APLICACIONES DE LA LEY DE SNELL - REFRACTOMETRÍA1. INTRODUCCIÓN El presente trabajo tiene por finalidad aprender las aplicaciones prácticas derivadas de la Ley de Snell usando un Refractómetro de Abbe para la determinación de Concentración de Sacarosa en una Bebida Gaseosa. 2. ANTECEDENTES Los conceptos teóricos que se desarrollarán en el Práctico corresponden al Tema IX de la Materia: “Óptica Geométrica”. Los alumnos habrán visto con anterioridad los conceptos relacionados con los fenómenos de reflexión y refracción como ser Índice de Refracción, Ángulo Límite y la Ley de Snell. También habrán visto en la Introducción Metodológica los conceptos referidos al Uso de la V de Gowin para el análisis epistemológico de los experimentos de Laboratorio. 3. OBJETIVOS Después de realizar la Experiencia, usted deberá ser capaz de: a) Identificar las preguntas básicas de la Investigación Planteada utilizando el modelo heurístico de la V de Gowin b) Identificar a partir de la Ley de Snell el fenómeno de Reflexión Total Interna y su aplicación tecnológica c) Usar el Refractómetro de Abbe para determinación de Concentraciones de Sacarosa d) Debatir la Utilidad de los Métodos Físicos Ópticos para Investigación Aplicada e) Presentar Conclusiones en un Informe Grupal. 4. ENUNCIADO DEL PROBLEMA A CONSIDERAR Una de las bebidas gaseosas más difundidas es sin duda la Coca Cola. Ésta viene en varias versiones siendo las más conocidas la Tradicional y la Coca Light que se promociona como de bajas calorías. La idea es investigar la cantidad de Azúcar que contienen las dos versiones utilizando métodos físicos de análisis. En ese aspecto haremos un análisis comparativo entre ambas versiones. 5. HIPOTESIS DE TRABAJO La cantidad de azúcar en una bebida gaseosa se puede determinar con un método físico- óptico de Análisis La versión tradicional de la gaseosa Coca Cola contiene más azúcar que la versión Light. 6. FUNDAMENTACION: Marco Conceptual La Ley de Snell describe los fenómenos de refracción y reflexión de la Luz. La deducción de dicha ley se puede abordar utilizando la Física Geométrica a partir del principio de Huygens y del principio de Fermat. Un caso especial ocurre cuando un haz de luz pasa de un medio de mayor índice de refracción a uno de menor índice: si que , entonces . Eso significa que cuando aumenta, llega a radianes (90°) antes aumenta aún más, . el rayo refractado (o transmitido) sale paralelo a la frontera. Si como no puede ser mayor que , no hay transmisión al otro medio y la luz se refleja totalmente. Este fenómeno se conoce como “reflexión total interna”. La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas. Es decir, mejor que los espejos metálicos (plata, aluminio) que solo reflejan 96% de la potencia luminosa incidente. Refractómetros de ángulo límite En estos aparatos se observa el campo del ocular dividido en una zona obscura y otra clara. La separación entre ambas corresponde al rayo límite. El rayo límite se puede visualizar en el esquema siguiente: La luz pasa a través de una capa delgada de muestra (0,1 mm) y entra en el prisma de difracción P2. El prisma P1 es de difusión de manera que muestra una superficie rugosa y actúa como fuente de un número infinito de rayos que entran en la muestra en todas direcciones. La radiación que únicamente roza la superficie del prisma P2 penetra en él formando un ángulo Ic llamado ángulo límite o crítico y su valor depende de la longitud de onda y de los índices de refracción de la muestra y del prisma. Ningún rayo puede formar un ángulo superior al límite ya que la fuente de tales rayos no penetra en el prisma y todos los demás rayos que penetran en el prisma se refractan según ángulos menores (a la derecha), que el ángulo límite, e iluminarán la parte derecha del ocular. La zona de la izquierda permanece obscura ya que no se refractan rayos a ángulos superiores al límite. La medida de este ángulo permite medir el índice de refracción de la muestra. En un aparato de Abbe, lo que se mide es D que es el complementario de Ic, y es el ángulo con el que emergen los rayos del prisma P2. La mayoría de los refractómetros utilizan este principio y los más importantes son los de Abbe, Pulfrich y los de inmersión. Refractómetro de Abbe Aparece un esquema que muestra dos prismas articulados entre los cuales se coloca la muestra. Por el centro de los prismas pasa un eje que permite mover el prisma de refracción P2 y así medir a en una escala graduada que es proyectada en el ocular y que se gradúa en unidades de nD hasta 0,001. El amplificador permite determinar la siguiente cifra, 0,0001. Se miden índices entre 1,3 y 1,7. Los denominados compensadores están formados por unos prismas (prismas de Amici), y permiten utilizar luz blanca como fuente. Estos prismas de vidrio permiten dispersar todas las longitudes de onda excepto el color amarillo en le vecindad de la línea D del sodio, que es la única que atraviesa el prisma. Es decir, actúa como un monocromador, pero la resolución no es perfecta. Variación del Índice de Refracción con la Concentración Se observa experimentalmente que el índice de refracción varía con la concentración de la solución en estudio. Esta propiedad es utilizada para conocer concentraciones de soluciones a partir de la medición de n. Donde: K = constante n: índice de refracción C=K.n Cuando se desea hacer esto, lo más conveniente es calibrar el aparato con soluciones de concentraciones conocidas, es así como en el caso del refractómetro de Abbe del laboratorio, trae junto con la escala de índices (n), otra escala que da directamente el % de azúcar (sacarosa) en el agua (grados Brix) 7. METODOLOGIA PREGUNTA BÁSICA ¿Podemos comparar la concentración de Azúcar en la bebida gaseosa Coca Cola y Coca Cola Light midiendo el índice de refracción? CONCEPTUAL FILOSOFIA: A través de la Observación y la Experimentación se fundamenta el Conocimiento Científico pudiendo profundizarse en la comprensión de fenómenos naturales. METODOLÓGICO AFIRMACIONES DE VALOR La experiencia proporciona entrenamiento en algunas habilidades básicas de laboratorio. Las Afirmaciones de Conocimiento muestran que el Método Propuesto es apropiado para la investigación planteada AFIRMACIONES DEL CONOCIMIENTO La concentración C de Sn Azucaradas es (no es) lineal con n, por lo tanto cumple con TEORIA: Ondas Electromagnéticas Óptica Geométrica C=K.n Asimismo se pueden comparar la C de azúcar en dos Soluciones o Bebidas utilizando el Refractómetro INTERPRETACIONES Análisis Gráfico para ver si C es lineal respecto a n Si es lineal se interpreta a la medición del índice de refracción como apropiada para establecer concentración de Sacarosa en Sn. TRANSFORMACIONES: Tablas y Gráficos de C en función de n. MEDICIONES Medición de n y Gº Brix en 5 Sn de Sacarosa de Concentración Conocida por duplicado como Método Control. Medición de n y Gº Brix en dos versiones de gaseosa por duplicado. OBSERVACIONES Índices de Refracción y Grados Brix Con el Refractómetro de Abbe PRINCIPIOS Y LEYES; Ppo. de Huygens Ppo. de Fermat Ley de Snell: Relación entre n y C: C=K.n CONCEPTOS CLAVE: Propagación de la Luz Fenómenos de Refracción y Reflexión Angulo Crítico, Reflexión Total Interna, Refractometría, Refractómetro de Abbe Grados Brix Estudios Analíticos Comparativos EVENTO: Se miden Índices de Refracción de Soluciones Azucaradas de Concentración Conocida y de Bebidas Gaseosa Coca Cola y Coca Light con el Refractómetro de Abbe 7.1 Modalidad La modalidad es del tipo Real Presencial organizada en Grupos de cuatro alumnos. La evaluación es en proceso y al final del trabajo se pedirá que los alumnos interpreten y elaboren su propia V de Gowin debatiendo sus conclusiones en grupo y entre grupos. Al final del cursado se realizará un Debate Sobre los métodos Ópticos de Análisis comparando éste con otros métodos (Polarimetría, p. ej.) 7.2 Ámbito de estudio Laboratorio de Física de la Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales de la Universidad Nacional de Misiones 7.3 Nivel Alumnos de Primer Curso Universitario correspondientes a las Carreras de Bioquímica y Farmacia 7.4 Criterios para la selección del curso y contenidos Los alumnos del primer curso de las carreras con orientación Biológica cursan Física General en el segundo Cuatrimestre del primer año, habiendo adquirido conocimientos de Preparación de soluciones y conceptos de Concentración, Molaridad, Porcentajes en el primer cuatrimestre. Además cursan simultáneamente materias como estadística y Epistemología que le brindan conceptos sobre la formulación de hipótesis y manejo de datos. En general los alumnos de carreras biológicas no visualizan la utilidad de la Física en las mismas, más aún en los primeros años de cursada. Teniendo en cuenta esto se propone trabajar con instrumentos de análisis cuyo principio de funcionamiento sea fundamentalmente físico, como ser Balanzas Analíticas, Picnómetros, Refractómetros, Polarímetros y Microscopios a fin de estimular el estudio a través de aplicaciones tecnológicas en el Área Biológica. Generalmente se afianzan primeramente el aprendizaje de los fenómenos naturales trabajando con elementos sencillos (Prismas, Espejos, Láseres, etc.) para luego pasar a los prácticos Instrumentales en donde se continúa aprendiendo los conceptos físicos pero desde una óptica más tecnológica y de investigación. En este contexto, el Práctico propuesto da herramientas de Análisis utilizando un enfoque Epistemológico con proyección al estudio de Metodología Básica para análisis más específicos en el área biológica. En tal sentido es de especial interés el uso de la Refractometría en el Análisis Fisicoquímico de la Orina de pacientes pediátricos. 7.5 DESCRIPCIÓN DEL INSTRUMENTO A UTILIZAR REFRACTOMETRO DE ABBE Instrumental Auxiliar: • Matraces y Probetas • Balanza Analítica 7.5.1 Unidad Didáctica en que se inserta el trabajo de laboratorio En la parte Teórica, a partir del tema XIII se estudian las ondas electromagnéticas encarándose en particular el estudio de la Luz y los fenómenos relacionados. Ya en el tema IX se estudia la Óptica Geométrica y las leyes de Refracción y Reflexión. Se deduce la Ley de Snell a partir de los principios de Fermat y de Huygens. 7.5.2 Recursos de la Unidad En el desarrollo del marco conceptual se utilizan recursos didácticos tradicionales como ser exposición en power point y también visualización de videos como los del “Universo Mecánico” En el área de Resolución de Problemas (Coloquios) se resuelven problemas de aplicación sobre óptica geométrica y también se trabaja con Simuladores Virtuales. 8 RESULTADO ESPERADO Mediante la elaboración de Nuevas Guías de Trabajos Prácticos se busca desarrollar el enfoque epistemológico que estimule y ayude al alumno a profundizar sobre los fundamentos teóricos y filosóficos de la creación de conocimientos. La asignatura Física IIc. es muy apta para ello en especial las clases de Laboratorio, dónde se propongan trabajos con ese enfoque, utilizando la V de Gowin como herramienta de interpretación y de evaluación. En el campo de estudio de la Óptica es también muy útil poder desarrollar Guías de Trabajos Prácticos con Simuladores que permitan la visualización de los fenómenos relacionados con Ondas Electromagnéticas. La idea por lo tanto, es también que los alumnos aprendan a preguntarse sobre el principio de funcionamiento de esos instrumentos a fin de que desarrollen una amplia capacidad de análisis investigativo y por qué no de innovación creativa. 9 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 1. Raymond A. Serway, John W. Jewett Jr, Física para Ciencias e Ingenierías, Vol. II, Sexta Edición 2004 Ed. Thomson 2. Maidana, J. Armando, Zarza, Juan Luis y col. (Compiladores). Guías Unificadas del Departamento de Física Ed. Universitaria 2008 3. Web: www.campus.usal.es/~Inorganica/zona-alumnos/erf.../Refractometria.pdf 4. Chrobak, Ricardo. “Notas de Clase (ILD)” Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales. Universidad Nacional de Comahue 5. José Antonio Chamizo, Mercé Izquierdo “Evaluación de las competencias de pensamiento científico” Didáctica de las Ciencias Experimentales • n. 51 • pp. 9-19 • enero 2007 6. Elena Barberá, “La Evaluación de competencias complejas. La práctica del portafolio” Revista Venezolana de de Educación. Vol. 9 Nº 31 Meridad, Dic. 2005