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Introducción
Las nuevas tecnologías de la información científica,
por sí solas, no mejoran en forma automática el modo
de educar a nuestros estudiantes, ni los preparan mejor para enfrentar
los desafíos del mundo actual. Por el contrario, sin un enfoque
pedagógico adecuado, estas mismas tecnologías podrían
tener un efecto negativo (Gil, S., 1997).
Como profesores se debe seguir trabajando hacia el logro de una
alfabetización científica, pues aún no se ha
encontrado la fórmula acabada. Con estos fines planteamos
que a los estudiantes se les debe garantizar que:
- Las tareas a desarrollar en las prácticas de laboratorio
sean abiertas (situaciones no acotadas y de enunciado abierto,
por lo general cualitativo donde la mayor parte de la información
que se requiere para su realización no aparece explícitamente
en su enunciado) (Alejandro, C., Ruiz, F., García, M..,
2003b).
- Al realizar prácticas virtuales tengan a su disposición
textos en formato electrónico de fácil consulta
(Ruiz, F., García, M., Alejandro, C., 2003c).
- Dispongan de un sistema que integre armónicamente varios
textos de Física General, prácticas de laboratorio
reales, prácticas de laboratorio virtual, otros recursos
y puedan efectuar consultas con sus docentes (García, M.,
Alejandro, C., Ruiz, F., 2003d).
- Las simulaciones permitan, como en las prácticas reales,
calcular el error (siempre presente) en las mediciones realizadas
y por tanto expresar sus resultados por intervalos de confianza
y ajustar ecuaciones y curvas a los datos experimentales.
La simulación (Applet) que analizamos en este trabajo (González,
T., Herrera, K., y Sánchez, R., 2003) tiene variados usos
en la Física General: Determinar experimentalmente la constante
de Rydberg, caracterizar el espectro de emisión de una determinada
sustancia y el fenómeno de difracción de la luz a
través de una red de difracción.
Desarrollo
1. Descripción general
En principio este Apple (programado en Java) simula un espectroscopio
simple de red o goniómetro (muy utilizado en los laboratorios
de Física general para observar el espectro de una fuente
luminosa que se supone que emite un buen número de longitudes
de onda separadas, o sea, líneas espectrales).
En la figura1 mostramos el dispositivo y en la 2 presentamos un
esquema del mismo. El espectro completo se puede observar haciendo
girar el telescopio T diversos ángulos.
El ángulo ? puede ser medido mediante la escala circular
graduada en grados sexagesimales grabada en el cuerpo del goniómetro.
Para la lectura precisa se usan, adicionalmente, dos vernier y se
procede similarmente a como se mide con el pie de rey. En la figura
3 se muestra un ejemplo de lectura.
2. Presentación de la simulación
La simulación podemos subdividirla en tres partes:
- LA SUPERIOR: donde se puede seleccionar la lámpara o
fuente de luz a utilizar (H, He o Hg), la red de difracción
(según el número de líneas por mm y por tanto
el período de la red ) y el paso ( para cambiar la posición
de la franja indicadora).
- LA CENTRAL: donde se despliega el patrón de interferencia
(luego de realizar clic en OK) producto de la superposición
de los haces de luz difractados en la red.
- LA INFERIOR: que es el Goniómetro virtual, y cuya función
es medir la posición angular de una determinada raya espectral.
Mostramos en las figuras 4 y 5 la simulación (con el patrón
que se obtiene utilizando una lámpara de mercurio y una red
de 200 líneas / mm) y el goniómetro virtual respectivamente:
3. Diferentes usos de la simulación
a) Determinar experimentalmente la constante de Rydberg
En la siguiente tabla aparecen los valores del seno de las posiciones
angulares de las rayas correspondientes al primer orden de la serie
de Balmer del hidrógeno, obtenidos con una red de difracción
de 300 líneas / mm; los valores de las longitudes de onda
y de la constante de Rydberg.
TABLA 1
Parámetros de la Serie de Balmer del Hidrógeno
Si determinamos el valor experimental promedio de esta constante,
a partir de los datos de la tabla y lo comparamos con el reportado
en la literatura comprobamos que son prácticamente iguales.
b) Caracterizar el espectro de emisión de una determinada
sustancia
Si utilizamos los valores de la longitud de onda y del seno de
las posiciones angulares de los máximos principales, para
una fuente de mercurio y una red de difracción de 300 líneas
/ mm, podemos obtener una recta, que luego de ajustada aplicando
el método de los mínimos cuadrados, nos permite utilizarla
como curva de calibración (dado el espectro de otra fuente,
con solo medir la posición angular de una determinada raya
obtenemos por interpolación su longitud de onda). En la siguiente
tabla se muestra una porción de una hoja del programa Excel,
con una serie de datos obtenidos experimentalmente, así como
también la ecuación y el gráfico, ajustado
automáticamente a dichos datos.
TABLA 2
Porción de una hoja Excel
c) Caracterizar el fenómeno de difracción de la luz
a través de una red
La simulación permite:
- Comparar los patrones de interferencia de diferentes fuentes,
utilizando la misma red de difracción. Mostramos (figura
6) el primer orden utilizando una red de 300 líneas / mm.
- Comprobar los efectos que sobre el patrón de interferencia
tiene la red de difracción que se utilice.
- Determinar la longitud de onda de cada una de las rayas del
espectro. En la tabla 2 aparece una serie de datos obtenidos experimentalmente,
con una fuente de hidrógeno y una red de 300 líneas
/ mm.
- Mostrar que para un espectro dado, la longitud de onda de cualquier
raya espectral, no depende del orden del espectro. Utilizamos
una fuente de mercurio y una red de 200 líneas / mm.
TABLA 3
Parámetros de la raya verde del espectro del mercurio
En la literatura se reporta que los límites aproximados
del color verde son 500 - 578 nm y que para el mercurio la longitud
de onda de la raya verde es 546.1 nm, lo cual confirma la utilidad
y validez de esta simulación.
Conclusiones
La simulación que analizamos es muy útil para caracterizar
el fenómeno de difracción de la luz, los espectros
de determinadas sustancias y particularmente para confirmar experimentalmente
la validez de los postulados de Bohr. Una de las posibilidades,
inéditas en las simulaciones públicas en los sitios
de Internet consultados, es la posibilidad de aplicar la teoría
de errores, pues las posiciones angulares se miden con un goniómetro
virtual, cuya escala es muy similar a la de los goniómetros
reales. El trabajo de los estudiantes con un programa informático
como el Excel, u otro similar, contribuye a familiarizarlos con
procedimientos actualmente utilizados en la actividad científico-técnica,
en este caso con la automatización del procesamiento de datos.
Esta simulación se está utilizando en las prácticas
virtuales de nuestro departamento, realizándolas desde el
SIDEF (Sistema Interactivo Didáctico para la Enseñanza
de la Física):
http://www.mfc.uclv.edu.cu/DVF/Laboratorio%20Virtual/SIDEF.htm
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