Experimentos y actividades relacionados con la luz - Fotometeoros
Referencias:
| Fácil | |
Para los más chiquitos | |
Complicado | |
Requiere Materiales de laboratorio o instrumental | |
Tiene nota de seguridad | |
Ángulo entre los rayos del sol y la superficie terrestre
Refracción de la luz - El lápiz que engorda
Refracción: Los tres alfileres
Refracción:
una moneda que aparece y desaparece
Espejismos:
Espejismo inferior
Dispersión de la luz:
El cielo es azul
Ángulo entre los rayos del sol y la superficie terrestre
Materiales:
Linterna, globo terráqueo
Procedimiento:
Ilumina con la linterna haciendo que los rayos de luz incidan en el globo terráqueo con distintos ángulos. Observa que si los rayos llegan perpendiculares a la superficie se produce un reflejo intenso y pequeño. Cuando el ángulo con el que llegan los rayos es muy oblicuo, el área iluminada es mayor y más débil.
| Esta relación, entre la intensidad de la radiación solar y el ángulo de incidencia de los rayos se describe como la ley de Lambert. |
Materiales:
Peine, espejo, fuente de luz
Procedimiento:
Sostén un peine en línea directa con la luz. La luz debe poder pasar entre los dientes del peine. Coloca un espejo en el trayecto de los rayos luminosos. Observa que cuando los rayos golpean el espejo son reflejados con el mismo ángulo.
| El primero en realizar prácticas usando conocimientos de óptica fue Arquímedes. En el año 214 a.C., durante la conquista de Sicilia por los romanos, utilizó espejos para focalizar la luz del sol en las botas de los invasores. De esta manera las botas se prendían fuego. Después de la captura de Siracusa, durante la segunda guerra Púnica, Arquímedes fue asesinado por un soldado romano que lo encontró realizando un diagrama matemático en la arena. Arquímedes estaba tan absorbido con su cálculo que ofendió al soldado por pararse sobre él. El líder de la tropa lamentó su muerte y ordenó erigir un monumento sobre su tumba. |
| Ptolomeo en el siglo II a.C, investigó lo que ocurría con un rayo de luz cuando pasaba de una sustancia transparente a otra y volcó sus observaciones en un tratado al que llamó "Óptica". De acuerdo sus observaciones, el ángulo de refracción en el agua era más pequeño que en el aire. No encontró la relación exacta entre ambos ángulos, eso pasó 15 centurias después, cuando Willebrord Snell formuló la ley de refracción: El cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante (n). Esta constante es el índice de refracción. Snell correctamente concluyó que la luz viajando de un medio menos denso a otro más denso pierde velocidad y se curva hacia adentro respecto de la normal (perpendicular al límite entre ambos medios). En cambio, pasando de un medio más denso a otro de menor densidad aumenta su velocidad y se desvía hacia afuera de la normal. |
Materiales:
Acuario, agua, gotas de leche, linterna, transportador
Procedimiento:
Llena el acuario con agua. Agrega unas gotas de leche para poder observar mejor. Ilumina con una linterna a través de una de las paredes del vidrio del acuario en un cuarto oscurecido. Mide el ángulo de incidencia y el de refracción con un transportador.
Nota que existe un ángulo crítico en el que la luz sigue la interfase entre el agua y el aire. A ángulos mayores que este, la luz se refleja hacia adentro del acuario y no se refracta. A este fenómeno se lo llama reflexión total.
Refracción de la luz - El lápiz que engorda
Materiales:
Vaso, lápiz, agua
Procedimiento:
Llena el vaso con agua. Coloca el lápiz verticalmente en el vaso y muévelo hacia arriba y hacia abajo, acercándolo y alejándolo de ti. Verás que el lápiz cambia de grosor.
El efecto de magnificación podría no ocurrir si la superficie del vaso no fuera curva. La superficie curvada hace que la luz refractada llegue a nuestros ojos desde esa dirección dándonos la impresión de que el lápiz es más gordo de lo que realmente es.
 La
densidad de la atmósfera disminuye a medida que nos alejamos de la
Tierra. Por eso los rayos luminosos en su trayectoria atraviesan capas de
distinta densidad sin solución de continuidad. En esas circunstancias el
rayo se acercará a la normal. Esos rayos luminosos conforman una
trayectoria, de manera que el astro observado en la esfera celeste
aparentemente se apreciará a una altura mayor que la real. El astro se
observará sin variaciones de altura sólo cuando está en el cenit. |
Refracción: Los tres alfileres
Nota de seguridad Ten cuidado, puedes lastimarte. Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto
Materiales:
Cartón, tres alfileres, recipiente con agua
Procedimiento:
En
un cartón coloca dos alfileres (a y b). Introduce el cartón en el agua de
manera tal que uno de los alfileres quede sumergido (a) y el otro sobre la
superficie libre del agua (b). Ubica un tercer alfiler (c) en la parte no
sumergida del cartón de modo que al observarlo desde el borde superior quede en
línea recta con los otros dos. Ahora retira el cartón del agua. ¿Qué pasó?
¿No están alineados? . Traza sobre el cartón una línea recta (m) que pase
por b y que sea paralela a la superficie del agua. Ahora traza otra recta (n)
perpendicular a m. Puedes medir ya los ángulos de incidencia (i) y de
refracción (r) y verificar que el seno de i / seno de r = índice de
refracción (para el agua 1.333)
Cuando el rayo de luz que proviene de la moneda llega a la superficie que separa el agua del aire, se produce un cambio en la dirección en que se propaga (se refracta). Como consecuencia de este cambio de dirección, se vuelve a ver la moneda.
Espejismos: Espejismo inferior
| Cuando la temperatura del aire decrece
con la altura, como en los días en que la superficie es calentada por el
sol, la luz sigue un patrón cóncavo hacia arriba. En ese caso, una
escena distante aparece debajo de su posición real. A este fenómeno se
lo llama espejismo inferior. Cuando la temperatura del aire aumenta con la altura (inversión
térmica) los rayos luminosos siguen un patrón cóncavo hacia abajo, y en
ese caso una escena distante aparece por encima de su posición real. A
este fenómeno se lo llama espejismo superior. Un tipo especial de
espejismo superior es la "Fata Morgana" (se
recuerda con este nombre a un personaje fabuloso, media hermana del
caballeresco rey Arturo) que se observa en el Estrecho de Mesina, entre
Calabria y Sicilia. |
Materiales:
Bandeja de aluminio (de 3 metros x 20 cm de ancho), arena, calentador a gas.
Nota de seguridad: Este experimento sólo debe realizarse en condiciones seguras dentro de un laboratorio
Procedimiento:
Calienta el aluminio desde abajo con el calentador. Las llamas deben estar separadas a intervalos regulares de 10 cm entre sí y conectadas a la línea de gas. Cubre la bandeja con arena para evitar el reflejo. Monta una escena desértica en un extremo. Observa esta escena desde el otro extremo y verás cómo estos objetos se ven como si hubiera un espejo en la superficie. Este es un espejismo inferior.
Materiales:
Tanque construido con sus lados de vidrio y fondo de plástico claro (60 cm de longitud, 30 cm de alto y 8 cm de ancho), agua, sal y linterna.
Procedimiento:
Llena el tanque hasta la mitad con agua saturada de sal. Introduce una capa de agua fresca encima (incorporándola lentamente para que no se mezcle con la capa anterior). Enciende la linterna e ilumina el tanque. Observa cómo la luz se tuerce. Este experimento muestra cómo los rayos se curvan con un patrón cóncavo hacia abajo. Este es el mecanismo de un espejismo superior.
| Varias historias sobre islas fantasmas son conocidas. Una es la leyenda de la isla de San Borondón en Canarias. La Isla de San Borondón, la más recóndita, la que cuando se busca no se halla y, cuando no se busca, se halla. ¿Qué es la Isla de San Borondón? Es una isla que aparece donde no la hay, en medio del mar, llena de misterio, donde la mente del hombre ha deseado siempre ir, atraído por su inaccesibilidad y carácter huidizo. Suele aparecer al oeste del archipiélago Canario. Se ha dicho de ella que es una nave de entidades extraterrestres, una isla ballena, una isla itinerante. Aunque hoy en día la teoría más aceptada es que es un espejismo que regala el océano a los pocos y privilegiados testigos que la llegan a ver. Otra es la historia de Crocker Land, cerca de la isla de Baffin en Canadá. Los marineros que quisieron alcanzarla no lo lograron. A medida que se desplazaban, también lo hacía esa tierra. Si ellos se detenían la tierra se detenía. Cuando anocheció la tierra desapareció. Crocker Land fue sólo un espejismo y estos navegantes creyeron ser víctimas de una broma de la naturaleza. |
 En
días de intenso calor, por acción de la radiación solar, el suelo se
calienta y se produce el recalentamiento de las capas de aire cercanas a
él. A medida que se alejan de la superficie terrestre, las capas absorben
menos calor y por lo tanto tienen mayor densidad. En estas condiciones los
rayos luminosos del sol, al pasar de una capa a otra de menos densidad se
alejan de la normal (perpendicular a la superficie) Este proceso se repite
hasta que el ángulo de incidencia es igual al límite y el rayo
refractado resulta rasante a la superficie como en el caso del camino
aparentemente mojado. A partir de este instante al atravesar nuevas capas,
el ángulo será mayor y se produce la reflexión total. Suele observarse
este fenómeno en el campo con la formación de lagunas o esfumados
bosquecillos en días de altas temperaturas, baja presión y elevado
contenido de humedad. |
 El
halo es un anillo luminoso que rodea al sol o la luna. Se produce por la
refracción de la luz en los cristales de hielo de las nubes altas (cirrostratos).
El más común es el halo de 22º y el menos común es el de 46º. El halo
de 22º se produce por la refracción de la luz en cristales de hielo que
están aleatoriamente orientados en un plano perpendicular al rayo de
incidencia de la luz solar. En cambio el halo de 46º se produce por la
refracción de la luz en cristales de hielo con forma de columna hexagonal
orientados de la forma en que se observa en figura que se adjunta.
Como las nubes cirrostratos generalmente preceden a los frentes calientes, la observación del halo es un indicio de posibles precipitaciones entre 24 y 48 horas. |
Materiales:
Dos dedos de su mano
Procedimiento:
Mira a través del espacio entre dos dedos de tu mano (índice y mayor) que estén casi tocándose entre sí. Verás aparecer una línea oscura.
Estas líneas están causadas por la difracción e interferencia de la luz a través de ese espacio.
Nota de seguridad Ten cuidado con el fuego. Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto
Materiales:
Cartón, cinta adhesiva, vela, dos filos de una hoja de afeitar, tijera
Procedimiento:
Interpone, justo frente a un ojo, una ranura muy estrecha formada por los filos de dos hojas de afeitar pegadas con cinta adhesiva sobre una ranura más ancha recortada en una tira de cartón. Mirando solamente por este ojo una luz distante, por ejemplo de una vela colocada a unos metros de distancia, esperaríamos percibir la imagen de la flama (a); sin embargo, si la ranura es suficientemente estrecha, se perciben varias imágenes como en la figura (b)
El fenómeno de la difracción de la luz contradice la hipótesis de la propagación rectilínea de la luz. Parece que la luz, después de todo, sí puede dar la vuelta a los objetos opacos.
| Un jesuita italiano, Francesco Grimaldi
(1618-1663), físico y astrónomo, en 1665 descubría un importante fenómeno
óptico llamado por él mismo difracción de la luz.
Reconoció que la luz puede "doblar" alrededor de un objeto.
La difracción consiste en hacer pasar la luz por una rendija muy estrecha. ¿Qué puede conseguirse con eso? Para verlo imaginemos que lanzáramos una piedra a un lago y nos fijáramos en cómo van evolucionando las ondas así generadas. Mientras éstas no encontraran ningún obstáculo simplemente veríamos cómo los círculos concéntricos irían haciéndose cada vez mayores. Si las ondas, en cambio, se toparan con un muro que tuviera una rendija vertical, podríamos observar cómo del agujero surgirían nuevas ondas circulares. Es decir que si de una luz emitida se separa una fracción interponiendo un cuerpo opaco, se originan nuevas fracciones. De allí su nombre difracción, que significa división en fracciones. |
Materiales:
Una pluma
Procedimiento:
Mira detenidamente a través de una pluma. Aparecerán bandas de difracción. La posición de las bandas oscuras y brillantes dependerá del espacio entre los elementos de la pluma y la longitud de onda de la luz.
| La corona (solar o lunar) es un
fotometeoro que se produce cuando el sol o la luna se ven a través de un
velo delgado de nubes compuesto por pequeñas gotas de agua. Un anillo
luminoso aparece alrededor. Se produce con nubes medias y bajas
estratiformes debido a
la difracción de la luz solar. Como estas nubes generalmente preceden a
los frentes calientes, su observación indica la posibilidad de
precipitaciones en las próximas 12 a 24 horas.
De manera análoga a la pluma, en la corona, la posición de los anillos brillantes y oscuros dependerá del tamaño de las gotas de nube y de la longitud de onda de la luz. Si las gotas difieren en tamaño se formarán anillos de colores con el rojo en el exterior y el azul en el interior. |
| El anillo de Bishop es un fotometeoro provocado por la difracción de la luz sobre partículas de tamaño muy fino de origen volcánico que se encuentran suspendidas en la atmósfera superior, se observa como un círculo blanquecino centrado sobre un astro. |
Dispersión de la luz: El cielo es azul
| Newton argumentó que el color azul del
cielo se debía a la reflexión de la luz del sol en gotas huecas de agua,
pero su teoría estaba errada ya que estas gotas no existen en la
atmósfera. En 1881, John Tyndall proveyó la correcta explicación basada en los estudios de Lord Rayleigh. Concluyó que el color azul del cielo se debe a la dispersión de la luz por las moléculas de aire. Este tipo de dispersión se da en moléculas más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible. La intensidad de la dispersión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Las longitudes de onda menores por lo tanto son las más dispersadas (azul y violeta). Cuando uno observa un objeto distante, ve la luz reflejada por dicho objeto en su dirección y en adición la luz dispersada en esa misma dirección. Por lo tanto, el contraste de ese objeto se reduce. El mismo objeto observado a través de un tubo de papel aparece más nítido, ya que el tubo reduce la cantidad de luz dispersada que llega al ojo. Las partículas más grandes (por ejemplo los cristales de hielo o las gotas de agua) no siguen la fórmula de Rayleigh. Su dispersión se llama dispersión de Mie (por el físico alemán Gustav Mie, quien la descubrió en 1908). La luz es dispersada de la misma manera para todas las longitudes de onda y por lo tanto es blanca. Esto explica la blancura de las nubes. El humo del cigarrillo aparece azul, pero cuando el humo es expulsado de la boca aparece blanco. Esto se debe a que se mezcla con gotas de agua. |
Materiales:
Vaso de vidrio, 1 gotero, leche, lámpara de mano, agua.Procedimiento:
Llena las 3/4 partes de un vaso con agua. Agrega unas gotas de leche. Mira a través del vaso (perpendicularmente al rayo directo de luz). Este lado se verá de color azul. Ahora mira a través del vaso en la dirección en que llegan los rayos de luz, se verá color rojo.La leche contiene moléculas de grasa que dispersan la luz en base a la dispersión de Rayleigh. Cuando la concentración de la leche es grande, el vaso se verá blanco debido a una dispersión múltiple o de Mie.
Las moléculas de la leche hacen un efecto similar al de las moléculas de gases atmosféricos.
| En 1666 Newton obtuvo experimentalmente, al hacer pasar un haz de luz por un prisma, el espectro de luz visible. Concluyó que la división de la luz en diferentes colores era causada por la refracción de la luz y que cada color del espectro tenía su propio ángulo de refracción. También demostró que podía recapturar la luz en un segundo prisma y fusionar todos los colores en luz blanca. " La luz es una mezcla homogénea de diferentes rayos refractables". |
Materiales:
Recipiente con agua, espejo, linterna
Procedimiento:
Coloca un espejo en el recipiente, de manera que forme un ángulo de aproximadamente 30º con la superficie del agua. Oscurece la habitación e ilumina el espejo con la linterna. Bandas de colores aparecerán en el techo.
El agua actúa como un prisma refractando cada color del espectro con diferente ángulo
Materiales:
Cartón, crayones, eje de un trompo
Procedimiento:
Haz un círculo de cartón de unos 6 cm de diámetro. Divídelo en 6 secciones. Pinta con los crayones en el siguiente orden: rojo, verde, azul, rojo, verde, azul. Sujeta el cartón al eje del trompo. Gíralo. El cartón se verá color blanco.
De otra manera...
También
puedes utilizar tres proyectores cubiertos cada uno con papel celofán rojo,
verde y azul. Haciendo coincidir los haces luminosos en una pantalla verás que
allí donde los tres haces se intersecan, la luz es de color blanco.
| Los griegos asociaban el arco iris a la
diosa Iris. En 1310 un monje dominicano alemán, Theodoro de Freiberg
presentó una explicación a este fenómeno. Argumentó que la luz del sol
cuando ingresa a una gota, cambia de dirección por refracción y luego
sale de la misma por reflexión, sólo para ser refractada nuevamente
antes de llegar a la vista del observador.
El arco iris secundario involucra dos reflexiones en el interior de la gota. La luz roja sale de la gota con un ángulo de 50º respecto de la dirección de la luz solar, en tanto que la luz azul lo hace con un ángulo de 53º. El arco iris secundario entonces se ve a 53º con los colores invertidos. |
Materiales:
Frasco con agua, linterna, papel blanco
Procedimiento:
Apoya el frasco sobre una lámina de papel blanco. Oscurece la habitación e ilumina con la linterna a través del frasco de vidrio (representa la gota de lluvia). Podrás ver el arco iris sobre el papel.
De otra manera...
También puedes hacer la prueba de rociar agua con la manguera en un día soleado. Haz un spray de agua hacia el sol y verá el arco iris. Si viajaste a las Cataratas del Iguazú (Misiones - Argentina), habrás visto el arco iris formándose en los saltos de agua, lo que hace más maravilloso el paisaje.
| Algunas preguntas que
nos hacemos sobre el arco iris...
¿Dónde está el sol cuando vemos el arco iris? Siempre detrás nuestro. ¿Cuál es la distancia del arco iris? Está tan lejano o cercano como lo estén las gotas de lluvia que lo forman. ¿Qué hace que el arco iris sea más o menos nítido? La "pureza" de los colores del arco iris depende del tamaño de las gotas de agua. Las gotas grandes (diámetros de algunos milímetros) producen los arco iris brillantes con colores bien definidos; las gotitas pequeñas (diámetros de cerca de 0,01 milímetros) producen los arco iris de colores lechosos casi blancos. Como nunca las gotas de lluvia tienen un solo tamaño sino una mezcla de muchos tamaños y formas, los arco iris no son homogéneos sino compuestos. ¿Por qué no vemos un círculo completo? Porque la tierra está en su camino. Cuanto más bajo está el sol, más del círculo vemos. Cuanto más alto está el sol, más pequeño es el arco del arco iris sobre el horizonte. ¿Por qué es raro ver el arco iris al mediodía?. Recuerde que el sol está justo del lado opuesto al del arco iris y a la altura de su centro, de modo que el arco iris estaría tan por debajo del nivel del observador como alto estuviera el sol sobre él. |
| El
rayo verde es aquel que aparece por encima del sol durante el amanecer o
atardecer. Desde
muy antiguo se ha documentado este fenómeno, pues inscripciones del
antiguo Egipto hacen mención a un Sol poniente de color verde. La primera
referencia científica moderna apareció en la revista Nature en 1883.
Como las condiciones más favorables para su observación se dan en el
horizonte marino, se pensó en un primer momento que era el color del mar
el responsable, al atravesar los últimos rayos del Sol las crestas de las
olas. Sin embargo, esta hipótesis fue pronto desechada, pues el inusual
rayo se manifiesta también sobre horizontes terrestres si éstos son
llanos.
Los factores que realmente determinan la aparición del rayo verde son los fenómenos atmosféricos de refracción, difusión y absorción. La refracción, como es sabido, separa -como ocurre en la formación del arco iris- los distintos colores del espectro. Por otra parte, debido a la composición de nuestra atmósfera, las longitudes de onda azul y violeta son dispersadas en todas las direcciones por las moléculas del aire, y por ello la luz azul, durante el día, parece provenir de todas partes. La absorción causada por el polvo y otras partículas en suspensión en el aire puede influir en los colores que muestra el Sol en el momento de ocultarse, presentando según las ocasiones un color más rojizo, más anaranjado...Asimismo, la presencia de nubes, turbulencias atmosféricas, distinta concentración de vapor de agua, etc. producen cada día unas condiciones distintas, y la diferencia de temperatura entre distintos estratos o capas de aire puede dar lugar a fenómenos de reflexión y distorsión que también se sumen a los factores que nos interesan. Cuando el Sol se acerca al horizonte, la refracción atmosférica separa los distintos colores del disco solar, quedando en su borde superior, en este orden, el violeta, el azul y el verde. Sin embargo, el violeta y el azul son difundidos por la atmósfera, con lo cual en el momento en que ya sólo el borde superior del disco es visible, es el color verde el que llega a nuestros ojos. La duración lógicamente depende de la velocidad con que el Sol se pone, y ésta se relaciona con la inclinación del ecuador celeste respecto del horizonte: así, el Sol se pone verticalmente y por tanto más rápido en el Ecuador, donde el rayo verde es aún más breve; y mucho más lentamente cerca de los Polos, donde el Sol puede estar más de una hora poniéndose y el rayo verde, por ende, puede permanecer hasta varios minutos: se han llegado a registrar duraciones de hasta 35 minutos. |
Materiales:
Un vaso, papel blanco, agua y leche
Procedimiento:
Coloca un vaso lleno de agua junto a una ventana en el trayecto de un rayo de sol. Coloca un pedazo de papel blanco en el piso, de manera que podrás observar el arco iris sobre el papel. Agrega unas gotas de leche. Como resultado el violeta del arco iris se tornará verde.
Durante el fenómeno del rayo verde, la luz violeta y azul es dispersada por las moléculas de aire. De manera análoga, las gotas de leche cumplen con esa función.
| Otro fotometeoro....El espectro de Brocken es un fenómeno óptico que aparece cuando tenemos el sol a nuestra espalda y nuestra sombra se proyecta sobre niebla. Las pequeñas gotas de agua flotando en el aire dispersan hacia atrás la luz que les llega (backscattering), rodeando el punto antisolar de la sombra con un halo blanco o ligeramente iridiscente. Para que se forme este fenómeno la niebla debe ser muy densa y estar formada por gotitas muy pequeñas. Un origen similar tienen las glorias visibles como pequeños arco iris circulares que rodean la sombra del avión en el que viajamos cuando ésta se proyecta sobre las nubes, o nuestra propia sombra si estamos de espaldas al sol en algún lugar montañoso, por encima de un mar de nubes. Cada observador puede ver su propia gloria. La luz del sol que causa las glorias es refractada y reflejada hacia atrás respecto del sol por las gotas de nube. Además, las gotas que forman la gloria son más pequeñas que aquellas que forman el arco iris y en adición difractan la luz incidente y reflejada del sol. |
En
el siglo XVII, René Descartes utilizó el esquema de una
gota. Determinó que luego de dos refracciones y una reflexión, la luz
roja del espectro sale de la gota con un ángulo de 42º (respecto de la
dirección de los rayos solares), en tanto que la luz azul lo hace con un
ángulo de 40º. Por lo tanto los demás colores se refractan con ángulos
intermedios. Como resultado el arco iris primario se ve a 42º con el
color rojo en su parte exterior y azul en el interior.