STEM Optics

Haga comprensibles los fundamentos de la óptica y compréndalos a largo plazo!

Especialmente diseñado para satisfacer los exigentes requisitos de la enseñanza general, este juego ofrece una completa colección de 18 modelos para ayudar a los alumnos a explorar los fundamentos de la óptica de forma divertida e interactiva. Partiendo de conceptos básicos como la lupa y las trayectorias de los rayos de diferentes lentes, el juego conduce a los alumnos a temas más complejos como los telescopios, los espectros, los microscopios o los proyectores. Cada modelo se diseña cuidadosamente y se monta rápidamente utilizando los consistentes soportes para lentes junto con el banco óptico, lo que garantiza un flujo fluido en las lecciones basadas en actividades. Los alumnos tienen así la oportunidad de experimentar, observar y explorar activamente. El material didáctico incluido apoya el viaje de aprendizaje de los alumnos y proporciona instrucciones detalladas, explicaciones y tareas que hacen del aprendizaje una experiencia holística.

Número de alumnos

2-4 por kit

Objetivos de aprendizaje

Comprender los principios básicos de la óptica de forma lúdica e interactiva

Gasto de tiempo

Los planes de clase (construcción del modelo + trabajo en las tareas) suelen estar diseñados para una clase doble.

Nivel

Secundaria

Temas y competencias

Tarea 1: Distancia visual mínima

En este experimento introductorio el alumnado adquirirá información sobre los límites de su propia capacidad visual. Las discusiones sobre las diferencias dentro del grupo de aprendizaje y en comparación con los docentes son motivadoras para ahondar en los temas el ojo y la visión.

Temas: El ojo, límites de la capacidad visual

Competencias: Medir, discutir, evaluar
Tarea 2: Lupa

La lupa es un instrumento de uso óptico clásico que, por una parte, se usa para reducir artificialmente la distancia visual mínima que aumenta en gran medida con la edad y, por otra parte, para poder observar objetos con mayor detalle. En el experimento se tematiza y determina el aumento de las lupas.

Temas: Lupa, lentes, el ojo, problemas visuales, aumento

Competencias: Observar, estimar, medir, comparar, descubrir y formular relaciones
Tarea 3: Camera obscura

En la cámara oscura puede aprenderse del mejor modo posible la propagación de la luz en línea recta. Las tareas correspondientes refuerzan esto una vez más.

Temas: Aparatos ópticos, propagación de la luz en línea recta, óptica geométrica

Competencias: Competencias: Observar, describir, dibujar, transferencia del modelo
Tarea 4: Imagen real

Para el alumnado es muy impresionante proyectar en una pantalla paisajes, nubes o lámparas con una lente convergente simple. El experimento prepara los instrumentos ópticos telescopio de Kepler y microscopio, en los que básicamente imágenes reales se observan con lupas. Las propiedades de la imagen de las lentes son un elemento fijo del plan de estudios de física.

Temas: Imágenes reales en lentes convergentes, distancias focales

Competencias: Coordinación oculomotora (enfocar), medir, descubrir relaciones
Tarea 5: Telescopio de Kepler

El telescopio de Kepler se compone de dos lentes convergentes. El objetivo proyecta una imagen real que se observa a través del ocular. Las tareas resaltan ese hecho y permiten al alumnado reunir los dos conceptos previamente conocidos: Imágenes reales y lupas. El elemento central de las tareas también reside en la determinación del aumento.

Con el telescopio de Kepler, el alumnado construye su primer instrumento óptico «verdadero». Puede utilizarse en el marco de una noche de observación de la luna o de algunas estrellas binarias y cúmulos estelares.

Temas: Telescopio, instrumentos, sistemas de lentes, imágenes reales y virtuales en lentes, aumento

Competencias: Coordinación oculomotora (enfocar), medir, descubrir relaciones, estimar, calcular
Tarea 6: Telescopio de Galileo

En el telescopio de Galileo se utiliza por primera vez la lente divergente. En las tareas se determina el aumento y se establece la relación con las distancias focales de las lentes. Además, las propiedades se comparan con aquellas del telescopio de Kepler.

Temas: Telescopio, instrumentos ópticos, sistemas de lentes

Competencias: Coordinación oculomotora (enfocar), descubrir y formular relaciones, estimar, calcular
Tarea 7: Zoom

El «hacer zoom» es una característica muy utilizada en el día a día de los niños y los adolescentes en distintos dispositivos y en distintos programas de software. Este modelo se vincula a lo mencionado, orientándose a los primeros objetivos de zoom de la historia. En las tareas se tematizan el funcionamiento y el rango de aumento.

Temas: Objetivo de zoom, instrumentos ópticos, sistemas de lentes

Competencias: Coordinación oculomotora (enfocar), observar y formular hechos, estimar
Tarea 8: Microscopio de mano

Como el telescopio de Kepler, el microscopio reúne los dos conceptos, imagen real y lupa. Las tareas ponen de relieve esa interacción. También se tematiza y se determina el aumento.

La imagen del microscopio de mano puede enfocarse rápido y con facilidad mediante una leve inclinación. Gracias a esto puede utilizarse de forma interdisciplinaria en la clase de biología, incluso en el exterior, para analizar insectos, hojas u objetos similares.

Temas: Microscopio, instrumentos ópticos, sistemas de lentes

Competencias: Competencias: Coordinación oculomotora (enfocar), estimar, comparar, clasificar
Tarea 9: Trayectoria del haz

La tarea tematiza la propagación de la luz con y sin lentes. Una lente convergente se utiliza para producir luz paralela, con la que después se analizan las propiedades focales y las distancias focales de los otros dos tipos de lentes contenidos en el kit de construcción.

Temas: Propagación de la luz en línea recta, recorrido óptico en lentes, tipos de lentes, propiedades focales, punto focal, luz paralela

Competencias: Observar, asociar, dibujar, transferencia del modelo <--> dibujo, medición, descubrimiento y formulación de relaciones
Tarea 10: Ecuación de lentes

El alumnado se aproxima a la ecuación de lentes de forma heurística, mediante una serie de medición. De este modo también conocen el uso práctico de la unidad dioptría.

Temas: Ecuación de lentes, imágenes con lentes

Competencias: Recalcular, medir, descubrir y formular relaciones, observar y describir hechos
Aufgabe 11: Mikroskop - optische Bank

De forma similar al microscopio de mano, las tareas tematizan la interacción del objetivo y el ocular.

Con el microscopio son posibles tanto observaciones por luz transmitida, como también por luz reflectada. Para el alumnado es muy motivador realizar excursiones al microcosmos con microscopios construidos por ellos mismos. El portaobjetos incluido invita también a producir los propios preparados (ojos facetados, cáscaras de cebollas, etc.).

Temas: Microscopio, sistemas de lentes, aumento

Competencias: Coordinación oculomotora (enfocar), medir
Tarea 12: Ley de reflexión

En el experimento la Ley de reflexión se conoce mediante una serie de medición. También se tematiza la diferencia entre reflexión dirigida y reflexión difusa.

Temas: Propagación de la luz en línea recta, Ley de reflexión, Principio de Fermat

Competencias: Medir, descubrir y formular relaciones, observar y describir hechos
Tarea 13: Hiperscopio

La visión estereoscópica se basa en tres efectos diferentes. Uno de ellos se produce debido al desplazamiento de los dos ojos. El experimento tematiza ese efecto y primero lo aumenta y, a continuación, lo invierte. El alumnado describe cómo percibe la profundidad espacial, primero intensificada, a continuación, parcialmente contradictoria.

El modelo captura la fascinación del alumnado por los efectos 3D.

Temas: Visión estereoscópica, Ley de reflexión

Competencias: Coordinación oculomotora (reunir imágenes individuales de forma manual), descripción de impresiones sensoriales
Tarea 14: Experimento de sombras

En el modelo, un objeto se ilumina desde dos direcciones. Dependiendo de la distancia del objeto resultan distintas áreas de sombra completa y semisombra que el alumnado explica con la ayuda de la propagación de la luz en línea recta y la Ley de reflexión.

Temas: Luz y sombra, propagación de la luz en línea recta

Competencias: Transferencia del modelo <--> imagen, dibujar, describir y explicar hechos
Tarea 15: Fases lunares

En el experimento el alumnado aprende por qué la luna muestra fases cuando se la observa desde la Tierra. Observando e investigando descubren en qué puntos se diferencia de la realidad un modelo simple del sistema Sol-Tierra-Luna.

Temas: Luz y sombra, fases lunares, eclipses

Competencias: Investigar, comparar, evaluar
Tarea 16: Proyector de sol

En el proyector de sol se utilizan nuevamente los componentes ópticos ya conocidos espejos y lentes, en combinación. Con ellos pueden observarse eclipses solares de forma segura.

Temas: Sistemas de lentes, instrumentos ópticos, Ley de reflexión, eclipse solar

Competencias: Investigar, coordinación oculomotora (enfocar)
Tarea 17: Longitud de onda de la luz visible

Con la rejilla de difracción contenida en el kit de construcción puede determinarse el rango de longitud de onda de la luz visible. El alumnado se aproxima a esta actividad primero de forma activa, mediante el dibujo y la medición, preparándose así lo mejor posible para el concepto de la difracción que se tematiza a continuación.

Temas: Longitud de onda, propiedades de las ondas de la luz, difracción, colores

Competencias: Transferencia del modelo --> dibujar, medir, argumentar
Tarea 18: Espectroscopio

Con el espectroscopio, en función del clima, pueden observarse las líneas de Fraunhofer en el espectro solar. El alumnado dibuja por sí mismo esas líneas oscuras en un espectro de color continuo, experimentando con ello un poco más el descubrimiento revolucionario de Josef Fraunhofer.

Con el espectroscopio también pueden analizarse espectros de emisión de tubos fluorescentes, LED y otras fuentes de luz.

Temas: Espectro de la luz, líneas de Fraunhofer, absorción y emisión, longitud de onda, difracción, colores, física del sol

Competencias: Observación precisa, descubrimiento de objetos interesantes

Para más información

Tema

Los experimentos y los modelos del kit de construcción de fischertechnik-Optics proporcionan un amplio espectro de conocimientos y habilidades en el campo de la óptica de un modo integrado y activo. Se tratan muchos temas de los planes de estudios de la ESO y el bachillerato: La propagación de la luz en línea recta, la Ley de reflexión, la función de la lente convergente y de la lente divergente, la producción de imágenes, la interacción de varias lentes en instrumentos ópticos, como telescopios y microscopios, problemas visuales del ojo, la visión estereoscópica, las propiedades de las ondas de la luz, el espectro del sol y de otras fuentes de luz, la absorción y la emisión. En varios puntos también se indican referencias relacionadas con la historia y la astronomía, promoviendo un aprendizaje interconectado. El orden de los 19 experimentos sigue el principio «de lo simple a lo complejo». Los primeros modelos se componen solo de pocas partes y no requieren ajustes. De este modo, los principiantes en fischertechnik pueden familiarizarse con el sistema. En los siguientes modelos se incrementan lentamente las exigencias en cuanto a la precisión de la réplica y del ajuste.

Al mismo tiempo, el orden de los modelos también considera aspectos didácticos. Así, la propagación de la luz en línea recta se explora primero experimentalmente en la cámara oscura y después se profundiza varias veces en tareas de modelos posteriores. Del mismo modo, la Ley de reflexión se trata en un modelo propio y después se aplica nuevamente en modelos subsiguientes. El concepto central del aumento se tematiza por primera vez en la lupa y después se profundiza en los telescopios y los microscopios. El telescopio de Kepler se trata antes que el telescopio de Galileo, históricamente anterior, porque es más fácil de entender (combinación de imagen real y lupa). Las habilidades prácticas en el manejo de las lentes, adquiridas en los telescopios y en el microscopio de mano, preparan de la mejor manera posible para los análisis cuantitativos subsiguientes sobre las propiedades de la imagen, de lentes convergentes y divergentes, en el banco óptico. El espectroscopio es el último de los modelos, con el que en función del clima pueden observarse las líneas de Fraunhofer en el espectro solar.

Temas

El ojo, límites de la capacidad visual, problemas visuales
Aparatos e instrumentos ópticos, sistemas de lentes, tipos de lentes
Lupa, telescopio, microscopio, imágenes reales y virtuales en lentes, aumento, recorrido óptico en lentes, propiedades focales, punto focal, distancias focales
Luz y sombra, fases lunares, eclipses
Óptica geométrica, propagación de la luz en línea recta, luz paralela
Ecuación de lentes, imágenes con lentes
Visión estereoscópica, Ley de reflexión
Longitud de onda, propiedades de las ondas de la luz, difracción, colores
Espectro de la luz, líneas de Fraunhofer, absorción y emisión, física del sol

Tiempo necesario

Las planificaciones de las clases (estructura del modelo + realización de las tareas) en general están previstas para una clase doble. Algunos dejan un poco de tiempo para la teoría complementaria.

Competencias

Competencias relacionadas con el contenido: Describir aspectos físicos del proceso visual, explicar el funcionamiento de modelos en la física, analizar experimentalmente fenómenos fundamentales de la propagación de la luz y describirlos con la ayuda del modelo del haz de luz, describir fenomenológicamente la dispersión y la absorción, analizar y describir experimentalmente fenómenos de la sombra, explicar fenómenos ópticos en el universo (fases lunares, eclipse solar, eclipse lunar), describir la reflexión en superficies planas (Ley de Reflexión, imagen especular), describir la refracción, describir la producción de imágenes mediante un diafragma (cámara estenopeica), describir el efecto de lentes ópticas (lente convergente, punto focal, efectos de percepción, como, por ejemplo, inversión de la imagen), describir experimentos simples para descomponer luz blanca y para la adición de colores (prisma)

Competencia relacionada con el proceso: Resolver problemas/ser creativa/o, observar fenómenos y experimentos de forma orientada al objetivo y describir sus observaciones, formular hipótesis sobre planteamientos físicos, realizar y evaluar experimentos, y registrar sus valores de medición

Competencia matemática: Pensamiento lógico y estratégico; estimar, medir, comparar

Competencia personal y social: Encontrar soluciones en equipo, coordinación oculomotora (enfocar), observar, transferencia modelo <--> dibujo

Competencia lingüístico-comunicativa: Adquisición de términos técnicos, discutir, evaluar, formular relaciones

Introducción al tema de la óptica

Óptica - Todos asociamos esta palabra primero a gafas, cámaras, binoculares y microscopios, por tanto, a objetos de uso ópticos e instrumentos ópticos.

Las gafas se utilizan para poder ver mejor. Las cámaras permiten registrar imágenes y guardarlas. Con los binoculares podemos ver objetos que se encuentran muy lejos como si estuvieron mucho más cerca. Los microscopios aumentan los objetos pequeños y nos permiten observar en detalle el microcosmos, al que de otro modo no tendríamos acceso.

Por tanto, en la óptica se trata de entender qué y cómo percibimos con nuestros ojos, y en usar esa compresión para poder ver mejor, de otro modo, con más detalle o a mayores distancias.

Lo que percibimos con nuestros ojos es luz. Por tanto, la investigación de la luz y de sus propiedades es fundamental. En el pasado, los conocimientos adquiridos en esas investigaciones no solo se han aplicado a la visión. De este modo, hoy controlamos televisores o equipos estéreo con mandos a distancia infrarrojos, el láser se utiliza para operaciones y la luz transmite información a alta velocidad por cables de fibra óptica. Todas esas aplicaciones también entran el campo de la óptica.

La historia de la óptica es extensa. En un principio se observaron y explicaron los fenómenos relacionados con la propagación de la luz en línea recta: Reflejo, refracción y la producción de sombras. Esos fenómenos ya han sido investigados extensamente en la antigüedad.
En la antigüedad también se conocían lentes de cristal que se usaban como espejo ustorio para hacer fuego, como ayuda para la lectura o para corregir la miopía.
Las gafas se inventaron en el siglo XIII, no se sabe con precisión dónde ni por quién.
Con la invención del telescopio a inicios del siglo XVII se usaron por primera vez combinaciones de lentes en un instrumento óptico.

Galileo Galilei (1564-1642), a partir de 1609, miró el cielo nocturno con telescopios construidos por él mismo. Descubrió cráteres en la luna, manchas en el sol, cuatro lunas que giran alrededor de Júpiter, las fases de Venus y descompuso la Vía Láctea en infinitas estrellas pequeñas. Esos descubrimientos fueron tan espectaculares que, por una parte, cambiaron permanentemente la visión del mundo científico y la autopercepción de la humanidad. Por otra parte, impulsaron enormemente el desarrollo de lentes mejoradas y, en general, de otros instrumentos ópticos.

Johannes Kepler (1571-1630) explicó por primera vez el modo de funcionamiento de las lentes en un telescopio y lo mejoró para objetivos astronómicos, utilizando lentes convergentes oculares en lugar de lentes divergentes.

Christiaan Huygens (1629-1695) alrededor del año 1650 desarrolló una amplia teoría sobre las propiedades de las ondas de la luz que solo fue aceptada en general después del experimento de la doble rendija de Thomas Young (1773-1829) en 1802. No obstante, Huygens aplicó su teoría en la práctica, reduciendo así los errores de imagen de sus lentes.

Isaac Newton (1642-1726) disoció luz blanca en todos colores distintos con un prisma. Él pensaba que la luz se componía de muchas partículas pequeñas que se movían en línea recta.

En 1663 Robert Hooke (1635-1702) presentó a la Royal Society en Londres una gran cantidad de dibujos de objetos que había observado con su microscopio de luz incidente, entre ellos ojos facetados de insectos, mohos y madera petrificada. Las observaciones se imprimieron en su famoso libro Micrographia que aún hoy es fascinante de mirar. Antoni van Leueuvenhoek (1632-1723), en las décadas siguientes, entre otras cosas descubrió bacterias y otros microorganismos, así como corpúsculos de la sangre. Sus microscopios, en aquella época, contenían tan solo una única lente muy curvada.

Ole Rømer (1644-1710), en sus observaciones con telescopios de las cuatro lunas de Júpiter de Galileo, desde 1668, descubrió retardos de los oscurecimientos y pasos que solo podían explicarse de forma convincente con una velocidad de la luz finita. Christian Huygens, en base a las observaciones de Rømer, en 1676 calculó un valor de 212.000 km/s para la velocidad de la luz. Desde la antigüedad no quedaba claro si la luz se propagaba con una velocidad finita o infinita.

Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822), en sus experimentos con prismas descubrió la radiación infrarroja en 1800. Junto con la luz visible, además, también existía una radiación adyacente, no visible. Solo las ecuaciones de campo de James Clerk Maxwell (1831-1879) y la generación de ondas electromagnéticas en 1886 mediante Heinrich Hertz (1857-1894), demostraron que tanto la luz, como también la radiación infrarroja no es más que radiación electromagnética de alta frecuencia.

Josef von Frauenhofer (1787-1826) construyó prismas que superaron por mucho la calidad de todos los anteriores. Su descubrimiento espectacular de las líneas oscuras en el espectro de luz solar representó el inicio de la astrofísica. La espectroscopía hoy es uno de los métodos físicos más importantes que, junto con las numerosas aplicaciones en la astronomía, la física atómica y la física nuclear, también, por ejemplo, en el desarrollo de nuevos materiales, se utiliza en la medicina y en las ciencias forenses.

Max Planck (1858-1947), en 1900, descubrió la Ley de radiación de Planck que se considera como el inicio de la física cuántica. Albert Einstein (1879-1955) explicó la observación de Planck y el efecto fotoeléctrico mediante la introducción de partículas de luz, los así llamados fotones. Con ello, la luz tiene tanto propiedades de las partículas, como también propiedades de las ondas. Ya en el año 1916 Einstein describió la emisión estimulada de fotones. Sin embargo, pasaron aún algunas décadas hasta la invención del láser en 1960.

Información sobre el producto

Material didáctico de acompañamiento

Introducción al tema de la óptica