Didáctica de la materia y la energía. Prácticas de Laboratorio

DIDÁCTICA DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA

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ANEXO: LA ENERGÍA

1. LAS ONDAS

Gracias a las ondas podemos pasar el tiempo hablando con una persona por teléfono,  viendo la televisión, oyendo música, cocinando un paquete de palomitas, contemplando  los colores de una flor, tomando el sol o "surfeando" en la playa.

Las ondas son perturbaciones en un medio que se  [pic 1]

desplazan en él en un tiempo determinado, y al  

hacerlo transportan energía. Por ejemplo, cuando  

lanzamos una piedra al agua, la piedra mueve el  

agua cuando toca su superficie, pero también se  

mueve el agua que se encuentra a su alrededor, sin  

que la piedra la haya tocado. Es decir, la piedra  

causó una perturbación en el agua y esta  

perturbación se propagó. Dicho de otro modo, se creó una onda que se propagó en el  agua (Figura 1). Al contrario que las ondas mecánicas (como la del ejemplo), las ondas  electromagnéticas pueden propagarse en el vacío, además de hacerlo en el aire o  materiales sólidos.

Cuando una onda llega a la superficie de separación entre dos medios distintos, por  ejemplo, el aire y el agua, se producen cambios en su velocidad y en general en la forma  en la que la onda se desplaza. Así, la presencia de obstáculos en el camino de las ondas  sonoras causa que algunos sonidos se amplifiquen mientras que otros desaparezcan.  También causan ecos y reverberaciones.

Las ondas tienen unas características que las definen (Figura 2). Una onda tiene un valle  (punto más bajo) y una cresta (punto más alto). La distancia vertical entre la punta de la  cresta y el eje central de la onda se conoce como amplitud. Esta es la propiedad asociada  con el brillo, volumen, o intensidad, de la onda. La distancia horizontal entre dos crestas  o valles consecutivos de la onda se conoce como longitud de onda y está relacionada en  el sonido, con el tono, y en la luz, con el color. Podemos visualizar estas longitudes de  onda de la manera siguiente:

1 [pic 2]

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a. Reflexión, refracción y difracción

Reflexión, refracción y difracción son fenómenos ondulatorios que experimentan la luz,  el sonido, la vibración de la cuerda de una guitarra, las olas del mar y muchas ondas más.  Todas las ondas son capaces de experimentar los fenómenos de reflexión, refracción y  difracción.  

La REFLEXIÓN es el fenómeno que ocurre cuando un rayo de luz incide sobre una  superficie de separación de dos medios, la luz puede reflejarse sobre la superficie tal y  como sucede en el caso de un espejo plano (Figura 3). La REFRACCIÓN es el fenómeno  que sucede cuando un rayo de luz penetra en un nuevo medio experimentando un  cambio en su dirección tal y como sucede cuando la luz pasa del aire al agua (Figura 4).  En general, podemos decir que una parte de la onda incidente, una parte de su energía,  pasa al segundo medio y parte de la energía permanece en el mismo medio. Es decir, la  primera fracción de la onda se refracta y la segunda se refleja.  

La DIFRACCIÓN se produce cuando la onda "choca" contra un obstáculo o penetra por  un agujero, cuyo tamaño sea igual o menor al de su longitud de onda. Entonces se  doblan en el borde del obstáculo y siguen propagándose, pero distorsionadas (Figura 5).  Se produce mayor difracción cuanto menor sea el tamaño del obstáculo.

[pic 3][pic 4]

2 [pic 5]

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b. El espectro visible

La luz son ondas electromagnéticas que pueden ser percibidas por el ojo humano. El  espectro visible es el conjunto de longitudes de onda de todas las posibles (lo que  llamamos espectro electromagnético) que el ojo humano es capaz de percibir. La luz  que vemos con nuestros ojos es realmente una parte muy pequeña del espectro  electromagnético (figura 6) y corresponde a longitudes de onda de 380 a 750 nm. Este  es el rango en el que precisamente el sol y otras estrellas similares emiten la mayor parte  de su radiación y es por esta razón por lo que somos capaces de ver los objetos. Cuando  vemos que el cielo es de color azul o que las hojas son verdes es porque en ese momento  estamos recibiendo diferentes longitudes de onda en la banda de los 400 nm y los 700  nm.

[pic 6]

La luz blanca en realidad no es blanca, sino que está formada por muchos colores  diferentes. Como ya sabes, cuando la luz del Sol atraviesa pequeñas gotitas de lluvia se  descompone en los colores que la componen y se forma un arco iris. La primera  explicación del espectro visible la dio Isaac Newton en 1671, quien observó que cuando  un estrecho haz de luz solar incide sobre un prisma de vidrio triangular con un ángulo,  una parte se refleja y otra pasa a través del vidrio, mostrando diferentes bandas de  colores. Esta propiedad está relacionada con la refracción de la luz (Figura 4). El prisma  es capaz de descomponer la luz visible en sus componentes (espectro) de diferentes  colores, gracias a los diversos ángulos de refracción que presentan los diferentes colores  (o longitudes de onda) de la luz blanca. La atmósfera funciona como un prisma. Eso hace  que cuando el sol está cerca del horizonte, lo veamos con tonos más rojizos (como se ve  en la Figura 7, los tonos rojizos son los que menos se desvían), mientras que lejos de la  región del cielo donde se encuentra el sol, vemos el cielo con tonos azulados (estos  tonos son los que más se desvían, véase la Figura 7).

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[pic 7]

Aunque la radiación electromagnética es una onda, la teoría cuántica nos dice que en  ciertos procesos microscópicos puede comportarse como una partícula. El fotón es la  partícula elemental de la radiación electromagnética. La energía de estas “partículas de  luz” depende de la longitud de onda de la onda asociada, de modo que los fotones de  menor longitud de onda tienen mayor energía. Así, un fotón azul (400 nm) tiene más  energía que uno rojo (700 nm). A la derecha del espectro visible, encontramos las clases  de energía que son mayores en longitud de onda que la luz visible: los rayos infrarrojos  (IR), las ondas microondas y las ondas de radio. Estos tipos de radiación nos rodean  constantemente y no son dañinas, pues están formadas por fotones poco energéticos.  Por su parte, los rayos ultravioleta (UV), los rayos X y los rayos gamma, situados a la  izquierda del espectro visible, van a tener la capacidad de dañar nuestro ADN  (mutaciones que pueden producir cáncer), provocar reacciones químicas, etc, ya que  tienen longitudes de onda muy cortas (y por lo tanto, mucha energía). Por esta razón,  usamos loción protectora en la playa, ya que esta bloquea los rayo UV del sol) o los  técnicos de rayos X colocan una placa de plomo sobre nosotros.

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