Aprendiendo a Innovar:
El profesor Alejandro del Mazo, que ha dado clase en el Instituto Salinas de Salamanca, nos ha dado una clase sobre cómo hacer prácticas de física en secundaria y bachillerato con materiales caseros. Para esto, ha realizado una serie de experimentos que se describen a continuación:
EXPERIMENTOS DE ELECTROSTÁTICA:
Péndulo electrostático:
Para este experimento se necesita un péndulo (que se construirá con una bola de porexpan recubierta de grafito y un hilo), un tubo de PVC y una pieza de piel.
Cuando el tubo de PVC se frota con la piel, con lo que la piel desprende electrones que pasan al tubo, quedando este cargado positivamente. Al acercarlo al péndulo, este se ve atraído ligeramente, puesto que las cargas que tiene se polariza, quedando las cargas positivas más cerca del tubo como se muestra en la figura.
Si tocamos con un dedo el péndulo, este se descargaría, eliminando las cargas negativas, con lo que se vería muy atraído hacia el tubo,llegando a tocarlo.
Por otra parte si tocásemos el péndulo (sin descargar) con el tubo, las cargas se transmitirían de tal forma que ambos quedarían cargados con el mismo signo,por lo que se repelerían. Podemos ver este efecto en el siguiente vídeo:
Electróforo casero:
Un electróforo permite generar electricidad estática, mediante el uso de un condensador de plato simple, que consiste (en este caso) en unas hojas de PVC colocadas sobre papel de aluminio, sobre las cuales se coloca una bandeja metálica, unida a un mango aislante.
Al frotar la superficie de PVC con piel, esta queda cargada negativamente, con lo que, las cargas de la bandeja se polarizan. Al tocar esta se descarga de las cargas negativas, quedando cargada positivamente.
Para detectar la carga que ha adquirido el electróforo, se puede utilizar un Electrómetro de Henley casero:
Para construirlo se necesita una base metálica, unida a un mango aislante sobre el que se construirá un péndulo rígido, en el que el hilo será aislante y la bola será de porexpan recubierto con grafito. Además, tiene un transportador que permite la medida de ángulos. Quedará similar al que se muestra en la figura.
Podemos usar dicho electrómetro para ver la carga adquirida por el electróforo,tal y como se muestra en el siguiente vídeo
Además, el electróforo nos permite ver las cargas (si colocamos una peluca metálica, como la de la imagen, en el extremo de una
barra conductora colocada sobre el electróforo) y las líneas de campo, colocando hilos metálicos sobre la bandeja del electróforo o con bolitas de porexpan recubiertas de grafito e introducidas en un cilindro de plástico transparente cuyas bases tienen que ser metálicas. En ambos casos apreciamos que las líneas de campo son verticales.
También vimos un electroscopio casero, que resultaba muy sencillo de construir ya que simplemente se trataba de un trozo de cartón pluma colocado sobre una aguja, y que, al acercarle algo cargado, se alejaba del mismo. Funciona siguiendo el mismo sistema que el mostrado en el siguiente vídeo:
Como hemos visto, la bandeja del electróforo queda cargada positivamente, sin embargo,si queremos tener algo cargado negativamente, podemos obtenerlo mediante inducción, acercando el objeto sobre el que deseamos inducir carga a la bandeja sin que lleguen a tocarse.
Botella de Leyden casera:
Es posible construir una botella de Leyden casera usando simplemente tres tuppers, recubriendo dos de ellos con papel de aluminio para que sean conductores y dejando el tercero como aislante que irá colocado entre ambos. Hay que recordar el tornillo interior. Otra forma de construirlo sería usando un solo recipiente, que se recubre exteriormente con cinta metálica,y por dentro, unido al tornillo, tendría unos hilos metálicos en contacto con el aislante. Se muestran ambos en las siguientes figuras:
Podemos ver el funcionamiento de la botella de Leyden en el siguiente vídeo, así como la iluminación de una bombilla usando el electróforo:
Además, se puede descargar poco a poco el condensador, creando una campana electrostática que consiste en una bola metálica sujeta a un péndulo con otra bola. Al acercarse el condensador a este sistema, la bola del péndulo se siente atraída por el condensador, y cuando lo toca, una pequeña cantidad de carga del mismo se transmite a esta, debido a ello, se sentirá repelida, con lo que tocará la bola fija y se descargará, iniciando de nuevo todo el proceso, hasta que la carga del condensador no sea suficiente para atraer la bola. (OJO, no se descarga por completo). Podemos ver este proceso en el siguiente vídeo:
Efecto fotoeléctrico:
Si iluminamos con luz negra (UV próximo al visible, alrededor de 370 nm) un electroscopio cargado, podemos ver que este se descarga. Esto no debería producirse, puesto que la luz con esa longitud de onda no tiene la energía suficiente para superar la función trabajo del aluminio; sin embargo, al tener carga creada por inducción, estos electrones estarán menos ligados, permitiendo el efecto fotoeléctrico.
MOVIMIENTO ONDULATORIO:
Para la parte de movimiento ondulatorio, empezamos viendo ondas en una cuerda (creadas simplemente con una comba).
Ejemplo de ondas en una cuerda:
Además, vimos las ondas creadas por un muelle con una cuerda en su interior, esto permite introducir el concepto de ondas longitudinales y ondas transversales
Como las ondas creadas “a mano” en una cuerda suelen conseguir pocas longitudes de onda, puede utilizarse una cuerda atada a un taladro y a una barra para conseguir una longitud de onda menor.
Ondas longitudinales en una barra de aluminio
Comprobamos, que el aluminio transmite mejor las ondas longitudinales que las transversales. Para ello, será necesario tener una barra de aluminio y resina, se frota la barra con la resina, observando la vibración longitudinal, sabiendo, que en el punto desde el que sujetemos la barra habrá un nodo.
Con esto y un tubo de vidrio abierto por un extremo y cerrado por el otro mediante un émbolo, podemos calcular la velocidad del sonido en el aluminio y la frecuencia del mismo.
Para ello ponemos la barra de aluminio a vibrar con un nodo central delante del tubo, y vamos moviendo el émbolo buscando las resonancias. Marcamos como mínimo cuatro resonancias y medimos la longitud entre ellas y la de la barra. El problema se resolvería así:
Ondas en un tubo de vidrio:
Podemos oír las ondas sonoras amplificadas por un tubo de vidrio abierto por un extremo y cerrado por otro mediante un émbolo, si colocamos un diapasón delante del tubo y vamos moviendo el émbolo buscando las resonancias. Donde las resonancias coincidirán con los armónicos impares:
Este es el funcionamiento de los instrumentos de viento.
A partir de esto se pueden plantear varios problemas:
Tubo de Kundt
El tubo de Kundt, es un tubo de vidrio abierto por un extremo y cerrado por otro mediante un émbolo. Si introducimos corcho en polvo en su interior, podremos ver los armónicos que se forman en el tubo,puesto que el corcho se acumulará en los nodos de presión, que coincidirán con los vientres de velocidad.
Podemos ver como funciona en el siguiente vídeo:
https://www.youtube.com/watch?v=3dKvGaZA5lQ
Si tenemos en cuenta el mismo principio, pero en posición vertical, podemos construir un levitador acústico.
Podemos ver su funcionamiento en los siguientes vídeos:
https://www.youtube.com/watch?v=gTNOlqLmmiE
https://www.youtube.com/watch?v=hGl65W8vWxI
Aparte de todo esto, hemos visto visualmente el concepto de Resonancia utilizando un aparato de masajes, en el que, si haces vibrar una de sus puntas, acaban vibrando todas a la vez; es decir, entran en resonancia.
Además,hemos comprobado experimentalmente el Efecto Doppler al mover un diapasón que emitía sonido.
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA:
Pudimos ver también el efecto de la radiación electromagnética creada por una lámpara halógena y transmitida como un haz plano, gracias al montaje de dos espejos cóncavos, en cuyos focos estaban la lámpara y un papel de filtro impregnado en tinta china. El espejo que tiene la lámpara está construido de tal forma que se comporta como un espejo esférico en cuyo centro está el filamento de la misma.
Al encender la bombilla,el papel arde. Sin embargo si colocamos un filtro con agua,esto no ocurre,puesto que el agua absorbe la energía del IR que es la que hace arder el papel.
Sin embargo, al colocar un filtro oscuro, el espectro visible no pasa, sin embargo, si lo hace el IR,haciendo que el papel arda de nuevo.
https://www.youtube.com/watch?v=-wI-hB3kOUE
ÓPTICA GEOMÉTRICA:
Lente convergente:
Es posible crear un sistema de óptica geométrica como el de la figura usando como objeto una lámpara halógena, como lente convergente dos lupas unidas y con un diafragma entre ellas (para reducir la aberración esférica), proyectando sobre la pared la imagen de la lámpara.
Se puede apreciar la aberración cromática producida por la lente, si usamos un objetivo de cámara fotográfica esta aberración desaparece.
Utilizando este principio puede construirse una cámara oscura casera, tal y como se muestra en el siguiente vídeo:
https://www.youtube.com/watch?v=2_zz0xJW-L0
Espejo curvo:
Al igual que con la lente puede usarse un espejo curvo para proyectar en la pared la imagen de una lámpara halógena.
Reflexión y refracción:
Para este experimento se necesita un recipiente transparente, con un espejo en la base y una lámina detrás que indique los ángulos (como un transportador). Se llena el recipiente de agua, y se ilumina con un láser (verde), en caso de no tener láser verde puede usarse uno rojo añadiendo una gota de leche al agua.
Este experimento nos permite comprobar que el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado por el espejo.
Utilizando este mismo montaje, podemos calcular el índice de refracción del agua, conociendo los ángulos incidente y refractado y el índice de refracción del aire.
Además, se puede mostrar a los como se refracta la luz en un medio con un gradiente de índice de refracción, como vemos en el vídeo del profesor Alejandro del Mazo:
https://www.youtube.com/watch?v=WCaHvZQnIws
Dispersión de la luz usando un prisma:
Podemos usar un prisma con agua, una bombilla y una lupa para descomponer la luz, como se muestra en el siguiente vídeo:
https://www.youtube.com/watch?v=E9GDNV96u-M
En nuestro caso utilizaremos la lupa para concentrar la luz sobre el prisma.
Otra forma de ver la dispersión de la luz es a través de las gotas de agua que salen de una manguera:
https://www.youtube.com/watch?v=GJgQgx-ND4I
Difracción de ondas:
Cuando un frente de luz se difracta a través de un agujero o rendija, cada punto se convierte en un nuevo foco de emisión.
Para comprobar si la luz es onda o partícula se plantea el siguiente experimento: hacer pasar luz a través de una rendija, de tal forma que si se trata de una partícula la luz a travesaría la rendija dejando una señal del mismo tamaño sobre la pantalla
En caso de tratarse de una onda la luz dejaría una mancha mayor del tamaño de la rendija.
Para realizar este experimento serán necesarios un láser, una lámina de aluminio con una serie de orificios realizados con una broca y se utilizará como pantalla la pared del aula.
En el caso de tener varias rendijas, las ondas crearán un patrón de interferencias, de forma que si coinciden dos máximos existirá interferencia constructiva (duplicando la amplitud de la onda) y en caso de coincidir dos mínimos habrá interferencia destructiva, con lo que no veremos luz.
Esto se puede ver fácilmente en las franjas de Young, una sucesión de líneas oscuras y claras, creadas al iluminar con la luz del láser, la lámina de aluminio con una o dos rendijas.
https://www.youtube.com/watch?v=yM3Qsz9PvAw
https://www.youtube.com/watch?v=TfLZVIF7Lcc
A partir de este experimento se puede plantear el siguiente problema:
Si utilizamos un CD para el experimento podemos ver que este tiene color ¿a qué es debido? a que el CD posee muchas rendijas, del orden de 1700 por mm, que es donde se graba la información, y estas están muy juntas.
Para obtener una red de difracción hay que quitar el aluminio que recubre el CD.
Ejemplos de interferencias en la vida real: gasolina en un charco, cuchara recubierta… estas diferencias se producen debido a las diferentes densidades de un óxido.
Espectros de luz continuos y discontinuos:
Un espectro continuo sería, por ejemplo, la radiación emitida por un sólido por encima de 0K. Sin embargo un espectro discontinuo sería el emitido por una lámpara de gas.
ELECTROMAGNETISMO:
Imanes:
Una práctica muy común y muy interesante es mostrar como un imán atrae el hierro.
Campo magnético:
Se puede poner de manifiesto con limaduras de hierro (se pueden pedir en un taller de quien fabrica llaves)
Electroimán casero:
Se puede construir un electrimán casero utilizando un imán. Esto es debido a que un campo magnético puede producir una corriente eléctrica inducida.
Para crear una corriente autoinducida pasamos el imán a lo largo de un tubo sobre el que se ha enrollado un cable de cobre que tiene un led, viendo que el led se ilumina por la corriente producida.
https://www.youtube.com/watch?v=rYzFEdgw6RY
Transformador casero:
Se puede realizar un transformador eléctrico casero utilizando láminas de aluminio como se muestra en el siguiente vídeo:
https://www.youtube.com/watch?v=nkBhz-3VFfc
Se conecta a una fuente que proporciona un voltaje de 3V y al cerrar el circuito la intensidad pasa de cero a un valor determinado,con lo que se produce una corriente inducida instantánea que, al hacer la desconexión, producirá una sacudida.
Se puede encadenar también una sucesión de transformadores, en los que se producirá, asimismo, una corriente inducida.
Estas sesiones, impartidas por Alejandro del Mazo han resultado muy interesantes y útiles para la futura docencia de la física.
Si queréis saber algo más sobre el, en este vídeo podemos ver una clase que da sobre divulgación de la física:
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