La ciencia de la luz y del color (P.5)

OBJETIVOS

         Los objetivos de esta práctica son experimentar y observar el comportamiento de los rayos de luz al interaccionar con diferentes elementos ópticos, al igual que el comportamiento de la luz cuando atraviesa filtros de colores y el comportamiento de las luces de diferentes colores cuando se juntan.

INSTRUMENTAL

            El instrumental necesario para poder alcanzar esos objetivos es el Hodson Light Bos & Optical Set. Este está compuesto por:

•       Caja de luz con la lente de colimación ajustable para la producción de vigas paralelas y rayos, junto con dos espejos oscilantes para la mezcla de colores.

•       Mundo Spare 12V.30W halógena de cuarzo.

•       Set de 3 formadores rendija doble terminados para formar los rayos a través de habitaciones individuales, dobles, triples y 4 rendijas. Además de una amplia hendidura para la creación de espectros y un espacio en blanco para apagar la luz.

•       Set de filtros de color 8x: Rojo, Verde, azul, Amarillo, Naranja, cian, magenta y violeta.

•       Conjunto de placas de color: mismos colores que el anterior, pero no transparente.

•       Llanura espejo en el stand

•       Espejos curvados, ronda parabólica y medio.

•       Rectangular bloque acrílico 75x50mm L x A

•       Mitad de acrílico redonda diámetro bloque de 75 mm.

•       45 o x45 o x90 o prisma de acrílico

•       60 o x60 o x60 o prisma de acrílico

•       60 o x30 o x90 o prisma de acrílico

•       Lente de acrílico 1x Bi-cóncava 7,5 cm f / l

•       Lentes de acrílico 2x biconvexa. 7,5 cm y 3,75 cm f / l

•       Libro Experimento para la óptica

            

            El día 5 de Mayo realizamos una serie de experiencias con el material mencionado anteriormente.

            Antes de empezar, apagamos las luces y bajamos bastante las persianas para que hubiese oscuridad, ya que sin ella no se apreciarían los resultados de las experiencias. Después colocamos la fuente de luz en la mesa, la enchufamos, colocamos un folio delante de la fuente de luz, también encima de la mesa y regulamos la luz hasta que los haces estaban paralelos.

            Una vez colocado todo esto, comenzamos a experimentar.

LENTES BICÓNVEXA Y BICÓNCAVA

            En primer lugar, colocamos una rejilla de tres canales delante de la fuente de luz y delante de ella, encima del folio, pusimos una lente biconvexa.

            El rayo de luz que entra por el centro de la lente la atraviesa sin modificar su trayectoria. Sin embargo, los otros dos haces de luz que entran en la lente modifican su trayectoria al atravesarla y al salir de ella. Esto hace que los tres rayos de luz se crucen en un punto, llamado foco.

            La distancia desde el final de la lente hasta el foco es de 8 centímetros, y los ángulos de desviación del rayo son de 30º.

            Después decidimos alejar y aproximar la fuente de luz a la lente para comprobar si el foco se desplazaba de sitio, pero no fue así puesto que la distancia del foco depende de la lente y de cómo incida la luz en ella, y no de la fuente de luz. El foco varía en función de la geometría de la lente, puesto que es una característica propia de las lentes. Según la curvatura que tengan, el foco estará más cerca o más lejos de ellas.

            A continuación, retiramos la lente biconvexa y colocamos una lente bicóncava. Al hacer esto comprobamos que, al igual que en el caso anterior, el rayo de luz que entraba por el centro de la lente la atravesaba sin modificar su trayectoria, y los otros dos haces si se modificaban, pero esta vez se desviaban hacia fuera.

             Los ángulos de desviación de los rayos de luz son de 10º.

            Posteriormente, probamos a modificar los ángulos de entrada de los rayos de luz en ambas lentes y comprobamos que todos ellos modificaban su trayectoria. También nos hemos percatado de que los ángulos de desviación que se crean cuando los rayos de luz atraviesan la lente biconvexa son los mismos que se crean al atravesar una lente bicóncava, pero invertidos.

            Ulteriormente, decidimos repetir la experiencia, pero combinando las dos lentes, colocando una a continuación de la otra.

            Al combinar la lente cóncava y la convexa pudimos observar que los efectos que ocurren con los rayos de luz que hemos mencionado anteriormente se suceden y se crea un sistema de foco variado. 

En primer lugar, los rayos de luz atraviesan la lente cóncava y los dos de los extremos se desvían hacia fuera. A continuación entran en la lente convexa. El del centro sigue atravesándola en línea recta, sin cambiar su trayectoria, al igual que por la anterior. Sin embargo, los otros dos rayos entran por los bordes de la lente y al atravesarla se desvían hacia dentro, cruzándose con la del medio.

Al observar eso decidimos variar el ángulo de incidencia de la luz y vimos que se proyectaba un reflejo de los rayos de luz que hacía el efecto contrario. Además, al variar la distancia entre las dos lentes, el foco se desplaza.

Después, decidimos comprobar lo que pasaba si en lugar de esas lentes colocábamos una con forma rectangular. Lo que observamos fue que no ocurría nada, es decir, los tres haces de luz atravesaban la lente y salían de ella con la misma trayectoria que llevaban al entrar en ella. Entonces modificamos los ángulos de entrada de los rayos de luz. En ese momento ocurrió algo muy interesante, los tres rayos de luz se desviaron al atravesar la lente y al salir de ella. Pero además de eso se podían ver seis rayos más que eran producto de la reflexión y la refracción de la luz.

A continuación retiramos esa lente y colocamos una triangular. Al hacer esto vimos que los tres rayos de luz se desviaban y se reflejaban y refractaban en varias direcciones.

REFLEXIÓN

            En cuanto acabamos esto decidimos observar el fenómeno de reflexión. Para ello, cambiamos la rejilla de tres canales por la de uno y pusimos un espejo plano en frente de la fuente de luz. Los espejos planos reflejan en una sola dirección un haz de rayo paralelo.

            A continuación, variamos el ángulo del espejo con respecto al rayo incidente, colocándolo de manera que formaba un ángulo de 130º. El ángulo que se creó entre el haz incidente y el reflejado es de 90º.

Después, colocamos delante de la fuente de luz la lente cóncava y a continuación la lente convexa y le añadimos otro elemento óptico con espejo y forma cóncava comprobamos que los rayos de luz que salen de la segunda lente chocan contra ese elemento óptico haciendo que se reflejen y se desvíen, creando el efecto contrario al que se producía antes de chocar en él.

            Ulteriormente, decidimos sacar la lente cóncava y la convexa, y dejar solo el elemento óptico de espejo y forma cóncava, así como cambiar la rejilla de tres canales por una de dos.

Al hacer esto vimos que, cuando los rayos de luz chocaban con el elemento óptico se reflejaban desviándose hacia el interior de los dos rayos de luz que salían de la fuente de luz, cruzándose justo en el medio de ellos.

INVERSIÓN LATERAL/VERTICAL

Luego cambiamos la rejilla de tres canales por la de cuatro y colocamos un espejo plano, algo inclinado, en frente de la fuente de luz. Después pusimos un filtro rojo delante del primer rayo de luz, y un filtro azul delante del cuarto rayo de luz. Como en esta imagen:

Lo que comprobamos con esto fue que, la posición relativa de los dos rayos de luz cambiaba de posición. Es decir, el rayo rojo se percibía por el lado derecho cuando lo mirabas de frente y provenían de la fuente, pero al chocar con el espejo y mirarlo también de frente, se percibía por el lado izquierdo. Y lo mismo con el rayo azul pero a la inversa. A esto se le llama inversión lateral.

A continuación, colocamos otro espejo a mayores y lo que ocurrió fue que los rayos se volvían a percibir como al principio, puesto que el efecto del primer espejo se invirtió al pasar por el segundo.

Más tarde, se nos planteó una pregunta con respecto a la inversión lateral, que consistía en saber cuál de las siguientes imágenes se obtendría en un espejo si la tarjeta real tenía escrito L --> R.

Nosotras llegamos a la conclusión de que la imagen obtenida sería esta:

DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ

Una vez hecho todo esto, pasamos a descomponer la luz blanca para observar los colores que la componen. Para ello cambiamos la rejilla de tres canales por la de uno, después colocamos delante del haz de luz un prisma de vidrio. En ese momento observamos que del prisma salían siete rayos de luz de diferentes colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, indigo y violeta, es decir, los colores que forman el arco iris.

Después decidimos poner una lente divergente a continuación del prisma para abrir los colores un poco más y apreciarlos mejor. Lo que concluimos es que la luz blanca está compuesta por un espectro de diferentes colores.

COLORES ADITIVOS Y SUSTRATIVOS

            Posteriormente pasamos a utilizar la parte de los espejos de la fuente de luz del set de Hodson y los filtros de colores para realizar una experiencia en la que se demuestre el efecto de los colores aditivos. Para poder observar con mayor claridad lo que iba a ocurrir, colocamos un folio blanco delante del cañón de luz, a unos 20 centímetros aproximadamente.

Una de las cosas que vimos fue que, si tenemos una luz blanca y vamos añadiendo filtros de colores, la luz se vuelve cada vez más oscura. Sin embargo, si se añade más luz, aunque sea de diferentes colores, va a haber una luz cada vez más clara, llegando al blanco.

Pero para llegar a ese blanco, lo primero que hicimos fue abrir una fuente de luz verde y una fuente de luz roja, y al juntarlas vimos que el color resultante era más claro. Después añadimos una fuente de luz azul, y al juntarse las tres obtuvimos la luz blanca.

Los tres colores que empleamos pertenecen a uno de los sistemas de color más usados en la imagen digital, y se llama RGB. Esas siglas significan en inglés Red Green Blue. Este es un modelo de color basado en la síntesis aditiva, con el que es posible representar un color mediante la mezcla por adición de los tres colores de luz primarios. El color aditivo es un fenómeno en el que al adicionar más colores se obtiene más luz, más luminosidad.

En contraposición a esto, está el sistema de color CMY, que es el más usado en los sistemas de impresión. Estas siglas provienen del nombre inglés de los colores primarios de la síntesis sustractiva: Cyan (Cian), Magenta (Magenta) y Yellow (Amarillo). Es un sistema de tricromía.

La mezcla de colores CMY es sustractiva, puesto que la mezcla de cían, magenta y amarillo en fondo blanco resulta en el color negro. Es decir, que los colores sustractivos poseen la característica y el efecto de restar, ya que cuantos más colores se apliquen en una superficie, ésta más se oscurece. Por lo tanto, este modelo se basa en la absorción de la luz. El color que presenta un objeto corresponde a la parte de la luz que incide sobre éste y que no es absorbida por el objeto.

El cian es el opuesto al rojo, lo que significa que actúa como un filtro que absorbe dicho color (-R +G +B). Magenta es el opuesto al verde (+R -G +B) y amarillo el opuesto al azul (+R +G -B).

REFLEXIÓN DIDÁCTICA

¿Crees que esta práctica puede tener interés en la enseñanza infantil?

Creemos que esta práctica puede interesar mucho a los niños y a las niñas de Educación Infantil. Con ella se trabaja con la luz, los colores, la reflexión y las desviaciones que se producen al colocar lentes delante y pensamos que todos esos efectos les llamarían bastante la atención.

Propón un planteamiento didáctico para introducir esta práctica en esta etapa educativa indicando, el instrumental de uso común que usarías.

ATARDECERES CASEROS

Materiales:

• Un vaso de vidrio grande
• Agua
• Una pared blanca
• Una linterna
• 1 cucharadita de leche

Procedimiento:

En primer lugar llenaremos un vaso con agua y lo colocaremos en frente de una pared blanca. Después cogeremos una linterna y dirigiremos el foco de luz a través del vaso. Lo que se verá proyectado en la pared será luz blanca.

A continuación, le añadiremos un poco de leche al agua del vaso. Lo mezclaremos todo muy bien y después volveremos a dirigir el foco de la luz de la linterna a través del líquido del vaso.

Lo que veremos en la pared al hacer esto serán solo los colores anaranjados y rojos. La leche sirve de filtro, por lo que no permite ver todos los colores presentes en la luz blanca. De igual forma, 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.

Valora la actividad que has realizado en su conjunto. ¿Qué has aprendido desde el punto de vista científico? Aporta tus registros de laboratorio y añádele en cada caso una explicación breve de carácter técnico - científico.

Desde el punto de vista científico, hemos aprendido que una lente es un trozo de vidrio capaz de desviar los rayos paralelos de luz. Las superficies de las lentes pueden poseer distintas formas, dando origen a diversos tipos. Aquellas que tienen mayor espesor en el centro que en los bordes se denominan lentes convergentes, y aquellas en que ocurre lo contrario, lentes divergentes. El punto en el que convergen los rayos se llama el foco, y la separación entre la lente y ese punto es la distancia focal.

En las lentes convergentes, los rayos de luz que llegan paralelos al eje óptico, convergen hacia el foco que está del otro lado de la lente.

   

En las divergentes, divergen como si vinieran del foco que está del mismo lado. Las imágenes que forman las lentes y sus características dependen de la distancia a la que se ubique el objeto respecto del foco. 

La reflexión luminosa es un fenómeno por el cual la luz, al incidir sobre la superficie de los cuerpos, cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación. La visión de los objetos se lleva a cabo gracias al fenómeno de la reflexión.

Según las características de la superficie reflectora, la reflexión luminosa puede ser regular o difusa. La primera, tiene lugar cuando la superficie es perfectamente lisa. Un espejo o una refleja ordenadamente un haz de rayos conservando la forma del haz. La segunda, se da sobre los cuerpos de superficies más o menos rugosas. En ellas un haz paralelo, al reflejarse, se dispersa en rayos que siguen direcciones diferentes. Esta es la razón por la que un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro objeto en tanto que una piedra, por ejemplo, sólo refleja su propia imagen.

Con respecto a los espejos, estos nos muestran imágenes virtuales, al contrario que a las que se denominan reales, por estar conformadas por luz. La reflexión en el espejo plano no invierte la posición del objeto. Es decir, la imagen formada en un espejo plano es virtual, directa y de igual tamaño que el objeto.

Al trabajar con espejos planos también aprendimos lo que es la inversión lateral, explicada a lo largo de la práctica.

 

También hay espejos curvos. El tipo más importante de espejos es el parabólico,  al que pertenecen tanto los espejos cóncavos como los convexos. En ellos se reconocen, un eje de simetría o eje óptico, un vértice  (que es la intersección entre la lente y el eje de simetría) y un foco. Cuando enviamos un conjunto de rayos de luz paralelos al eje óptico, estos se reflejan en el espejo cóncavo, de modo que convergen en un punto, el cual corresponde a un foco real.

Asimismo, aprendimos como descomponer un haz de luz blanca y vimos los siete colores por los que esta está compuesta.

 

Finalmente, aprendimos que si mezclas una serie de colores se produce el color blanco (RGB), y con otra mezcla diferente de colores se produce el color negro (CMY).

 ¿Qué has aprendido desde el punto de vista didáctico?

Desde el punto de vista didáctico, creemos que esta práctica es muy interesante para trabajar con los niños y las niñas de Educación Infantil. Al trabajar con ese material aprenderán muchas propiedades de las lentes, la luz y los espejos. Estos aprendizajes no son sencillos de comprender, y menos en niños/as tan pequeños/as, pero a través de esta práctica, podrían entender dichos fenómenos a través de sus propias experiencias.

Además, es importante que los niños y las niñas tengan estos conocimientos porque están rodeados/as de ellos en su vida diaria. Por ejemplo al verse en un espejo que pueden tener en su casa.