## Unidad Interactiva 4.3.3 # La luz y los cuerpos ### Referencia curricular ## Propósito El interactivo permite que el alumno manipule algunas variables para simular el comportamiento de la luz, con el fin de que distinga las propiedades geométricas que se presentan tanto en la reflexión como en la refracción de la luz. Destrezas científicas: Observar el comportamiento de la luz al atravesar ciertos objetos. Identificar la reflexión y la refracción de la luz. ## Instrucciones Generales Esta unidad contiene dos escenas: 1. La luz y los cuerpos 1 (Reflexión de la luz) 2. La luz y los cuerpos 2 (Refracción de la luz) Se puede pasar de una a otra con el menú que aparece en la parte inferior derecha. Este menú está siempre visible mientras la unidad esté activa. Los botones tienen las funciones siguientes: Permite cambiar de escena. Brinda acceso a la ayuda de las escenas interactivas. ### 1. La luz y los cuerpos 1 (Reflexión de la luz) Esta escena muestra de forma simple cómo actúa la luz cuando incide en un espejo. Al abrir la escena, aparece la ley de la reflexión de la luz. Consta de dos partes: Ley de la reflexión de la luz Espejos Para pasar de una parte a otra, hay que pulsar el botón de la parte inferior central, que dice "Ir a espejos" o bien, "Ir a ley de la reflexión", según el caso. Veamos la funcionalidad de cada parte. Ley de la reflexión de la luz: Esta escena se despliega automáticamente al abrir el interactivo. La pantalla está dividida verticalmente en dos partes, simulando un espejo plano. En la sección derecha se encuentra el objeto que se refleja en el espejo, representado por un punto de color rojo P. Este punto puede moverse a voluntad arrastrándolo mediante el ratón. Del punto P surge un rayo de luz representado por una línea amarilla, el cual incide en el espejo, que es la línea vertical negra que divide las secciones. Este rayo incide en dicho espejo con determinado ángulo de incidencia αi, representado por un área sombreada de color verde, y es reflejado con un ángulo igual αr, representado mediante un área sombreada rosa. En la sección derecha, esto es, del otro lado del espejo, se indica el punto P reflejado. Al mover el punto P, se hace variar el ángulo de incidencia, y, en consecuencia, el ángulo de reflexión. La imagen de dicho punto se coloca en la posición que corresponde. Espejos: Hay dos posibilidades para trabajar con espejos curvos, a saber, convexos y cóncavos. Espejos convexos: Al pasar a esta parte, se despliega un espejo convexo. El objeto que se refleja es una flecha amarilla (con la finalidad de que se puedan apreciar las inversiones en la imagen, si es que suceden). La flecha se desplaza y/o cambia de tamaño al arrastrar el botón rojo mediante el ratón. De la punta de la flecha surgen tres rayos de luz, uno de los cuales se dirige al punto C, de color turquesa, que es el centro de curvatura del espejo. La imagen reflejada se construye mediante las reflexiones de estos rayos. El punto F es el foco del espejo. Existe también la posibilidad de modificar el centro de curvatura, arrastrando el punto turquesa C. Esta acción produce cambios en el tamaño de la imagen reflejada. Espejos cóncavos: El control "Tipo de espejo" permite elegir entre espejo convexo y espejo cóncavo. La funcionalidad en el segundo caso es igual a la descrita para el espejo convexo, es decir, puede variarse el tamaño y posición de la flecha, así como el centro de curvatura del espejo, y observar las características de la imagen reflejada. 2. La luz y los cuerpos 2 (Refracción de la luz) Esta escena muestra de forma simple cómo actúa la luz cuando pasa de un medio material transparente a otro igualmente transparente, pero con una densidad diferente. Al abrir la escena, aparece la ley de la refracción de la luz, también conocida como Ley de Snell. Consta de dos partes: L ey de la refracción de la luz o ley de Snell Lentes Para pasar de una parte a otra, hay que pulsar el botón de la parte inferior central, que dice "Ir a lentes" o bien, "Ir a ley de la refracción", según el caso. Veamos la funcionalidad de cada parte. L ey de la refracción de la luz o ley de Snell Esta escena se despliega automáticamente al abrir el interactivo. La pantalla está dividida verticalmente en dos secciones, simulando dos medios físicos contiguos, que pueden ser cualquier combinación entre materiales como aire, hielo, agua a 20°C, alcohol etílico, glicerina, vidrio o diamante. Los materiales se seleccionan pulsando los botones "Material 1" y "Material 2". Es posible incluso seleccionar el mismo material en ambas secciones. La línea vertical que divide las secciones representa la interfase entre los materiales. El rayo de luz incidente parte del punto de color rojo P, (que puede arrastrarse a voluntad mediante el ratón) forma con la línea de interfase un ángulo de incidencia Θi, representado mediante un área sombreada verde. El rayo incidente, al atravesar la interfase, se refracta con un ángulo Θr, indicado mediante un área sombreada rosa. Se indica también la parte del rayo incidente que se refleja. Al mover el punto P, se hace variar el ángulo de incidencia, y, en consecuencia, el ángulo de refracción. Cada vez que se elige un material, aparece una indicación llamada "Índice de refracción". Lentes Al pasar a esta parte, se despliega por omisión una "Lente biconvexa", la cual formará una imagen de un objeto (en este caso, una flecha roja), cuando la luz que parte del mismo atraviesa la lente, experimentando una doble refracción. De la punta de la flecha surgen varios rayos de luz, los cuales se refractan al pasar del material exterior a la lente (que se asume siempre que es aire) al interior de la lente, que puede ser de diversos materiales: hielo, agua a 20°C, alcohol etílico, solución de azúcar en agua al 30% de concentración, glicerina, vidrio o diamante. El material que se presenta por omisión es el vidrio, por ser el más común en las lentes. Cuando los rayos de luz salen por el otro lado de la lente, vuelven a refractarse. La imagen producida se construye mediante las refracciones de estos rayos. . La flecha se desplaza y/o cambia de tamaño al arrastrar el botón rojo mediante el ratón. Para cambiar el material de la lente, debe pulsarse el control "Material de la lente", ubicado en la parte inferior central, arriba del control "Ir a la ley de refracción", con el cual se regresaría a la parte anterior. Para cada material elegido, se desplegará su correspondiente "Índice de refracción". El punto F indica siempre el foco de la lente. Existe también la posibilidad de modificar la convexidad de la lente, pulsando los botones "(+)" y "(-)" del control naranja "Convexidad de la lente". En el cuadro blanco aparece un número que indica el valor de esta convexidad. Cuando la convexidad de la lente se disminuye a cero, la lente se convierte en una lente plana, y se despliega la leyenda correspondiente. Al continuar disminuyendo el valor de la convexidad, se generan convexidades negativas (de hecho, la superficie es ahora cóncava), y la denominación de la lente cambia a "lente bicóncava". La funcionalidad es idéntica a la descrita para las lentes biconvexas o planas. ## Sugerencias didácticas Eje temático: Bloque IV. Manifestaciones de la estructura interna de la materia. Tema: Los fenómenos electromagnéticos. Subtema: ¡Y se hizo la luz! Las ondas electromagnéticas. Destrezas científicas: Identificar y describir los fenómenos de reflexión y refracción de la luz. Conocimientos previos: En primaria se aborda la luz desde el punto de vista de la energía luminosa o radiante. Nociones: L os alumnos han tenido contacto con espejos y lentes del tipo lupas o anteojos, lo cual les provee de una bagaje a nivel fenomenológico y vivencial del comportamiento de la luz al reflejarse en espejos o superficies suficientemente pulidas, así como la posibilidad de observar imágenes aumentadas a través de lentes biconvexas. Estrategias didácticas: 1. La luz y los cuerpos 1 (Reflexión de la luz) Ley de la reflexión de la luz Pregunte a los alumnos cómo es el ángulo del rayo incidente respecto al ángulo del rayo reflejado. A partir de la observación y de la lectura de los valores, podrán concluir que estos ángulos son iguales. Coménteles que este hecho se conoce como la ley de la relfexión de la luz, y que se cumple en todos los casos, aún si el espejo es curvo, como podrán observar en la parte siguiente. Haga notar a los estudiantes que la imagen del punto P siempre se localiza "detrás del espejo", independientemente de la posición de dicho punto. Espejos Espejos convexos: Resalte a los alumnos que la imagen de la punta de la flecha está justamente en la intersección de los rayos reflejados. Los números que aparecen junto al objeto (flecha) y su imagen, dan una idea de la variación en los tamaños respectivos. Pida a los alumnos que describan las características de la imagen en este tipo de espejos, planteando preguntas como: ¿la imagen producida por los espejos convexos es invertida o derecha? ¿Es mayor o menor que el objeto? ¿En qué posición se produce la imagen respecto al espejo, el foco y el centro de curvatura? Se espera que los alumnos se percaten de que la imagen reflejada siempre se localiza entre el foco y el espejo propiamente dicho. Pregunte a los estudiantes cómo se modifica el tamaño de la imagen al variar la curvatura de la lente. Espejos cóncavos: En este caso, se sugiere plantear a los estudiantes las mismas preguntas que las recomendadas para el espejo convexo. Pídales que desplacen la flecha a todas las posiciones posibles, y que comparen las características de las imágenes respecto al caso del espejo convexo. Haga hincapié en que en este espejo, dichas características varían según la posición del objeto respecto al centro de curvatura, el foco y el espejo en sí. Ellos notarán que si la flecha se encuentra a la izquierda del punto C, la imagen es invertida, más pequeña y localizada entre C y el foco F. Si el objeto está entre C y F, la imagen es invertida, de mayor tamaño y localizada a la izquierda de C. Finalmente, si el objeto se sitúa entre el foco F y el espejo, la imagen es derecha, ligeramente más grande y se encuentra "detrás" del espejo (esto último es similar a lo que sucede en los espejos planos). 2. La luz y los cuerpos 2 (Refracción de la luz) L ey de la refracción de la luz o ley de Snell Pida a los estudiantes que seleccionen todas las combinaciones posibles entre el "Material 1" y el "Material 2", y que observen cómo cambia el ángulo de incidencia respecto al ángulo de refracción, según los materiales elegidos en cada sección. Es conveniente que observen cómo son los ángulos si de ambos lados hay el mismo material; se espera que concluyan que si el medio físico es el mismo, el ángulo de incidencia y el de refracción son iguales; es decir, la luz sólo sufre el fenómeno de refracción si pasa de un material a otro de densidad diferente, lo que da lugar a la propiedad llamada Índice de refracción. Cuando los materiales son iguales en ambos lados, haga notar a los alumnos que el rayo de luz no experimenta refracción. Se sugiere comentar a los estudiantes que el índice de refracción es una propiedad específica de cada material. Lentes Se recomienda solicitar a los estudiantes que observen detenidamente el fenómeno de doble refracción que se consigue mediante una lente. Puede preguntarles porqué en la parte anterior no se formó imagen del punto rojo, mientras que en esta parte sí aparece la imagen de la flecha roja. La idea es que se percaten de que en la lentes se produce una doble refracción de cada rayo luminoso que parte del objeto: la primera, al pasar del aire al material del que esté hecha la lente, y la segunda, al pasar de nuevo de la lente al aire. Para reafirmar esta noción, puede plantearles la siguiente cuestión: ¿Qué pasaría si la lente estuviese hecha del mismo aire que la rodea? ¿Se formaría una imagen? ¿Habría refracción de la luz? ¿Por qué? Pida a los alumnos que muevan la flecha y cambien su tamaño, y observen las características de la imagen; por ejemplo, si está invertida, si es más grande o más pequeña que la flecha, si aparece del otro lado de la lente o no, conforme acercan la flecha a dicha lente, etcétera. En general, ellos observarán que si la flecha no se acerca demasiado a la lente, la imagen es invertida y del mismo tamaño. Si acercan más la flecha, la imagen será derecha, de mayor tamaño y aparecerá del lado izquierdo de la lente. Pregúnteles si conocen algún dispositivo óptico que produzca estos efectos; es probable que se percaten que se está representando el comportamiento de una lupa. De hecho, pueden concluir que una lupa es una lente biconvexa. Cerciórese de que los alumnos eligen todos los materiales posibles, y pídales que describan en sus palabras qué diferencias encuentran en las imágenes producidas por la lente virtual en cada caso. Una pregunta sugerida es: ¿Cómo se relaciona el índice de refracción de la lente con la distancia a la que se produce la imagen? ¿Y con su tamaño? Solicite a los estudiantes variar la convexidad de la lente y fijarse en cómo se modifica la imagen del objeto flecha. Pueden observar, por ejemplo, que aumentando la convexidad, y estando la flecha cerca de la lente, la imagen es cada vez mayor. Esto indica la potencia de la lente (semejante a una lupa), donde, a mayor convexidad, se obtiene mayor aumento en la imagen. Cuando la flecha está lejos de la lente, sucede lo contrario: la imagen (que es invertida y está al otro lado de la lente) se hace progresivamente menor al aumentar la convexidad. Pida a los estudiantes que disminuyan el valor de la convexidad a cero, y que noten que la lente es ahora una lente plana. Pregúnteles cómo es la imagen formada en este caso. Pueden cambiar el material y mover la flecha roja; en cualquier caso, los rayos de luz siempre divergen y no se forma imagen alguna. Hágales notar que en este caso especial, el foco F desparece. Para las lentes bicóncavas, se sugiere plantear a los alumnos las mismas preguntas que se hicieron para el caso de las lentes biconvexas, en cuanto a las características de las imágenes en función del material de la lente, de la distancia del objeto flecha a la misma, así como de su valor de convexidad. ### Datos curiosos sobre la luz: La velocidad de la luz cuando se propaga en el vacío es constante; este fenómeno forzó a los científicos a considerar que el espacio y el tiempo tienen una geometría que presenta curvaturas y deformaciones. Así se originó la teoría de la relatividad especial propuesta por Einstein en 1905. La luz ejerce presión sobre los objetos de forma similar a como lo hace el viento. Para conocer más sobre este fenómeno investiga sobre el Radiómetro de Nichols. ## Créditos Autor Claudio Francisco Nebbia Rubio Propuesta de contenido Helena Lluis Arroyo Agradecimientos A Oscar Escamilla González por la aportación de valiosas ideas para el desarrollo de la unidad. Reconocimientos La escena "La luz y los cuerpos 2" está inspirada y utiliza ideas de José Luis Abreu plasmadas en los archivos de ayuda del applet Descartes, en el apartado de Óptica, dentro de la sección de aplicaciones de la Física. Pueden consultarse en: http://arquimedes.matem.unam.mx/descartes.org.mx/descartes/web/materiales_profesor/Documentacion_4D/index.html. Adaptación a DescartesJS: Juan Gmo. Rivera Berrío y José R. Galo Sánchez (2016) Esta unidad interactiva fue desarrollada en el ILCE por el equipo de Ciencias II.
S us contenidos se distribuyen bajo una licencia de Creative Commons by-nc-sa. La unidad utiliza Descartes que es software libre.