fresnel. Agora tocáballe ao láser. “Existe un tipo de luz moi especial: a luz láser. No kit ides utilizar este tipo de luz nalgúns experimentos. Unha das propiedades que a fai tan especial é a súa monocromaticidad, que significa que é luz dunha cor moi pura, non está mesturada con outras cores, como a luz branca”, explicaba Manuel Pancorbo, quen lles mostrou tres láseres, un vermello, outro con luz verde e un terceiro con luz azul. Os escolares souberon que outra propiedade importante da luz do láser é a súa direccionalidade, que significa que toda a luz propágase na mesma dirección, normalmente nun único raio moi estreito (non como as lámpadas, que emiten luz en case todas as direccións)”. 

 Manuel Pancorbo mostra unha praca fosforescente na que se ve a man dunha nena rodeada de luz que quedou retida na praca.

Juan Pedro Sánchez advertiulles do coidado que deben ter sempre ao utilizar luz láser, pois é moi intensa. Díxolles que non apunten nunca aos seus propios ollos nin aos doutras persoas nin mascotas, pois poden provocar cegueira. Sempre debedes utilizar lentes de protección, como as que incluímos no kit”. Ao observar outras formas de emisión de luz, os escolares dos catro colexios, unha vez vistos algúns tipos de fontes luminosas, souberon que o mecanismo que fai que emitan luz pode ser diferente para cada fonte e en moitos casos eses mecanismos tamén producen calor, ademais de luz (como no caso dunha chama, o Sol, unha lámpada…).

Todos viron como a luz branca, ao pasar por un prisma transparente, descomponse en cores. O científico foi eliminando cores cunha regra de xeito que a imaxe sobre a parede era só azul, só vermella, só amarela. Ao quitar o prisma, o reflexo proxectado na parede era branco.

Pero hai outros mecanismos nos que non se produce apenas calor, por iso ás veces dicimos que producen “luz fría”. Dous destes mecanismos son a fluorescencia e a fosforescencia. Son mecanismos polos que algunhas substancias “locen” cando son iluminadas con luz ultravioleta. No caso da fluorescencia só locen mentres están a ser iluminadas, mentres que no caso da fosforescencia as substancias continúan lucindo durante certo tempo tras deixar de ser iluminadas. Á hora de comprobar isto, pediuse a unha alumna que iluminase con luz UV diferentes pezas de cores fluorescentes.

Poñéndose unhas lentes, o escolar escribe algo con láser azul nunha pantalla fluorescente.

Os nenos comprobaron que un cable de fibra óptica pódese enviar luz desde un cabo ata o outro. É o principio do funcionamento dos vídeos que vemos na Rede, por exemplo, dependendo da velocidade á que se envíe o sinal lumínico.

Como se propaga a luz? 

Dado que a luz propágase en todas direccións como unha onda, un dos relatores acendeu unha lámpada incandescente e meteuna logo nun tubo. “Pero se introducimos a lámpada nun tubo (similar a unha lanterna) a luz só sae polo extremo do tubo e temos entón un feixe de luz (poucas direccións de propagación). Se colocamos unha pantalla opaca cun pequeno buraco temos entón un feixe de luz moi estreito que chamamos raio de luz (unha única dirección de propagación)”, explicou Juan Pedro Sánchez.

Así se dixo aos estudantes que podemos entón imaxinar a emisión dunha lámpada como composta de moitos raios emitidos en diferentes direccións. En xeral, os raios de luz propáganse en liña recta. Baseándose nisto, un científico árabe do século X chamado Alhacén inventou hai 1.000 anos un dispositivo moi sinxelo capaz de formar imaxes cun simple buraco: a cámara escura. Para comprobar o efecto desta, pediuse a un neno que colocase unha pantalla traslúcida á saída dun buraco da caixa negra e os demais nenos tiñan que dicir que vían ao acenderse a lámpada encerrada na caixa. Despois retirouse a caixa comprobando o investimento da imaxe.

Reflexión e refracción da luz 

Hai algúns medios que son transparentes, permiten que a luz os atravese, aínda que en cada medio faio con maior ou menor dificultade. Os medios teñen unha propiedade chamada densidade óptica ou índice de refracción que vén ser a resistencia que o medio opón ao paso da luz a través del. Esta propiedade afectará á velocidade de propagación da luz a través do medio e tamén á dirección que seguirá a luz cando se atope outro medio. 

En xeral, cando un raio de luz atópase unha superficie que separa dous medios diferentes, unha parte da luz reflíctese e volve ao primeiro medio (raio reflectido) e o resto da luz pasa ao segundo medio sufrindo una certa desviación (raio refractado). Esta desviación pode ser maior ou menor dependendo dos índices de refracción de ambos os medios. As primeiras explicacións científicas deste comportamento da luz foron dadas no século XVII por científicos como Snel ou Newton. A demostración disto consistiu en contar con outro escolar para que incidise cun láser difractado na superficie de separación aire-auga nunha cubeta variando o ángulo de incidencia. Identificáronse os 3 raios. Incidiuse despois en sentido contrario por abaixo (auga-aire) observando o que sucede co ángulo de refracción e coa reflexión interna. 

Reflexión e refracción da luz (reflexión total interna)

Cando a luz incide na superficie de separación desde o interior do medio máis denso, existe un ángulo crítico a partir do cal se produce a reflexión total e dita superficie compórtase como un espello perfecto. Isto demostrouse conseguindo reflexións múltiples na interior da auga (apuntado desde o lado). Despois, tods viron como se introduciu un raio nunha fibra óptica xerando un sinal codificado.

Elementos ópticos 

Agora que todos sabían como se comporta a luz na reflexión e a refracción, o seguinte era coñecer os elementos ópticos máis básicos, como os espellos, os prismas ou as lentes. Trátase de sistemas ópticos elementais formados por superficies reflectoras e refractoras e que serven para construír instrumentos ópticos (como lentes, prismáticos, microscopios, telescopios…).

  • ESPELLOS: Poden ser planos ou curvos e son capaces de formar imaxes por reflexión dos raios.
  • PRISMAS: Poden ter diversas formas e son capaces de separar as cores da luz por refracción dos raios (como xa se viu). 
  • LENTES: Poden ser converxentes (concentran os raios) ou diverxentes (separan os raios) e son capaces de formar imaxes por refracción dos raios. Aquí o experimento consistiu en comprobar a formación da imaxe dunha lanterna de leds por un espello parabólico e tentando facer daquela o mesmo cun espello plano. Igualmente comprobouse a formación da imaxe dunha lanterna de leds por unha lente converxente (lupa) e probouse a enfocar a imaxe a dúas distancias. 

Un voluntario do IES 12 de Outubro axudando a probar a polarización da luz, con dúas pracas de modo que se as dúas están na mesma posición, deixan ver a cara do neno, pero si a segunda se cambia de posición, entón non permite ver imaxe algunha.

Fenómenos luminosos: polarización da luz

De seguido os escolares dos catro colexios ourensáns viron algunhas propiedades da luz ou fenómenos luminosos máis complexos.

  •  A polarización da luz é unha propiedade especial das ondas luminosas.
  •  A birrefrinxencia ou dobre refracción é unha propiedade dalgúns materiais que afecta á polarización da luz que os atravese. 

Para comprobar isto un neno colocouse un polarizador grande diante da cara e rotou un segundo polarizador para ocultar o seu rostro aos outros nenos. A outra demostración práctica consistiu en que o alumno introduciu entre dous polarizadores unha placa de metacrilato con anacos pegados de papel celo e rotounos.

Fenómenos luminosos: difracción da luz 

Outro fenómeno luminoso moi interesante explicado e demostrado aos escolares é a difracción da luz. A difracción é unha desviación dos raios cando a luz atópase cun buraco ou cun obstáculo pequeno. Como consecuencia destas desviacións xéranse figuras ou patróns de difracción. Este fenómeno é distinto á reflexión ou á refracción. As desviacións dos raios por difracción son diferentes para cada cor da luz e tamén dependen do tamaño do obstáculo. No caso do CD permitíalles descompoñer a luz branca e formar o arco da vella.

Difracción por un glóbulo vermello 

Baseándonos no fenómeno da difracción da luz podemos deducir o tamaño de obxectos microscópicos, difíciles de medir doutra maneira. Para iso, basta analizar o patrón de difracción que producen. E puxéronse a probar cun glóbulo vermello. Así, un voluntario xerou o patrón de difracción, mediu as distancias L e D e calculou a determinación do tamaño do glóbulo vermello (entre 7 e 8 micras). Para usar a fórmula mostrada: diámetro glóbulo vermello (micras)= 130xD(m)/L(cm) debe usarse o láser verde (532 nanómetros). Se se usa o láser vermello (650 nanómetros) ou o láser azul (405 nanómetros), a cifra 130 da fórmula debe substituírse por 98,75 ou 158,5, respectivamente. 

O ollo humán

Este obradoiro da UNED permite tamén coñecer o funcionamento do ollo humano, que se comprende ben cando se sabe que é unha lente, pois o cristalino é unha lente situada á entrada do ollo que forma as imaxes dos obxectos do exterior na retina, o fondo do ollo. 

No kit hai unha plantilla co debuxo dun ollo humán e co xogo de lentes pódese comprobar o seu funcionamento e os posibles fallos que poden producirse na visión (miopía, enfocamos antes, hipermetropía, enfocamos despois,…). Ademais das dúas citadas anteriormente (miopía e hipermetropía) existen outras dificultades na visión que se analizan nalgúns experimentos do kit. Por exemplo, hai persoas que teñen algunha dificultade para distinguir ben as cores; isto chámase daltonismo. Para detectalo pódese facer algún test como o da diapositiva mostrada.

Os estudantes do Guillelme Brown tamén aprenderon moitos conceptos co obradoiro dos experimentos que afianzaban a teoría do Kit de Fresnel.

Ilusións ópticas

No proceso da visión actúan tanto os ollos, que captan a luz e forman as imaxes das cousas, como o cerebro, que procesa esas imaxes. Pero hai figuras que enganan ao sistema visual, chamámolas ilusións ópticas. Estas poden producir distintos tipos de confusión. Viron os presentes como se pode producir o movemento de imaxes estáticas, xa sexa un cabalo ou dúas torcas.

O obradoiro científico finalizou cun acto sorprendente para os rapaces. Os físicos mostráronlles un tarro de cristal transparente, aparentemente cheo de auga. Un neno achegouse para probar que había dentro. Sacou unhas bolitas de hidrogel só visibles ao extraelas do interior do tarro. ”Maxia ou Ciencia?”, preguntaba Juan Pedro Sánchez. “Ciencia!!” gritaban os escolares.

Outra proba permitiu recoñecer rotuladores de cores usando gafas verdes e logo gafas vermellas para confirmar que as cousas vense distintas segundo a luz que reciban.

Un kit especial

O kit de Fresnel, propiedade da UNED, é un medio importante para que en cada centro os alumnos, cos seus profesores de física, poidan executar estes e máis experimentos, sempre co control do profesor, para evitar accidentes. Contén dous libros, un sinxelo e outro avanzado. Co libro sinxelo de poden abordar 15 experimentos e co avanzado, outros 19. En total este kit da UNED permite realizar 34 probas prácticas de óptica distintas. 

O Kit de Fresnel é un proxecto divulgativo de rigor científico da UNED moi aprezado en todos os lugares de España onde se presenta.

É conveniente destacar que algúns dos experimentos do Kit de Fresnel requiren certa destreza e os menores deben ser axudados en todo momento por un adulto. Algúns compoñentes do kit son fráxiles e poden romper se son golpeados ou caen ao chan. As lentes e os espellos deben ser tratados con delicadeza para evitar que poidan romper ou simplemente rabuñarse. Convén que as súas superficies estean sempre limpas e libres de marcas ou raiaduras. 

O kit contén 34 experimentos nun nivel básico e noutro máis avanzado. Cada colexio recibiu ún.

Este kit non é axeitado para nenos menores de 6 anos. Para idades comprendidas entre os 6 e 12 anos recoméndase a supervisión dun adulto. Todas as normas de seguridade deben ser tidas en conta en todo momento. Deberán ser explicadas ou lembradas aos nenos polo adulto supervisor, se iso fose preciso.

A caixa de experimentos con luz Kit de Fresnel vén do proxecto Óptica recreativa, do cole a casa, realizado por profesores do Departamento de Física Interdisciplinar da Facultade de Ciencias da UNED, en colaboración coa asociación ColArte en Madrid e a Axencia Grupo Escuadra Comunicación, e financiado pola Fundación Española para a Ciencia e a Tecnoloxía (FECYT), Ref.: FCT-21-17443, e por UNED50. Tamén conta co apoio do Vicerreitorado de Investigación, Transferencia do Coñecemento e Divulgación Científia da UNED.

Así se fixo en Ourense o fomento do interese pola Ciencia entre nenos e mozos dos catro centros educativos que se sumaron á iniciativa científica da UNED. "Estou moi agradecido, e comigo a UNED, aos equipos directivos dos catro centros. Os seus alumnos puideron vivir unha experiencia de nivel, que lles permitiu aprender conceptos novos ou reforzar algúns. E sobre todo experimentalos. Aquí entroulles polos ollos, nunca mellor devandito. Estas cousas só pode facelas desta maneira a UNED, grazas a este segundo kit que leva o nome de Fresnel e que segue ao primeiro, o kit de Faraday, dedicado ao electromagnetismo, xa celebrado en Ourense", dixo o director de UNED Ourense, doctor Jesús Manuel García Díaz.

UNED Ourense

Comunicación

Carretera de Vigo Torres do Pino  s/n Baixo 32001 Ourense - . Tel. 988371444 info@ourense.uned.es