Llum, Làser i Òptica: Kit per la difusió del seu coneixement

Llum, Làser i Òptica: Kit per la difusió del seu

coneixement

Contingut de les Lliçons:

Continguts:

1 làser vermell, 635 nm, <1 mW 1 làser verd, 532nm, <1mW 1 Conjunt de Llums (vermell, verd, blau) 1 LED Blanc 1 Joc de 3 Lents de vidre esmerilat 10 Transportadors 10 Xarxes de Difracció, 500 línies / mm 3 Miralls 3 Suports per miralls 1 Bosses d’ossets de goma, vermells i verds 1 Xeringa 1 Guia de Activitats

TÍTOL EDATS RECOMENADES TEMPS ESTIMAT

Llum Monocromàtica 11-18 anys 30 minuts

Llum Col·limada 11-18 anys 20-30 minuts

Llum Coherent 11-18 anys 20-30 minuts

Absorció i Ossets de Goma 14-18 anys 45-60 minuts

Microscopi Làser 8-18 anys 30 minuts

Reflexió i Refracció 11-14 anys 45 - 60 minuts

Separació i Mescla de Colors 8-12 anys 45-60 minuts

Mesura de la Longitud de Ona d’un Làser

14-18 anys 45-60 minuts

Mesura del Diàmetre d’un Cabell Humà amb un Làser

14-18 anys 45-60 minuts

Procediment 1. Col·locar els llums LED a la part de davant de la classe, apuntant cap a l’aula per tal que els estudiants puguin veure-la quan s’encengui (més tard). 2. Situar els làsers de forma que, quan s’encenguin, la llum emesa es projecti sobre una paret en blanc, a una certa distància dels estudiants, por seguretat (més tard). 3. Entregar una xarxa de difracció a cada estudiant.

Antecedents i Discussió Demanar als estudiants que proposin en veu alta respostes a la pregunta:

Per què la llum làser és diferent d’altres fonts de llum? Què fa que un làser sigui un làser?

Escrigui les respostes dels alumnes a la pissarra, on puguin veure-les, sense comentar-les ni

corregir-les. Anoti les respostes en una fulla de paper si es continuarà la classe mes endavant.

Introduir la lliçó comentant als estudiants que avui van a investigar una propietat de la llum làser.

No digui quina és. Anem a veure si els estudiants poden anomenar aquesta propietat per

deducció a través de la observació.

Lliçó Primera: Llum Monocromàtica

Plantejament Mitjançant la comparació dels espectres de llum blanca amb la llum de color emesa per un LED i la llum d’un làser, els estudiants observen que la llum emesa per un làser és monocromàtica, i consta d’una sola longitud d’ona (color) de la llum.

Duració: 30 minuts

Edat recomanada: 11-18

Materials Llums vermella, verda i blava amb tapes

de reixeta

Un làser vermell i un verd

Varies fonts de llum blanca (LED,

llanterna, llums de l’habitació)

10 xarxes de difracció

Observant i Investigant

1. Recordi als estudiants que la llum blanca esta composta de "totes" les longituds d’ona de la llum: la llum blanca és la que veiem/percebem quan les diferents longituds d’ona que formen la llum interactuen mútuament.

2. Introduir la xarxa de difracció: explicar que una xarxa de difracció permet separar la llum que veiem a través seu, mostrant el seu espectre. L’espectre és el conjunt de les longituds d’ona que formen la llum que s’està veient, és com la firma o l’empremta personal de cada llum.

3. Mostrar als estudiants com utilitzar la xarxa de difracció: mantenir la xarxa de difracció a l’altura de l’ull i mirar cap a una font de llum (mai directament al sol o a un làser) - observar l’espectre de la llum als costats del punt on es troba la font de llum.

4. Convidi als alumnes a practicar buscant espectres de les diferents "llums blanques" disponibles (llums fluorescents, bombetes, una llanterna).

5. Demani’ls-hi que descriguin el que veuen: "un arc iris". Demani’ls-hi que li diguin els colors que veuen i en quin orde. Pregunti’ls-hi si els colors estan en el mateix ordre per totes les llums que miren o si l’orde varia. Asseguris de que arriben a la conclusió de que el violeta o morat sempre és més a prop de la font de llum.

6. Seguidament digui als estudiants que observaran els espectres de llum de varis LED’s de colors. Encengui el joc de LED’s i faci observar als alumnes que hi ha una llum vermella, una verda i una blava (LED vermell, verd i blau, respectivament).

7. Pregunti als estudiants què creuen que veuran quan mirin al LED. Veuran un espectre? O només un color? Aquest LED està format per més d’una longitud d’ona, com la llum blanca, o només per una? Demani a un alumne, que respongui que veuran un espectre, a que comparteixi els seus raonaments. Igualment, un alumne que digui que no podrà veure un espectre, demani-li que comparteixi el seus raonaments.

8. Sense comentaris o correcció de les explicacions donades pels alumnes, convidi’ls a que, mitjançant l’ús de la xarxa de difracció, observin la llum del LED vermell, verd i blau. Els estudiants poden necessitar apropar-se per poder observar correctament.

9. Demani als alumnes que comparteixin les seves observacions i expliquin que fins i tot un LED vermell, verd o blau es compon del seu propi espectre de colors diferents.

10. Finalment, demani als estudiants predir el què veuran quan mirin a la llum dels làser verd i vermell. Demani als alumnes que comparteixin les seves respostes i els seus raonaments.

11. Giri els làsers en direcció oposada als estudiants, cap a una paret en blanc.

12. Indiqui als estudiants que mai han de mirar directament a una llum làser – MAI.

13. Expliqui als alumnes que es disposen a observar l’espectre del làser quan passa a través de la xarxa de difracció.

14. Situï una xarxa de difracció davant de cada làser i mostri als estudiants que quan la xarxa se separa de la llum làser només apareix un color.

15. Convidi als alumnes a argumentar i especular sobre el que veuen.

16. Pregunti - Llavors... quina és la propietat especial de la llum làser que hem observat?

UN COLOR, UNA LONGITUD D’ ONA: ¡¡¡MONOCROMÁTIC!!!

Lliçó Segona: Llum Colimada

Plantejament Mitjançant la comparació entre la llum emesa per un LED i la llum d’un làser, els estudiants observaran que la llum emesa per un làser és col·limada (viatja en rajos paral·lels)

Duració: 20-30 minuts


Materials

Làser verd

Làser vermell

Llum verda, vermella i blava sense tapa

Regle

Paper blanc

Antecedents i Discussió

Expliqui als estudiants que a continuació observaran una propietat fonamental de la llum làser; una propietat que fa als làsers molt mes perillosos i potents que la llum amb la que estan familiaritzats, inclús en els casos en que el làser emet molt poca potencia com el que empraran en aquesta pràctica. La llum emesa per un làser és col·limada, això significa que els rajos de llum son paral·lels entre ells. Aquesta propietat és diferent de la llum “normal” en la que els rajos convergeixen o divergeixen a mesura que ens allunyem del focus d’emissió. Aquesta activitat mostrarà l’efecte de la col·limació.

Procediment

1. Divideixi als alumnes en cinc grups.

2. Proporcioni a cada grup una font de llum d’emissió (LED o làser), un regle i un full de

paper.

3. Mentre els estudiants estan apuntant les dades experimentals, dibuixi el següent quadre a

la pissarra o en un full de paper de gran dimensió, de manera que sigui visible des de tota

l’aula.


1. Digui als alumnes que mesurin l’àrea de la llum

produïda per la font de llum a tres distàncies diferents:

3, 8 i 15 centímetres.

2. Demani als estudiants que escriguin les fórmules

per a l’àrea de:

a. un rectangle, A=a*b

b. un cercle, A=π*r*r

c. una el·lipse, A= π*A*B

3. Demani als alumnes que dirigeixin la font de llum sobre un full de paper en blanc des d’una distancia de 3, 8 i 15 centímetres i calcular l’àrea de la taca per a cada distància.

4. Convidi a un alumne de cada grup a escriure les dades del seu grup en la taula.

5. Pregunti a la classe - Què s’observa? És la llum de làser diferent de la llum d’un LED?

¡Està Col·limada!

Taula de Dades

Font de Llum Distància Àrea

LED vermell 3 cm

LED verd 3 cm

LED blau 3 cm

LÀSER verd 3 cm

LÀSER vermell 3 cm

LED vermell 8 cm

LED verd 8 cm

LED blau 8 cm

LÀSER verd 8 cm

LÀSER vermell 8 cm

LED vermell 15 cm

LED verd 15 cm

LED blau 15 cm

LÀSER verd 15 cm

LÀSER vermell 15 cm

Lliçó Tercera: LLum Coherent

Plantejament Comparant la llum produïda per un LED i l’emesa per un làser, els alumnes observaran que la llum làser és coherent (viatja en fase)



Materials

Làser verd

Làser vermell

Llum verda sense tapa

Llum vermella sense tapa Paper normal, blanc

Procediment 1. Divideixi als estudiants en quatre grups.

2. Proporcioni a cada grup una font de llum LED o un làser, un regle i un full de paper..

Antecedents i Discussió La llum del làser és coherent, el que significa que està “en fase”. Això significa que tots els

màxims i mínims de les ones de llum estan alineades.

Dibuixi un diagrama en la pissarra per mostrar el significat de coherència.


1. Demani a cada grup que mantingui la seva font de llum lleugerament inclinada sobre

el paper, però molt a prop del paper, observant la imatge que es forma. Demani als

estudiants que comentin entre ells el que veuen, que arribin a un acord i que escriguin

el resultat de la seva observació.

2. Els grups han d’intercanviar les fonts de llum: el grup que tenia un LED tindrà ara un

làser i viceversa. Demani als estudiant que repeteixin el pas 1 amb la seva “nova” font

de llum i comparin el resultat.

3. Els estudiants han d’observar un patró de clapes (puntejat) quan s’utilitza la llum

làser i un patró uniforme quan s’utilitza la llum LED. És possible que calgui moure’s i/o

moure les fonts de llum (endavant-endarrere) per observar la subtil diferència.

4. Explicar que la llum viatja en ones – quan les ones estan en fase (coherent)

interfereixen entre si d’una manera específica. Les ones coherents es poden cancel·lar

entre elles (interferència destructiva) o poden amplificar-se mútuament (interferència

constructiva).

5. Un patró de punts brillants i foscos (molt, molt petit) es produeix quan s’il·lumina amb

llum làser (coherent) degut a la seva interferència. Aquest patró no s’observa en el cas

d’utilitzar llum LED ja que la llum emesa per un LED no és coherent, és a dir no està en

fase.

Lliçó Quarta: Absorció, Transmissió i

Reflexió

Resum Els ossets de goma resulten molt útils per demostrar els conceptes, bastant abstractes, que descriuen les interaccions bàsiques entre la llum i la matèria: absorció, transmissió i reflexió.

Durada: 45-60 minuts


Materials

Làser verd

Làser vermell

LED de llum blanca

3 Ossets de goma vermells

3 Ossets de goma verds

3 Ossets de goma transparents

1 full de paper blanc

1 full de parafina

1 transparència o bossa de plàstic transparent

Inspirat en el següent vídeo que descriu el procés bàsic -

http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk

Exposició i Antecedents

Un error molt comú entre els estudiants és que el color és una propietat de la matèria. Aquest error bàsic condueix a tota mena d'equívocs; com la idea que quan la llum blanca passa a través d'un objecte de color verd, projecta una resplendor verda en el paper, l'objecte “afegeix” color al “blanc” propi de la llum. No importa quantes vegades se'ls expliqui... és difícil per als estudiants entendre la idea que quan ells veuen un objecte com a vermell, el que realment està succeint és que la majoria de les longituds d'ona que componen la llum blanca, són absorbides per l'objecte i només la longitud d'ona que coneixem com a vermell s'està reflectint. El que ells "veuen" és la llum vermella transmesa cap als seus ulls.

http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk

Quan la llum d'un làser, que és monocromàtica (formada d'un sol color o longitud d'ona)

incideix sobre un objecte és: absorbida, convertint la energia lumínica en calor, reflectida o

transmesa. La majoria dels estudiants, però, estan familiaritzats amb la idea que la llum blanca

està composta de molts colors o longituds d'ona. Quan la llum blanca incideix contra un

objecte, l'objecte absorbeix selectivament, reflecteix o transmet certes longituds d'ona. La

forma amb qual la llum interactua amb un objecte depèn de la/les longitud/s d'ona de la llum i

de la naturalesa dels àtoms en l'objecte.

Un material absorbirà les freqüències de la llum que coincideixen amb la freqüència a la qual

vibren els electrons dels àtoms que formen aquest material. Degut a que materials diferents

es componen d'àtoms, els electrons dels quals vibren a freqüències diferents, diferents

materials absorbiran diferents freqüències de la llum. Això trenca amb idea que la llum passa o

no, a través d'un material a causa del seu gruix.

La llum que un material no absorbeix és reflectida o transmesa.

La manera com veiem el color és degut, en gran part, a la forma com la llum interactua amb la

matèria. Així doncs, el color mai va existir en l'objecte..., només és la llum que brilla en ell i que

en última instància es reflectida cap als nostres ulls.

Les següents pràctiques donaran als estudiants una comprensió intuïtiva d'aquest fenomen i

començarà a desfer les seves idees errònies sobre la llum i el color.

Demostració

1. Dirigeixi el LED blanc cap als estudiants i recordi'ls que la llum blanca està composta de moltes ("totes") longituds d'ona o freqüències. Expliqui que el LED és una font de llum i que ells poden veure directament la llum que és emesa pel LED. 2. Pregunti: què passa quan la llum blanca interactua amb "alguna cosa"?

3. Davant dels estudiants, faci incidir el LED sobre el full blanc i pregunti: quin fenomen està succeint amb la llum? 4. Repeteixi amb el full de parafina i la bossa de plàstic o la transparència.

5. Discuteixi els termes de transmissió, reflexió i absorció.

Procediment

Divideixi els alumnes en tres grups i doni a cada grup un full de dades per omplir.

Configuri tres "llocs de treball", cada lloc de treball haurà de tenir una font de llum (un làser

verd o un làser de color vermell o un LED blanc), un full de paper blanc i 3 ossets de goma

(verd, vermell i transparent).


1. Recordi als alumnes les normes de seguretat a tenir en compte quan es fa servir un làser.

2. Digui als estudiants que apuntin les seves observacions de com interactuen diferents fonts de llum amb diferents materials; els tres ossets de goma de diferents colors.

3. Instrueixi als estudiants de com fer incidir la llum produïda per cada font sobre cada ós de goma de colors i com registrar les seves observacions. Concretament han d'analitzar si la llum és transmesa, reflectida i/o absorbida pels diferents ossets de goma i com té lloc el fenomen.

4. Quan tots els grups hagin recollit les dades dels tres llocs de treball, demani’ls que revisin les seves observacions i les seves dades i arribin a una o més conclusions de com es comporta la llum. Demani'ls que escriguin les seves conclusions en el seu full de dades

Lliçó Cinquena: Microscopi LÀSER

Adaptat de Gorzad Planinsic: Projector format per una gota d’aigua. (Water-Drop Projector: http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf)

Plantejament Un muntatge senzill converteix una gota d’aigua d’estany en una lent esfèrica per fer visible el seu món interior. L’efecte és espectacular i aconsegueix de forma atractiva introduir el concepte de les lents i de l’òptica geomètrica.



(segons coneixements de matemàtiques)

Materials

Làser verd

Xeringa

Suport de laboratori

Cinta adhesiva o pinces de suport

Aigua d’estany, riu, llac, rierol o mar

Una mà ferma i una mica de paciència

Una diminuta gota

d’aigua, juntament

amb un feix LÀSER,

es converteix en una

lent esfèrica amb una

enorme capacitat

d’augment.

http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf

Configuració Per muntar aquesta simple però enormement atractiva demostració, comencem omplint una

xeringa amb aigua d’un estany o riu. Si vostè viu a prop de la costa, agafi una mica d’aigua de

mar. Si no està a prop de cap estany, riu o mar, pot recollir aigua d’un bassal o d’algun altre punt

d’aigua estancada, que probablement contingui algun petit organisme, de mida compresa entre

0,2 i 0,5 mm.

Ompli una xeringa amb l’aigua que ha recollit. Fixi la xeringa en un suport de laboratori per tal

que una gota d’aigua en pengi de la punta. Situi el làser verd alineat amb la gota d’aigua de

manera que el feix de llum passi a través del centre de la gota, perpendicular a la paret on es

projecti la font de llum.

El muntatge s’ha de situar a uns dos metres d’una pantalla o paret blanca, on una taca de

color verd brillant mostrarà una impressionant varietat d’animals unicel·lulars, larves, mosques...

surant i nedant.

Aquest experiment és en general prou atractiu per fer que els estudiants s’interessin en

conèixer el sistema òptic de gran abast que fa possible aquestes impressionants imatges.

Antecedents i Discussió

A la figura de la dreta tenim el camí que segueix el

feix de llum, d’entrada i sortida de la lent que forma

la gota d’aigua que està penja de la xeringa.

El feix que passa pel centre de la gota no es desvia;

en canvi, tots els altres feixos es dobleguen cap a la

normal al passar de l’aire (índex = n1) a l’aigua

(índex = n2).

Per angles petits, com en el nostre cas, utilitzem la

llei d’Snell: n1sinɵ1 = n2sinɵ2

A drop of water hanging from a syringe

approximates a spherical lens, so we can

apply the thick lens formula to determine the

focal length.

Que es converteix en: n1 ɵ1= n2 ɵ2. Per tant, la desviació cap a la normal a una superfície ve

donada per:

Aquesta és una equació general que s’utilitza per angles molt petits, i és útil per traçar els raigs a

través de sistemes complexos, que, tot i la senzilla configuració que tenim, és el que tenim en el

nostre sistema. Per aquest exemple, la desviació del feix que passa de l’aire a l’interior de la gota

(la primera superfície), és:

A la superfície posterior de la gota, i degut a la desviació imposada per la llei d’Snell, el feix

de llum està 2r vegades més a prop de l’eix; de manera que arriba a la superfície posterior a

una distancia h' de la normal:

L’angle de desviació del feix de llum a mesura que surt de la gota d’aigua és le mateix angle

de desviació que a l’entrar a la gota. Per últim:

L’explicació de com la llum que passa a través d’una lent esfèrica crea l’ampliació d’una

imatge, és un tema molt més complicat i pot estar fora de l’abast dels estudiants de

secundària. La següent figura és un simple diagrama de rajos de com té lloc l’amplificació.

Si vol explorar les matemàtiques que hi ha darrera d’això, si us plau, consulti l’excel·lent document de Gorazd Planinsic el qual s’ha referit tant al principi com al final d’aquesta lliçó.

Adaptat de Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector



Lliçó Sisena: Reflexió i refracció

Plantejament La reflexió i la refracció són dues de les idees bàsiques sobre la llum que han d’aprendre els estudiants. Algunes pràctiques amb emissors de llum i lents ajuden als estudiants a comprendre aquests funcionaments abans de passar a conceptes més complicats.



(segons els coneixements de

matemàtiques)

Materials Joc de 3 llums amb tapes de reixa

Làser vermell i verd (només per estudiants de major edat)

Transportadors

Joc de lents de vidre

3 miralls amb els suports corresponents

3 fulles de paper d’alumini

Reflexió

Procediment

Disposar als estudiants en grups de tres i entregar a cada grup una font de llum, un suport, un mirall i una fulla de paper d’alumini. Si és possible, formar un grup amb els alumnes de més edat per a poder emprar també el làser. Recordar als estudiants que han de vigilar cap a on van els rajos reflexats.

Observant i Investigant Demanar als estudiants que projectin la llum sobre el mirall per examinar com la llum rebota en la

seva superfície. Demanar ajustar l’angle des de el que la llum incideix en el mirall i preguntar-se:

Què noteu referent a com la llum rebota?

Una línia recta que es mou de forma predictible quan la font de llum es desplaça.

Assegura’t de que els estudiants comprenen que és el canvi en l’angle, i no la distància, el que

modifica la forma en que la llum rebota.

Els estudiants més avançats poden quantificar les seves observacions: fes que els estudiants

col·loquin el mirall en el centre del suport per a què el mirall quedi paral·lel a l’eix de 90 graus del

suport. Fes que els estudiants projectin el raig de llum des de un angle de 30 graus (respecte a la

vertical) directament al centre del mirall i mesurin l’angle del raig reflectit respecte a la vertical.

Demanar als estudiants anotar els seus resultats i repetir la mateixa mesura més de dues

vegades variant l’angle d’incidència.

Realitzar una discussió en grup sobre els resultats obtinguts pels estudiants. Els estudiants han

d’anotar quin angle d’incidència dóna el mateix angle de reflexió

A continuació, que els estudiants formin amb el paper d’alumini un superfície plana i brillant.

Repetir les mesures anteriors, de la mateixa manera que amb el mirall. Els estudiants observaran

que la làmina interactua amb la llum igual que ho feia el mirall.

Demanar als estudiants arrugar el paper i repetir l’exploració. Els estudiants ràpidament es

donaran compte de que la llum es dispersa i rebota en totes direccions. Explicar que quan una

superfície és rugosa, com passa ara amb el paper d’alumini, la llum encara rebota d’acord amb

les mateixes regles que s’han observat: una línia recta amb angle d’incidència igual a l’angle

reflectit; però, en aquest cas molts rajos incideixen sobre moltes superfícies amb diferents

orientacions, dispersant els rajos que arriben a la làmina arrugada.

Ara pots explicar als estudiants que la llum rebota en tot el que veiem. Sempre rebota en línia

recta. Els objecte que veiem és la llum, que es reflexa en les superfícies i és captada pels nostres

ulls.

Refracció - Antecedents i Discussió

Explicar als estudiants que la llum es propaga, en general, només en línia recta: però quan passa

d’un medi (aire) a un altre (aigua), es desvia o refracta. Els estudiants més joves simplement es

beneficiaran d’unes pràctiques per observar aquest fenomen, mentre que els estudiants més

avançats poden aprendre que aquesta desviació es produeix d’acord amb la llei de Snell:

n1sinɵ1 = n2sinɵ2

On n és l’índex de refracció del medi a través del qual es propaga la llum. ɵ1 és l’angle entre el

raig incident i la normal, i ɵ2 és l’angle entre el raig refractat i la normal.

Aquesta desviació es deu a que quan la llum passa de l’aire a propagar-se en una altre medi

(aigua, vidre, …) es alentida. El canvi en la velocitat fa que la llum canvií de direcció.

Material N

Aire 1.00029

Aigua 1.33

Vidre 1.50

Gasolina 1.31

Plàstic 1.47 - 1.6

Diamant 2.5

L’ índex de refracció (n) varia, a més, amb la

longitu d’ona de la llum.

Observant i Investigant- Nivell Principiant

1. Col·loca les tapes amb reixa en cada una de les tres fonts de llum per a que es projecti una

línia.

2. Col·loca la lent en forma de trapezi uns cinc centímetres davant la llum de manera que el

raig passi a través de la lent.

3. Observa que la llum “es dobla” quan entra en la lent i després es “dobla” de nou quan surt

d’ella. Aquest canvi de direcció s’anomena refracció.

4. Explica que la llum canvia de direcció degut a que canvia de velocitat a la passar d’un medi

(aire) a un altre (vidre).

5. A continuació, alinea les tres llums de forma que projectin les tres línies paral·leles.

6. Situa la lent convergent (convexa), col·locant-la a uns cinc centímetres davant dels

emissors i observa que la lent corba la llum cap un punt focal.

7. Repeteix el mateix amb la lent divergent (còncava).

Més sobre Lents

Les lents ens permeten emprar el que sabem sobre com

es desvia la llum. Els estudiants poden observar com la

llum viatja a través d’una lent convexa i una lent

còncava per enfocar la llum a un “punt focal”. El punt

focal és habitualment considerat com un lloc on es

forma una imatge, s’empren tot tipus de lents per

enfocar les imatges. Exemples típics de lents inclouen:

els nostres ulls, una càmera, un microscopi o un

telescopi. Les lents són una forma eficaç de controlar i

entendre la llum, per a que puguem emprar-la o

manipular-la.

Hi ha quatre factors que determinen la longitud focal

d’una lent:

1. l’índex de refracció de les lents nlens

2. l’índex de refracció del medi que forma l’entorn de la

lent nenv

3. el radi de curvatura de la superfície frontal de la lent r1

4. el radi de curvatura de la superfície posterior de la

lent r2

Matemàticament parlant, la longitud focal d’una lent en l’aire es pot calcular a través de la:

EQUACIÓ DE LENTS

1/f =(nlens/nenv) (1/r1 –1/r2)

Observa que, quan la lent és convexa, la longitud focal és positiva i quan la lent és còncava, la longitud focal és negativa.

Observant i Investigant – Nivell Intermedi

1. Projectar dos rajos paral·lels emprant dos làsers i insertant una lent generadora de línies.

2. Col·locar la lent convergent en el centre del transportador como es mostra en la figura.

Amb 0 graus com la normal.

3. Marcar el punt focal en el lloc on els dos rajos convergeixen.

4. Mesurar la distància des del centre de la lent fins el punt focal – aquesta és la longitud

focal o f, en l’equació de les lents.

5. Emprar aquest valor i els valors de n en la taula anterior pel vidre i l’aire, i resoldre

l’equació per obtenir el valor de r. r1 y r2: Denoten els radis de curvatura de la lent ,

corresponent r1 al costat esquerre de la lent i r2 al costat dret, essent el seu signe

determinat pel criteri general de signes en òptica: positiu si el centre de curvatura de la

superfície resideix a la dreta, i negatiu si el centre de curvatura es situa a l’esquerra de la

superfície. Tingues en compte que ambdues superfícies tenen el mateix radi de curvatura,

r1 = r2.

Si t’agradés caçar un peix amb un punter làser, hauries d’apuntar el feix làser

per sobre, per sota o directament al peix per a encertar?

Pensant en això....

Lliçó Setena: Colors

Plantejament Es realitzaran dos activitats senzilles per introduir els fonaments de la llum i el color als estudiants. L’objectiu es aprendre que la llum blanca està composta per molts colors i com varis colors es combinen per formar la llum blanca.


Edat recomanada: 8-12 anys

Materials

LED de llum blanca

3 Fonts de llum amb tapes de reixeta


Les llums de l’aula

La llum del sol

Paper blanc Llapis de colors o marcadors

Procediment 1. Divideixi als alumnes en cinc grups i doni a cada grup dues xarxes de difracció per compartir.

2. Situï el llum LED blanc en un extrem de l’aula, dirigi cap als estudiants. Encengui el LED.

Antecedents i Discussió 1. Convidi als estudiants a mirar la llum LED a través de la xarxa de difracció per torns. Pregunti:

Que és el que veus? Ajuda’ls, si és necessari, a percebre l’arc de Sant Martí als extrems de la

xarxa de difracció.

2. Demani als estudiants que mirin al voltant de la sala les altres fonts de llum a través de la xarxa

de difracció. Adverteixi als alumnes que mai han de mirar directament al sol o un làser, en

aquesta o en qualsevol altra activitat.

3. Pregunti als alumnes: Com s’organitzen els colors? Quin color és més proper a la font de llum?

Quin està més lluny? Estan els colors sempre en el mateix ordre sense importar quina font de

llum s’estigui observant, o els colors canvien de posició?

4. Demani als estudiants que facin un dibuix de la llum i l’arc de Sant Martí que veuen, amb els

colors en l’orde que apareixen.

5. A continuació situï els LEDs de colors, amb la tapa de reixeta, a la part davantera de l’aula.

6. Encengui el LED vermell, el verd i el blau, i demani als alumnes repetir l’exercici anterior amb

cada color; o sigui, veure les llums a través de la xarxa de difracció i informar sobre el que

observen.

7. Expliqui que les llums LED de color contenen només un grup de colors, no un espectre

complet. Per tant, els alumnes veuran franges estretes amb colors específics.

Discussió i Transició (o pas) a la Següent Activitat

Pregunta: D’on venen els colors de l’arc de Sant Martí?

Explicació: els colors ja estaven allà, ocults en la llum blanca. Mitjançant la xarxa de difracció la

llum blanca se separa en els seus colores individuals. Las gotes de pluja també poden separar

la llum solar en molts colors per que puguem veure un arc de Sant Martí. Aquests colors estan

sempre allà, a l’interior de la llum "blanca" que veiem tota l’estona, però no podem veure’ls

perquè generalment estan mesclats para formar la llum blanca a la que estem acostumats.

Generant Llum Blanca

1. Retiri les tapes de la reixeta del LED per projectar amplies franges de color clar.

2. Situï l’emissor de llum en un banc o una taula, davant d’una pantalla o paret blanca de

manera que els estudiants puguin veure la llum projectada.

3. Encengui el LED vermell i el blau, i demani als estudiants que prediguin el color que es

veurà quan es combinin.

4. Mescli el LED de llum vermella i el de blava per generar el color rosa o magenta.

5. Encengui el LED blau i el verd i demani als estudiants que prediguin el color que se veurà

quan es combinin.

6. Mescli el LED verd i blau per produir el blau clar o cian.

7. Encengui el LED verd i el vermell i demani als estudiants que prediguin el color que se


8. Mescli la llum vermella i la verda per formar el color groc

9. Encengui els tres emissors de llum i demani als estudiants que prediguin el color que se


10. Mescli tots els LED per obtenir la llum blanca.

Lliçó Vuitena: Mesurar la Longitud d’Ona

d’un Làser

Plantejament Els estudiants aprendran a

determinar la longitud d'ona d'un

làser mitjançant la recopilació de

sis conjunts de mesures que els

permetin calcular la longitud

d'ona.



Materials

Làser vermell

Làser verd


Pantalla o paret blanca

Regla

Antecedents y Discussió

Type to enter text

La difracció és un fenomen que descriu com la llum es

corba a mesura que passa a través d'escletxes molt

estretes o al voltant d'una barrera molt petita (com un

cabell). La imatge de la dreta mostra la difracció (flexió)

de les ones al voltant d'una "cantonada". Pensant en la

llum com una ona, tingui en compte que a mesura que la

llum passa una barrera molt petita (com un cabell), es

formen dos patrons d'ones diferents. Aquestes ones

interfereixen entre si ja sigui per ampliar el patró d'ona

(interferència constructiva) o disminuir el patró d'ona

(interferència destructiva).

Observant i Investigant 1. Reparteixi les xarxes de difracció i permeti als

estudiants observar l'espectre que veuen quan

miren a diverses fonts de llum a través de la xarxa.

2. Expliqueu que la xarxa està composta de moltes,

moltes (ja veurem quantes en breu) escletxes

finíssimes, al voltant de les quals la llum es corba

quan passa. Quan llum blanca es corba, les seves

longituds d'ona també es dobleguen i interfereixen

entre si, separant per donar lloc a un espectre.

3. Què passa quan la llum monocromàtica (un sol color / longitud d'ona) passa a través de les

escletxes estretes d'una xarxa de difracció? Què s'espera que succeeixi quan a una sola longitud

d'ona se li produeix interferència? No es veurà un espectre de colors, perquè la llum

monocromàtica no està composta de moltes longituds d'ona, si no d'una sola.

4. Situar un làser vermell sobre una superfície estable i projectar la seva llum a través de la

xarxa de difracció cap a una paret en blanc. Subjectar amb cinta adhesiva la xarxa de difracció a

la part davantera del làser per assegurar-ho.

5. Feu el mateix amb un làser verd en una paret diferent.

6. Explicar que el patró que es veu és degut al patró d'interferència de l'ona de la llum quan

passa a través de les escletxes.

7. Introduir les matemàtiques que descriuen aquest fenomen: λ = (X) (d) / L

On d és la distància entre les escletxes (cm/línia), L és la distància de la xarxa de difracció a la

pantalla i X és la distància entre màxims d'intensitat.

8. Dividiu la classe en dos grups, un treballarà amb el làser vermell i l'altre treballarà amb el làser

verd.

9. Doneu a cada grup una taula per omplir amb les dades de les mesures.

10. Que cada grup d'estudiants anoti en la taula el nombre de línies per mil·límetre de la xarxa

de difracció i convertir centímetres per determinar l'ample de cada escletxa.

11. Després, els estudiants mesuraran i anotaran la

distància entre la xarxa de difracció i la pantalla (L).

12. A continuació, els estudiants mesuraran la distància

entre dos punts brillants, màxims d'intensitat, adjacents

(X).

13. Indiqueu als estudiants que han de fer i registrar

aquests mesuraments a tres distàncies diferents de la

pantalla o paret.

14. Comparar els resultats experimentals dels estudiants

amb les longituds d'ona reals del làser: 635nm i 532nm,

per el làser vermell i el verd respectivament.

Taula de Dades

Xarxa de Difracció Línies/mm

Amplada de la escletxa (d)

cm/línia

Distància de la xarxa a la pantalla

(L) en cm

Distància entre màxims (X)

Trieu tres distàncies a la pantalla des de les que es facin les mesures

COLOR DEL LÀSER: _________________________

Determinar la longitud d’ onda del làser

Usar els valors de X, di L a partir de les dades anteriors i la fórmula de la doble escletxa

λ = (X) (d)/ L

per determinar la longitud d'ona del làser. Mitjana dels tres valors calculats i determinar un valor final

per a la longitud d'ona.

λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L Valor Mitjà de la Longitud

d'Ona

Mostra totes les substitucions de dades en la fórmula

Valor Final (cm)

Valor Final (micròmetres)

Lliçó Novena: Mesura del gruix d’un cabell

humà mitjançant la difracció d’un feix làser

Plantejament Els estudiants determinaran el gruix

d’un cabell humà utilitzant la difracció

I un làser de longitud d’ona

coneguda.

Temps: 45 minuts

Edats : 14-18

Materials

• Làser vermell

• Làser verd

• Cinta adhesiva

• Paret blanca o pantalla.

• Regla o cinta mètrica

• Cabell humà

Discussió i antecedents Veieu la lliçó prèvia per una introducció a la difracció.

La difracció d’un làser pot ser utilitzada per mesurar coses molt petites-com un cabell humà!

Malgrat que normalment pensem en difracció quan la llum passa a traves d’escletxes molt

estretes també te lloc en altres circumstancies com veurem de seguida.

Observant i investigant

1. Dividiu la classe en dos grups

2. Doneu a cada grup un làser, una regla o metro, un full

de paper blanc i cinta adhesiva.

3. Cada grup tria un company/a per donar uns quants

cabells per mesurar. Els cabells han de ser com a mínim

de 25 cm de llarg.

4. Introduïu la formula

Gruix del Cabell = (longitud d’ona) (distancia a la paret) /

distancia entre les primeres taques fosques

5. Fixeu amb la cinta adhesiva el cabell al làser de forma

que el cabell creui l’apertura del feix (com s’il·lustra a la

figura)

6. Col·loqueu el làser en una taula o un altra superfície

aproximadament a 1m de la pantalla o de la paret

blanca

7. Ensenyeu als estudiants com mesurar la distancia entre

les primeres dues superfícies d’interferència destructiva

a qualsevol del dos costats del màxim central (distancia

entre les dos primers punts foscos )

8. Demaneu als estudiants prendre mides I omplir la fulla

de dades I calcular el gruix del cabell en com a mínim 5

llocs diferents del cabell.

9. Demaneu als estudiants calcular el gruix mitjà del cabell

humà. Air i comparar-lo amb el valor habitualment

acceptat que buscaran per internet..

Taula de Dades

Mesures # Longitud d’ona del làser

Distancia a la paret (W)

Distancia entre els dos primers punts

foscos (D)

1

2

3

4

5

6

7

8

Introduïu com a mínim 5 conjunts de dades a la taula de sobre. Calculeu I apunteu el gruix resultant de cada mesura en la taula de sota.

Mesura Gruix del Cabell = (longitud d’ona) (W) / D

1

2

3

4

5

6

7

8

Calculeu i apunteu el gruix mitjà de cabell Com se sembla aquest valor al “valor acceptat “ pel gruix d’un cabell humà?

“EPIC Adopta un Kit d’ensenyament” EPIC s’associa amb Laser Classroom per la difusió d’un kit educacional: "Llum, Làser i Óptica" entre estudiants de tota Europa. Els equips, patrocinats per empreses, costaran 195 euros i estaran a disposició dels professors. Organitzacions nacionals de recerca, Universitats i grups de fotònica han col·laborat amb EPIC en la traducció del kit a diferents idiomes i a identificar els professors motivats per usar-lo durant les seves classes, amb la finalitat de promoure entre els alumnes la ciència en general i la fotònica, en particular. Les escoles rebran el kit de forma gratuïta. El que s’espera dels professors es que utilitzin activament l’equipament i ,una vegada a l’any, informin a EPIC de quants estudiants han utilitzat el kit, enviïn una foto i un informe sobre el desenvolupament de la classe. Organitzacions de suport

La Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) és una institució pública de recerca i d’educació superior en els àmbits de l’enginyeria, l’arquitectura i les ciències. 30.000 estudiants de grau i 5500 de post-grau es formen en 43 Departaments i 23 Escolas o Facultats. www.upc.edu

L'Associació Europea de Nanofotònica és una organització independent sense finalitat lucrativa que té com a principal objectiu la promoció científica i tecnològica en l'àmbit de la nanofotònica. L'associació, que està oberta a totes les entitats relacionades amb la nanofotònica, dóna suport a activitats educatives i de formació, així com contribueix a la creació de polítiques científiques a nivell internacional. http://nanophotonicseurope.org

EPIC és el Consorci de Industries de la Fotònica Europees, associació de l’industria sense ànim de lucre, dirigida pels seus socis, que promou el desenvolupament sostenible de les organitzacions que treballen en el camp de la fotònica. Els nostres membres inclouen tota la cadena de valor, des de l’ il·luminació LED, energia solar fotovoltaica, la fotònica de silici, components òptics, làsers, sensors, pantalles, projectors, fibra Óptica i altres tecnologies relacionades amb la fotònica. Fomentem un vibrant ecosistema de la fotònica mitjançant el manteniment d’una sòlida estructura i actuem como a catalitzador i orientador per al seu progrés tecnològic i comercial. EPIC treballa en estreta col·laboració amb les industries del ram, les universitats i les autoritats publiques per tal de construir un sector industrial de la fotònica més competitiu capaç de mantenir un creixement tant econòmic com tecnològic en el altament competitiu mercat mundial.

http://www.upc.edu/

http://nanophotonicseurope.org/

Documents

Llum, Làser i Òptica: Kit per la difusió del seu coneixement