Buch lesen: «Guía para prácticas experimentales de física»

Varela Muñoz, Daniel Abdón

Guía para prácticas experimentales de física : óptica geométrica y óptica física / Daniel Abdón Varela Muñoz, Álvaro Mauricio Bustamante Lozano, Carlos Arturo Jiménez Orjuela – Primera edición. – Bogotá : Ediciones Unisalle, 2022.

98 páginas : fotografías, gráficas ; 23 cm.

Incluye referencias bibliográficas

Incluye anexos

ISBN 978-628-7510-21-0 (impreso)

ISBN 978-628-7510-22-7 (PDF)

ISBN 978-628-7510-23-4 (ePub)

1. Óptica física 2. Óptica – Mediciones 3. Óptica – Guías, manuales, etc. I. Bustamante Lozano, Álvaro Mauricio II. Jiménez Orjuela, Carlos Arturo III. Título

CDD: 617.7 ed.22

CEP-Universidad de La Salle. Dirección de Bibliotecas

ISBN (impreso): 978-628-7510-21-0

ISBN (ePub): 978-628-7510-23-4

ISBN (PDF): 978-628-7510-22-7

Primera edición, Bogotá, D. C., enero del 2022

© Universidad de La Salle

© Daniel Abdón Varela Muñoz

© Álvaro Mauricio Bustamante Lozano

© Carlos Arturo Jiménez Orjuela

Tablas y figuras: todas pertenecen a los autores, a menos que se indique lo contrario.

Edición

Ediciones Unisalle

Cra. 5, n.º 59A-44, Edificio Administrativo, 3.er piso

PBX: (571) 348 8000, extensiones: 1224 y 1226

edicionesunisalle@lasalle.edu.co

https://ediciones.lasalle.edu.co/

Dirección editorial

Leonardo A. Paipilla Pardo

Coordinación editorial

Andrea del Pilar Sierra Gómez

Corrección de estilo

Carlos Guillermo Casanova

Diseño de portada

Andrés Pérez

Diagramación

Milton Arturo Ruiz Clavijo

Queda prohibida la reproducción total o parcial de este libro por cualquier procedimiento, conforme a lo dispuesto por la ley.

Contenido

Prefacio

Capítulo 1. La medida y su incertidumbre

1. Marco conceptual

1.1 Errores causados por el operador

1.2 Errores debidos a la técnica

1.3 Errores debidos a los instrumentos de medición

1.3.1 Error de cero

1.3.2 Error absoluto

1.4 Error relativo de un resultado experimental

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 2. Ondas y rayos

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 3. Leyes de la óptica

1. Marco conceptual

1.1 Leyes de la reflexión

1.2 Leyes de la refracción

2. Materiales, métodos y actividades

2.1 Primera parte: uso del trapecio

2.1.1 Claves para elaborar el reporte (I)

2.2 Segunda parte: uso de prismas

2.2.1 Claves para elaborar el reporte (II)

3. Referencias

Capítulo 4. Formación de imágenes de objetos lejanos

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 5. Formación de imágenes de objetos cercanos

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 6. Introducción a la óptica física

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 7. Interferencia

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

2.1 Primera parte: interferencia

2.1.1 Claves para elaborar el reporte (I)

2.2 Segunda parte: interferencia

2.2.1 Claves para elaborar el reporte (II)

3. Referencias

Capítulo 8. Difracción

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 9. Difracción por un obstáculo

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Capítulo 10. Polarización

1. Marco conceptual

2. Materiales, métodos y actividades

3. Claves para elaborar el reporte

4. Referencias

Anexos

Anexo A. Uso del calibrador o pie de rey

Anexo B. Esferómetro

Anexo C. Regresión lineal

Anexo D. Glosario de términos

Lista de figuras

Capítulo 1. La medida y su incertidumbre

Figura 1. Error de paralaje

Figura 2. (a) medición de un lápiz y (b) detalle para medir un lápiz

Capítulo 2. Ondas y rayos

Figura 1. Onda senoidal

Figura 2. Cubeta de ondas

Capítulo 3. Leyes de la óptica

Figura 1. Trayectoria de un rayo incidente sobre una placa de caras paralelas

Figura 2. Rayo de luz a través de un prisma de placas paralelas

Figura 3. Refracción de un rayo de luz en agua y vista superior

Figura 4. Rayos y ángulos de incidencia, reflexión y transmisión para un prisma

Capítulo 4. Formación de imágenes de objetos lejanos

Figura 1. Objeto e imagen para una lente convergente

Figura 2. Montaje para medir la distancia focal de una lente divergente

Figura 3. Medida de la distancia focal de una lente convergente con el uso de un objeto lejano

Capítulo 5. Formación de imágenes de objetos cercanos

Figura 1. Formación de imágenes

Capítulo 6. Introducción a la óptica física

Figura 1. Onda senoidal en una onda electromagnética

Capítulo 7. Interferencia

Figura 1. Descripción geométrica del experimento de doble rendija de Young

Figura 2. Interferencia 1

Figura 3. Interferencia 2

Capítulo 8. Difracción

Figura 1. Patrón de difracción

Figura 2. Abertura de caminos de dos rayos alternos

Figura 3. Difracción 2

Capítulo 9. Difracción por un obstáculo

Figura 1. Difracción por un obstáculo (I)

Figura 2. Difracción por un obstáculo (II)

Capítulo 10. Polarización

Figura 1. Onda electromagnética viajera no polarizada (a) y detalle del campo eléctrico (b)

Figura 2. Polarización de una onda lumínica

Anexos

Figura 1. Nonio decimal en una regla principal (mm)

Figura 2. Calibrador o nonio decimal en una regla principal (mm)

Figura 3. Detalles de un esferómetro

Figura 4. Ubicación del esferómetro sobre una lente

Figura 5. Dispersión de la nube de puntos experimentales (a) y representación de posibles rectas (b)

Figura 6. Ajuste de la recta óptima trazada (a) y recta trazada por mínimos cuadrados (b)

Lista de tablas

Capítulo 1. La medida y su incertidumbre

Tabla 1. Caracterización de algunos instrumentos básicos de medición

Tabla 2. Medidas dimensionales de algunos objetos

Capítulo 3. Leyes de la óptica

Tabla 1. Ángulos de incidencia, reflexión y transmisión de un prisma

Tabla 2. Relación entre los senos de los ángulos (ley de Snell)

Tabla 3. Otra relación entre los senos de los ángulos (ley de Snell)

Capítulo 4. Formación de imágenes de objetos lejanos

Tabla 1. Valores teóricos y experimentales de las distancias focales en lentes convergentes

Capítulo 5. Formación de imágenes de objetos cercanos

Tabla 1. Valores experimentales y teóricos de las distancias imágenes de lentes convergentes

Tabla 2. Variación de la imagen con respecto a la variación del objeto (I)

Tabla 3. Variación de la imagen con respecto a la variación del objeto (II)

Capítulo 7. Interferencia

Tabla 1. Datos del patrón de interferencia

Tabla 2. Datos del patrón de interferencia con L variable

Tabla 3. Datos de la interferencia 2

Tabla 4. Patrones de interferencia según el grado de inclinación de la rejilla

Capítulo 8. Difracción

Tabla 1. Distancia entre franjas oscuras para un patrón de difracción

Tabla 2. Longitud constante

Capítulo 9. Difracción por un obstáculo

Tabla 1. Datos para establecer el grosor promedio de un cabello

Capítulo 10. Polarización

Tabla 1. Datos de la ley de Malus

Prefacio

En la formación de un estudiante de Optometría, las ciencias exactas, físicas y naturales desempeñan un papel primordial, porque constituyen el pilar sobre el cual se desarrollan los conocimientos aplicados de esta profesión. A lo largo de dicha formación, es imperioso diseñar actividades de carácter práctico, que recuerden el matiz empírico-analítico de la física y otras ciencias.

En consonancia con la idea de apuntar a una Universidad que investiga, innova y genera conocimiento, los docentes del área de Física, del Departamento de Ciencias Básicas de la Universidad de La Salle, promueven en el estudiante el ejercicio de construir una actitud de reflexión sobre la toma de datos experimentales, en las prácticas de laboratorio de óptica geométrica y óptica física (en este caso), así como en la manera de tener control sobre las cantidades medidas y, a partir de ellas, inferir la dinámica que subyace al fenómeno natural del cual se obtienen los datos.

En suma, se pretende que el estudiante adopte una postura crítica frente a los resultados hallados en determinada práctica de laboratorio. En esta propuesta, se deja claro que el alumno debe saber cuáles son los procesos estadísticos básicos a los que deben someter los datos, en busca de un modelo matemático que dé cuenta de las cantidades medidas, las cuales sean de utilidad para predecir el comportamiento de las cantidades en distintas circunstancias.

En esta Guía para prácticas experimentales de física: óptica geométrica y óptica física, se efectúa un recorrido general y sintético de los tópicos significativos del ámbito de interés. Para cumplir este objetivo, se parte de las mediciones e incertidumbre en la medida y se cubren los fenómenos ópticos, con el objetivo de dar continuidad a la probada modalidad de trabajo en aula, orientada por la tríada dato-gráfica-modelo presentada en guías predecesoras a esta (guías para prácticas experimentales de física: mecánica; electricidad y magnetismo; ondas y termodinámica).

Los autores consideran que, a partir de este documento, se coadyuva a que el estudiante apropie, de modo integral, las habilidades y destrezas preliminares típicas del perfil de los optómetras, como la indagación, la formulación de hipótesis o los supuestos de trabajo, análisis y síntesis, reflexión ante grados de incertidumbre y de resultados, así como la capacidad de predicción con modelos ajustados (interpolación y extrapolación). En su formación como optómetras, la comunidad estudiantil involucrada crea una herramienta que le permita cuestionar, mediante argumentos epistemológicos, científicos y técnicos, aspectos sobre los resultados que se le presente o que proceda de una observación controlada cualquiera y, por lo tanto, le abra camino a futuro como profesionales, con espíritu crítico-racional frente a la toma de decisiones de su labor.

Este último aspecto acontece en virtud de promover su quehacer como estudiantes en el aula de laboratorio y emule, en su justa medida (pues tiene que ver con destrezas apenas preliminares), el particular modo de proceder de un investigador formado, quien realiza con su laborioso desempeño procesos de producción y de generación de conocimiento, cuando se ciñe al denominado método científico, debido a que, en algún momento, el estudiante entra a falsear de nuevo o a revalidar hipótesis de trabajo (incluso propias) ante el fenómeno reproducido.

A partir de la estructura desarrollada en las guías antecesoras, a cada práctica propuesta se le adhirió un sucinto marco conceptual del tema tratado, enfocado en mencionar ciertas aplicaciones prácticas con un matiz de familiaridad y que, a su vez, realizan una descripción breve de las variables de interés y sus relaciones. Por otra parte, se da cuenta de los materiales, métodos y actividades involucrados, así como se sugiere, sin mayores pretensiones al lector, un análisis un poco exhaustivo, pero riguroso, de los datos obtenidos experimentalmente; lo que le ayudará a efectuar un mejor ajuste de ellos y en el establecimiento de un modelo matemático adecuado.

Para finalizar, las claves del reporte fungen como ayudas en términos de advertencias, preguntas o sugerencias dirigidas, porque son orientaciones para el estudiante, tanto en la concepción del análisis o discusión de los resultados, como en la formulación de unas conclusiones y en la redacción del informe final de las prácticas. La guía no reemplaza la intervención contextual teórica que el profesor hace, de acuerdo con los contenidos contemplados durante un curso, pues, se asume que complementan y refuerzan la práctica de dichos contenidos, revisados en las sesiones teóricas correspondientes.

La propuesta incorporada en la presente guía pretende direccionar tanto al profesor (en su labor de acompañamiento), como al estudiante (en su labor de ejecución), para que este último se entrene en las habilidades básicas y preliminares vinculadas con un procedimiento riguroso de medición, a través, por ejemplo, de la interacción directa con los instrumentos, la vivencia directa del fenómeno observado y la participación en los factores de control de un experimento, como se acostumbra en las ciencias y la optometría.

Por otro lado, aunque se considera que el despliegue a través de medios virtuales (modelos computacionales y simulaciones bien diseñadas) tienen un valor didáctico en la facilitación del aprendizaje, su uso debe limitarse al efecto didáctico más concreto que tiene la vivencia real del fenómeno. No por ello se desconocen las ventajas de la virtualidad; por el contrario, aquí son un complemento apropiado, pero no como un remplazo.

Incluso las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) se introducen de forma paulatina (calculadoras, aplicativos de hojas de cálculo, procesadores de texto y cualquier otra ayuda de software especializado), en la medida en que se reconoce su valía para simplificar tareas, como la visualización del comportamiento de los datos (gráficas), la presentación más apropiada de los análisis, los modelos hallados y los propios informes, así como el acceso a simulaciones que revalidan los hallazgos con los datos de origen experimental, a partir de la observación directa del fenómeno.

Los autores