Experimentos STEM y materiales ópticos

Introducción

En esta sección compartimos varios experimentos con materiales ópticos. Estos experimentos están diseñados para ser sencillos y atractivos, al tiempo que proporcionan una base sólida sobre cómo interactúa la luz con los materiales. Quizás te apetezca probar experimentos como construir un pequeño espectroscopio, experimentar con patrones de difracción o investigar la curvatura de la luz utilizando materiales transparentes. Cada experimento sirve como una oportunidad para presenciar los principios básicos de la luz, el color y la óptica.

Experimentos STEM y materiales ópticos

Veamos ahora un popular experimento en el que creamos un sencillo espectroscopio para ver el espectro de la luz.

Antecedentes:

Los instrumentos ópticos tienen una larga tradición en la ciencia. Muchos de los primeros científicos observaron el fenómeno de la división de la luz en un espectro. Hoy en día, el espectroscopio sencillo ilustra estos principios de forma tangible.

Objetos:

Para este proyecto, necesitarás un tubo de cartón (de un rollo de papel de cocina), un disco compacto sin la capa reflectante o una rejilla de difracción flexible, papel negro y una pequeña herramienta de corte. También puedes necesitar cinta adhesiva, una regla y tijeras.

Materiales necesarios:

- Tubo de cartón (rollo de toalla de papel)

- Rejilla de difracción o disco compacto preparado

- Papel negro

- Herramienta de corte (tijeras)

- Cinta adhesiva y pegamento

- Una fuente de luz blanca (como una linterna o la luz del sol)

Instrucciones paso a paso:

1. Prepara el tubo de cartón. Corta una abertura rectangular a lo largo. Esta ranura permitirá la entrada de luz. La anchura aproximada de la ranura debe ser de 1 centímetro.

2. Cubre las paredes interiores de la ranura con papel negro. Esto minimiza la luz no deseada y mejora el contraste de color.

3. 3. Coloque la rejilla de difracción. Coloque la pieza de disco compacto o la rejilla de difracción en el extremo opuesto del tubo. Asegúrate de que el lado reflectante mira hacia dentro. Fije la pieza con cinta adhesiva o pegamento.

4. Selle los extremos restantes del tubo con papel negro. Esta acción es para asegurar el máximo control de la luz que llega a la rejilla.

5. Coloca el tubo. Dirija la rendija hacia una fuente de luz natural o una fuente de luz blanca controlada.

6. Mire por el otro extremo del tubo. Ajusta el ángulo hasta que veas una clara dispersión de colores formando un espectro. Deja que tus ojos se adapten y toma nota de los patrones de color.

Este experimento reúne materiales domésticos sencillos. Los pasos prácticos son fáciles de seguir y sólo requieren herramientas básicas. El objetivo es visualizar cómo se divide la luz cuando interactúa con los componentes ópticos.

Conceptos y mecanismos físicos

El experimento se basa en principios físicos sencillos. Cuando la luz entra en la rendija estrecha, ve restringida su trayectoria. A continuación, la luz se encuentra con la rejilla de difracción. Una rejilla de difracción está formada por muchas líneas muy juntas que hacen que las ondas de luz interfieran entre sí.

La luz viaja como una onda y se expande al pasar por aberturas estrechas. La curvatura de la luz en los bordes de la ranura se denomina difracción. Cuando las ondas luminosas pasan por la rejilla, se superponen y crean patrones de interferencia constructiva y destructiva. Esta separación es lo que forma el espectro visible de colores.

El proceso también ilustra la refracción. Aunque no estemos utilizando una lente refractora típica, el principio es similar al de la luz que se curva al pasar de un medio a otro. Un mecanismo similar se observa cuando una palabra de paja en un vaso de agua aparece doblada. El cambio gradual de la longitud de onda de la luz a medida que se propaga es también lo que divide la luz blanca en sus distintos colores.

A lo largo de los años, los científicos han medido y registrado los ángulos específicos en los que surgen determinados colores. Estas mediciones dan lugar a las longitudes de onda: la luz roja suele medir unos 700 nanómetros, mientras que la violeta se acerca a los 400 nanómetros. Los instrumentos construidos a partir de estos conceptos han tenido profundas repercusiones en campos como la espectroscopia y la ciencia analítica.

Comprender la física que hay detrás de estos experimentos refuerza nuestra comprensión de la óptica. El experimento sirve como pequeño modelo de dispositivos ópticos más grandes utilizados en laboratorios e industrias.

Materiales relacionados

Además de los elementos utilizados en el experimento, otros materiales relacionados pueden ampliar tu observación de la luz y la óptica. Los prismas básicos se encuentran con frecuencia en los laboratorios escolares. Separan la luz basándose en los mismos principios que las rejillas de difracción. Las fibras ópticas modernas también utilizan estos principios para transportar la luz a largas distancias.

Los vidrios y lentes fabricados con diversas formas de vidrio y plástico son ejemplos comunes. Se utilizan en dispositivos como cámaras, teléfonos inteligentes y telescopios. Los revestimientos ópticos aplicados a las lentes pueden reducir el deslumbramiento. También ayudan a dirigir o difundir la luz adecuadamente.

Otros materiales experimentales son las fuentes de luz LED con longitudes de onda conocidas. Si las comparas con el espectro que ves en el experimento, podrás notar ligeras diferencias. En las aulas, los profesores suelen utilizar espejos para reflejar los haces de luz, lo que permite realizar vívidas demostraciones de las leyes de la reflexión y la refracción.

Incluso objetos cotidianos como las gotas de agua pueden mostrar cómo la luz blanca se divide en muchos colores. El amplio uso de materiales ópticos en la vida cotidiana pone de manifiesto la importancia de estos principios fundamentales.

Aplicaciones en el mundo real

Los principios en los que se basan estos experimentos no son sólo teóricos, sino que encuentran verdaderas aplicaciones en el mundo real. El uso más común es el de las comunicaciones ópticas. Las fibras ópticas dependen de la reflexión interna total, un efecto estrechamente relacionado con los experimentos que se tratan aquí.

Los dispositivos médicos, como los endoscopios, también dependen de la manipulación adecuada de la luz mediante materiales ópticos. Las lentes de las cámaras utilizan combinaciones de refracción y difracción para captar imágenes nítidas. Los ingenieros utilizan estos principios ópticos para crear sensores que transforman las señales luminosas en señales eléctricas.

En el diseño de la iluminación arquitectónica, comprender cómo interactúa la luz con los distintos materiales puede mejorar la iluminación de las estancias. Los dispositivos modernos, como proyectores y pantallas de visualización, dependen de la luz estructurada de materiales ópticos avanzados para mejorar la calidad de la imagen.

Incluso en el campo de la astronomía, los materiales ópticos de los telescopios ayudan a ver cuerpos celestes lejanos con mayor precisión. Los componentes ópticos de estos telescopios se pulen y estructuran basándose en principios similares a los demostrados en nuestro pequeño experimento. El estudio de las longitudes de onda ayuda a los científicos a determinar la composición química de las estrellas.

Estas aplicaciones son ejemplos prácticos de cómo pequeños experimentos con materiales ópticos pueden dar lugar a importantes avances tecnológicos. Los conocimientos adquiridos en experimentos aparentemente sencillos abren la puerta a innovaciones utilizadas en proyectos avanzados de ciencia e ingeniería.

Conclusión

El viaje a través de los materiales ópticos mediante experimentos de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas es gratificante y esclarecedor. No se puede exagerar el papel de los materiales ópticos. No sólo sirven en demostraciones educativas, sino que también ayudan en sistemas de comunicación críticos, dispositivos médicos y mejoras de imagen. Para más información sobre materiales ópticos avanzados, consulte Materiales Avanzados de Stanford (SAM).

Preguntas más frecuentes

F: ¿Por qué utilizamos una rejilla de difracción en estos experimentos?

P: Separa la luz en un espectro provocando interferencias entre las ondas luminosas.

F: ¿Cuánto tiempo se tarda en ver el espectro completo?

P: Con un ajuste adecuado, el espectro aparece inmediatamente una vez que la luz entra en el tubo.

F: ¿Estos experimentos son adecuados para un público joven?

P: Sí, son sencillos, seguros e ideales para introducir los materiales ópticos a los principiantes.