Caja para ver el espectro de la luz

Qué va a aprender

• Que la luz blanca es una mezcla de colores y que una red de surcos muy finos (1,6 µm en un CD) la separa por difracción.
• Que cada fuente de luz tiene su propio espectro: continuo (sol, bombilla incandescente, vela), en rayas (tubo fluorescente, farolas) o en dos «jorobas» (LED blanco).
• Por qué una rendija estrecha da colores nítidos y una ancha los emborrona.
• A observar, dibujar y comparar resultados de forma ordenada, como hace un astrónomo con las estrellas.

Prepara antes

• Imprime las plantillas al 100 % y comprueba con una regla que el suelo (A) mide 160 mm.
• Corta el CD en cuartos antes de la sesión: calienta un minuto la tijera en agua caliente o el CD con secador, y corta de un golpe para que no se astille. Si se separa la capa plateada, ese cuarto no sirve.
• Si vas a pintar el interior, hazlo el día anterior o usa papel negro pegado con barra (no hay que esperar).
• Ten preparadas al menos dos fuentes de luz distintas: una bombilla LED, un tubo o bombilla fluorescente de bajo consumo y, si puedes, una vela o una bombilla incandescente.

Materiales y herramientas

• Cartón corrugado — 1 lámina de 35 × 35 cm (o una caja de al menos 15 × 7,5 × 8,5 cm)
  simple, 3 mm; si usas una caja ya hecha (de té, de zapatillas pequeñas, de galletas) solo necesitas las plantillas de papel para marcar
• CD viejo — 1 (basta un cuarto)
  CD grabable o de música que no sirva; la cara brillante sin rayas en la zona central del radio
• Cartulina negra — 1 trozo de 10 × 10 cm
  200 g, para las dos mordazas de la rendija
• Cinta aislante negra o cinta americana negra — 1 rollo (unos 2 m)
  opaca; para sellar todas las juntas
• Pintura negra mate o papel negro — témpera negra (unos 30 ml) o 2 folios negros
  para el interior: evita reflejos parásitos
• Cola blanca o barras de silicona — un poco
  para el soporte del CD y unir paneles
• Folios y barra de pegamento — 2 folios A4
  para imprimir las plantillas al 100 %
• Lápiz blanco o tiza — 1
  para volver a marcar las líneas del suelo A si quedan tapadas por la pintura

Herramientas

• Tijeras fuertes — cortar el CD en cuartos y las piezas de cartulina adulto
• Cúter, regla metálica y base de corte — cortar la ventana de la rendija y el agujero del visor adulto
• Regla y lápiz — marcar líneas y comprobar la rendija de 1 mm
• Transportador de ángulos — comprobar que el soporte forma 30° con el eje
• Pistola de silicona (opcional) — fijar el soporte del CD al suelo de la caja adulto
• Pincel — pintar el interior de negro

Piezas y plantillas

• A · Suelo (con plano de colocación) ×1 — cartón corrugado 3 mm
• B · Pared lateral del visor ×1 — cartón corrugado 3 mm
• C · Pared lateral ciega ×1 — cartón corrugado 3 mm
• D · Pared delantera (rendija) ×1 — cartón corrugado 3 mm
• E · Pared trasera ×1 — cartón corrugado 3 mm
• F · Tapa ×1 — cartón corrugado 3 mm
• G · Mordazas de la rendija ×2 — cartulina negra 200 g
• H · Soporte del CD ×1 — cartón corrugado 3 mm

Paso a paso

1. Corta los paneles

   Pega las plantillas A a F sobre el cartón con barra de pegamento y corta los seis paneles: suelo 160 × 80 mm, dos laterales de 160 × 90 mm, frente y fondo de 80 × 90 mm y tapa de 166 × 86 mm.

   Truco: Si tienes una caja de tamaño parecido, úsala y pega solo las plantillas de papel para marcar la ventana, el visor y la línea del soporte.

2. Abre la ventana y el visor adulto

   Pega la plantilla D en la cara interior de la pared (desde dentro, B a tu derecha). Con cúter y regla, corta en la pared D la ventana de 5 × 40 mm y en la pared B el agujero del visor de 15 mm de diámetro (centro a 115 mm del borde delantero y 45 mm del suelo).

   Comprueba: El visor debe quedar a media altura y la ventana con su centro a 45 mm de la pared del visor.

3. Haz la rendija de 1 mm

   Corta las dos mordazas G de cartulina negra con el canto largo bien recto. Pégalas por fuera sobre la ventana, enfrentadas, dejando entre los cantos rectos un hueco de 1 mm, centrado sobre la ventana de 5 × 40 mm. Sujeta cada mordaza con dos tiras de cinta negra por sus bordes exteriores.

   Comprueba: Mira una lámpara a través de la rendija: debes ver una línea de luz fina, recta y del mismo ancho de arriba abajo.
   Truco: Mete una tarjeta de visita doblada en dos entre las mordazas mientras las pegas y quítala después: deja un hueco uniforme.

4. Pinta el interior de negro

   Pinta de negro mate la cara interior de los seis paneles (o pega papel negro). En el suelo A, pinta alrededor de las tres líneas dibujadas dejando una franja de 2–3 mm sin pintar, o píntalo entero y, cuando seque, vuelve a trazarlas con regla y lápiz blanco: las necesitas en los pasos 5 y 8. Deja secar 20 minutos. Sin el negro, la luz rebota por las paredes y el espectro se ve lavado.

   Comprueba: En el suelo A pintado deben verse la línea de luz, la de visión y la línea inclinada del soporte.

5. Monta la caja sin tapa

   Coloca las cuatro paredes alrededor del suelo A (con la cara pintada hacia dentro) y únelas por fuera con tiras de cinta negra en las cuatro esquinas verticales y a lo largo de la base. La pared B (visor) va en el lado superior de la plantilla del suelo.

   Comprueba: La línea de luz dibujada en el suelo debe apuntar al centro de la rendija.

6. Prepara el cuarto de CD adulto

   Toma un cuarto de CD cortado por el adulto. Si tiene etiqueta o pegatina por detrás, déjala; no rasques la capa plateada. Limpia la cara brillante con un paño seco, sin tocarla con los dedos.

   Truco: Para cortar el CD, el adulto lo calienta 1 minuto con el secador y lo corta con tijeras fuertes: se astilla mucho menos.

7. Pega el CD en el soporte

   Corta el soporte H (65 × 100 mm) y marca el pliegue a 85 mm. Pega el cuarto de CD con la cara brillante hacia fuera siguiendo el dibujo: la esquina del CD (el centro del disco) en el borde izquierdo, a 42,5 mm del borde superior.

   Comprueba: Al mirar el punto rojo («luz aquí»), las pistas del CD (finas líneas circulares que ves al trasluz) deben ir de arriba abajo.

8. Coloca el soporte a 30° adulto

   Dobla la pestaña de 15 mm hacia atrás y pega el soporte de pie sobre la línea inclinada del suelo, con el CD mirando hacia la rendija y la pared del visor. El borde de la esquina del CD va hacia el fondo, junto a la pared B.

   Comprueba: Con el transportador, el soporte forma 30° con la línea de luz. El punto rojo queda en el cruce de la línea de luz y la línea de visión.

9. Primera mirada con la caja abierta

   Apunta la rendija a una bombilla encendida a 30–50 cm y mira por el visor con la caja aún sin tapa (cubre la parte de arriba con la mano). Debes ver una banda de colores sobre el CD.

   Comprueba: Si ves solo un reflejo blanco, gira ligeramente el soporte 5–10° para que el CD mire más hacia la rendija; si no ves nada, gíralo un poco hacia el visor.
   Truco: Este es el momento de ajustar: con la tapa puesta ya no se puede.

10. Cierra la caja

    Pon la tapa F y sujétala con dos tiras de cinta negra que hagan de bisagra. Tapa con cinta todas las rendijas por donde entre luz, menos la rendija de 1 mm y el visor.

    Comprueba: En una habitación con luz, mirando por el visor y tapando la rendija con el dedo, el interior debe verse totalmente negro.

11. Observa y compara

    Apunta la rendija a distintas lámparas (LED, bajo consumo, incandescente) y al cielo azul por la ventana, nunca al sol. Mira por el visor girando un poco la caja hasta que la banda de colores sea más brillante.

12. Dibuja los espectros

    Para cada luz, dibuja con lápices de colores una banda de 10 cm: violeta a la izquierda, rojo a la derecha. Marca las rayas brillantes que veas y anota de qué lámpara es.

¿Funciona? La prueba

En una habitación en penumbra, apunta la rendija a una bombilla fluorescente de bajo consumo a unos 40 cm y mira por el visor.

Qué debe pasar: Debes ver una banda de colores de violeta a rojo sobre el CD (ocupa unos 12–15° de tu vista, como el ancho de una mano con el brazo estirado). Con el fluorescente se distinguen rayas: una violeta, una verde muy brillante (546 nm del mercurio) y una naranja-roja; con una incandescente o una vela, la banda es continua; con un LED blanco, mucho azul y una zona amarilla-verde ancha.

Si algo falla

• Solo veo un reflejo blanco — El CD está demasiado girado hacia el visor (por ejemplo, a 45°): llega el reflejo de espejo. Solución: Abre la tapa y gira el soporte unos 5–10° para que el CD mire más hacia la rendija; comprueba los 30° con el transportador.
• No veo nada de color — Las pistas del CD no están paralelas a la rendija, o la luz no llega al CD. Solución: Comprueba que la esquina del CD está a media altura en el borde del soporte y que la línea de luz del suelo pasa por el punto rojo. Mira por la rendija desde fuera con la tapa abierta para ver dónde cae la luz.
• Los colores salen borrosos y sin rayas — Rendija demasiado ancha (más de 1,5 mm) o bordes irregulares. Solución: Acerca las mordazas hasta dejar 0,5–1 mm. Si los cantos tienen pelusa, corta mordazas nuevas con cúter.
• El espectro se ve muy débil y gris — Entra luz por las juntas o el interior no es negro. Solución: Sella con cinta negra todas las juntas y pinta o forra el interior de negro. Mira tapando el resto del ojo con la mano.
• El espectro sale torcido o curvado — Las pistas están inclinadas respecto a la rendija. Solución: Es normal una ligera curva. Si está muy torcido, despega el CD y gíralo hasta que la esquina quede justo a la altura del punto de luz.
• El CD se ha astillado o separado en capas — Se cortó en frío o con tijeras pequeñas. Solución: Usa otro cuarto. Calienta el CD 1 minuto con secador y corta de un solo golpe con tijeras fuertes.

Seguridad

• Nunca apuntes la rendija al sol ni mires el sol: puede dañar la retina sin que duela. Para el espectro solar, apunta al cielo azul lejos del sol o a una hoja blanca iluminada.
• Los bordes del CD cortado son cortantes como el cristal: el adulto lo corta y pasa una lija fina o cinta por el borde.
• El cúter lo usa un adulto con regla metálica y base de corte.
• No acerques la caja a menos de 10 cm de bombillas halógenas o incandescentes: calientan el cartón.
• Si usas vela, siempre con un adulto y lejos del cartón (a 30 cm como mínimo).

La ciencia detrás

Para los niños

La luz blanca de una lámpara parece de un solo color, pero en realidad es una mezcla de muchos colores juntos, como una sopa de letras. El CD tiene unos surcos tan finos que no los ves, y cuando la luz rebota en ellos cada color sale en una dirección un poquito distinta. Por eso los colores se separan y aparece el arcoíris. Cada lámpara tiene su propia receta de colores: unas tienen todos, otras solo unos pocos, como si fueran su huella dactilar.

Para el adulto

Un CD tiene una pista en espiral con un paso de 1,6 µm (≈ 625 líneas por mm), así que su cara grabada actúa como una red de difracción por reflexión. La ecuación de la red es sen θm = sen θi + m·λ/d: cada longitud de onda sale con un ángulo distinto. Con la luz incidiendo a 60° de la normal, el primer orden (m = −1) sale a ≈ 82° del haz para el violeta (400 nm), 88° para el verde (550 nm) y 95° para el rojo (700 nm), es decir, casi perpendicular hacia el visor; el orden cero (reflejo especular, blanco) sale a 60° y no entra en el ojo. Con el CD a 45° el especular va directo al visor y el espectro queda desplazado 18–30°. La rendija estrecha hace que cada punto del CD reciba la luz desde una sola dirección: cuanto más estrecha, mejor resolución (pero menos brillo). Las fuentes térmicas (sol, incandescente, vela) dan espectro continuo; los gases excitados (mercurio de los fluorescentes, sodio de las farolas) emiten rayas a longitudes de onda fijas, propias de cada elemento; un LED blanco es un LED azul (≈ 450 nm) con fósforo amarillo, de ahí sus dos jorobas. Así se analizan las estrellas: sus rayas de absorción revelan de qué elementos están hechas.

• espectro: la banda de colores que forman una luz, ordenados del violeta al rojo.
• difracción: desvío de la luz al pasar o rebotar por surcos muy finos; cada color se desvía distinto.
• red de difracción: superficie con miles de surcos paralelos e iguales, como las pistas de un CD.
• rendija: abertura muy estrecha que deja pasar un hilo fino de luz.
• longitud de onda: el «tamaño» de la onda de luz; cada color tiene la suya (violeta corta, rojo larga).

Por edades

• 5–7 años: El adulto construye la caja y corta el CD. El niño pinta el interior, pega las cintas y, sobre todo, mira y dibuja: «¿qué colores tiene esta luz?». Usad una vela y un fluorescente para que la diferencia sea muy clara.
• 8–10 años: Construyen la caja siguiendo las plantillas; el adulto corta CD, ventana y visor. Que ajusten ellos el ángulo del soporte hasta ver los colores y que dibujen el espectro de tres lámparas.
• 11–12 años: Reto: calibrar la escala. Usando la raya verde del fluorescente (546 nm) y la azul (436 nm), dibujar una regla de longitudes de onda en un papel pegado dentro y estimar dónde está el rojo. Calcular con la ecuación de la red los ángulos para CD y DVD.

En grupo o en clase

Parejas, una caja por pareja (12 cajas para 24 niños). Antes: cortar CDs (3 CDs dan 12 cuartos), precortar paneles o reunir cajas de té del mismo tamaño, imprimir plantillas y preparar 3 estaciones de luz en la clase en penumbra: LED, fluorescente y ventana con cielo. Sesión de 75 min: 10 min de demostración, 40 min de montaje, 25 min de rotación por las estaciones dibujando espectros. Comparad los dibujos en la pizarra.

Retos

• Añade una escala de papel translúcido dentro, junto al CD, con marcas de 400 a 700 nm calibrada con las rayas del fluorescente.
• Fotografía el espectro poniendo la cámara del móvil pegada al visor.
• Descubre el espectro de una farola de la calle por la noche (las de sodio dan una raya amarilla intensa).
• Construye una versión de bolsillo con un tubo de papel de cocina y un trozo de DVD separado en capas (red por transmisión).

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