A ciência das cores com lasers, ursinhos de goma e arco-íris Teach article

Author(s): Rute C. Félix, David Paleček, Teresa M. Correia

Descubra a ciência da cor: crie um arco-íris e veja como as cores surgem devido à reflexão, absorção e transmissão.

Introdução

Neste artigo, são apresentadas três atividades para explicar aos alunos o conceito de cor: como a luz interage com os objetos e como as cores surgem.

Na atividade 1, os alunos criam um arco-íris usando a refração da luz. A atividade 2 demonstra o processo inverso: como combinar as sete cores do arco-íris para produzir o branco. Na atividade 3, os alunos terão a chance de investigar como a luz interage com objetos coloridos – por vezes isso é importante na natureza, investigação científica, e medicina. Por exemplo, o verde das folhas aparece à medida que a clorofila absorve as cores laranja-vermelho e violeta-azul para a fotossíntese, enquanto reflete o verde. Outro exemplo são as mudanças subtis na cor do sangue que são indicativas da quantidade de oxigênio que ele contém, um princípio aproveitado por dispositivos como os oxímetros de pulso, que são rotineiramente utilizados nos hospitais.[1]

Atividade 1: Faça um arco-íris

Isaac Newton demonstrou que a luz branca pode ser decomposta num espectro de cores (comprimentos de onda) com um prisma, tal como as gotas de chuva no céu funcionam como pequenos prismas, dispersando a luz branca no céu e criando um arco-íris.

Esta descoberta também estabeleceu as bases para entender a refração. Quando a luz se propaga com um determinado ângulo, de um material (o ar) para outro (vidro ou água), ela sobre uma mudança de direção, conhecida como refração, que é descrita pela Lei de Snell. Além disso, os materiais têm diferentes índices de refração (n) para diferentes cores; por isso, cada cor da luz é refratada numa direção (ângulo) ligeiramente diferente. Comprimentos de onda menores sofrem uma mudança maior de direção do que comprimentos de onda maiores.

Lei de Snell

A lei de Snell afirma que a luz que viaja de um meio n1, com um ângulo α1 (ângulo incidente) em relação à superfície normal, vai sofrer uma mudança de direção (ângulo de refração α2) no meio n2 de tal forma que

Por outras palavras, quando a luz entra num meio com maior n, ela é refratada mais perto da superfície normal, e quando a luz entra num meio com menor n, ela refrata mais afastada da superfície normal.

O índice de refração n determina a velocidade da luz no meio. A velocidade da luz v é

em que c é a velocidade da luz no vácuo (n=1). A lei de Snell é portanto uma consequência do Princípio de Fermat, a trajetória percorrida pela luz ao atravessar uma superfície é aquela que permite à luz percorre-la no menor período de tempo.

Aqui, sugerimos utilizar um recipiente quadrado transparente cheio de água como prisma. Esta alteração à experiência que tradicionalmente usa um prisma permite realizá-la na escola e em casa, onde os prismas de vidro podem não estar facilmente disponíveis.

Embora a parede do recipiente seja uma interface adicional onde a luz é refratada, uma vez que os índices de refração do plástico e da água são semelhantes e as paredes são finas em comparação com o volume de água que a luz atravessa, o efeito da parede plástica pode ser desprezado. Embora o alinhamento do sistema possa ser um pouco difícil porque nem todos os ângulos permitem observar o fenómeno, isso proporciona uma oportunidade de mostrar a reflexão interna total. Em ângulos de incidência maiores, o azul não é refratado para fora do recipiente de água, mas sofre reflexão na interface recipiente/ar.

Esta atividade é adequada para alunos com uma idade entre os 11 e 14 anos ou menor ainda, e demora entre 30 minutos e uma hora. 

Materiais

  • Folhas de papel branco A4
  • Cartão
  • Fonte de luz branca (telemóvel)
  • Tesoura
  • Recipiente quadrado transparente de plástico/vidro
  • Água
  • Folhas coloridas de plástico  transparente

Procedimento

  1. Corte uma fenda no cartão com 1–2 mm de largura e 5 cm de comprimento. Para o passo 7b, vai precisar de uma segunda fenda com 5 mm de largura. A fenda pode ser feita noutro pedaço de cartão, embora a figura 1 mostre uma única folha com as duas fendas.
  2. Encha o recipiente de plástico com água (como alternativa a um prisma de vidro).
  3. Coloque a fonte de luz, fenda e prima alinhados, para que a luz passe pelos dois lados vizinhos do reservatório de água (figura 1).
  4. Acompanhe a luz que sai do prisma e coloque um pedaço de papel branco (com um suporte ou na parede) para ver o arco-íris.
  5. Tente encontrar a posição em que o arco-íris é mais visível.
  6. Pergunte aos alunos porque é que a luz se divide num arco-íris ao passar pelo recipiente. Discuta e explique os resultados.
  7. Utilize o material para discutir com os alunos o que acontece:
    1. Remova a fenda. Pergunte aos alunos porque é que ela é necessária.
    2. Mude a largura da fenda.
    3. Rode o prima/recipiente.
  8. Cubra metade da fenda com uma folha colorida transparente (figura 1). Pergunte aos alunos o que veem na tela branca. Peça aos alunos que expliquem o que está a acontecer.
Figura 1: Visão geral do equipamento. Uma fonte de luz branca, neste caso a lanterna de um telemóvel, é espacialmente filtrada por uma fenda de forma a se obter um feixe estreito e paralelo. As paredes do recipiente com água atuam como um prisma, e desta forma a luz é separada no seu espectro, que é então observado na tela branca.
Imagem cortesia dos autores

Resultados esperados e discussão

Quando a luz branca passa através da fenda e do prisma, o espectro de cores deve ser visível na tela branca. A fenda ajuda a aumentar a separação entre as cores do arco-íris porque cada ponto da fenda atua como uma fonte de luz, resultando num arco-íris deslocado lateralmente. Se a fenda for muito larga, os arco-íris sobrepostos causarão uma aparência embaciada. Por outro lado, uma fenda mais estreita pode diminuir o contraste, por isso é necessário um compromisso. Se aumentar o ângulo de incidência da fonte de luz branca, verá uma separação mais ampla das cores. Se aumentar a distância do prisma à tela, verá uma melhor separação de cores, mas a intensidade será menor.

A nossa simulação simples de um espectrômetro está disponível aqui: http://palec.eu.pythonanywhere.com/demo/009.

Atividade 2: Faça desaparecer um arco-íris

Nesta atividade, os alunos fazem um disco de Newton, um dispositivo simples que demonstra o fenómeno da mistura de cores.

O disco de Newton consiste num cartão ou papel circular dividido em sete segmentos coloridos, normalmente na mesma ordem das cores do arco-íris, que é girado para combinar visualmente as cores e criar o branco. Isso permite aos alunos compreenderem a relação entre o branco e as cores do arco-íris.

Esta atividade é adequada para alunos com uma idade entre os 11 e 14 anos ou menor ainda, e demora entre 1–1.5 horas.

Materiais

  • Folha de papel branca A4
  • Lápis de cor
  • Tesoura
  • Folha de cartão
  • Corta

Procedimento

Peça aos alunos para seguirem as instruções abaixo ou use Guião da atividade 2.

  1. Desenhe um círculo na folha de papel A4 e divida-o em sete segmentos iguais.
  2. Pinte cada emento com uma cor do arco-íris na seguinte ordem: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, azul-escuro e violeta.
  3. Cole a folha pintada no catão e recorte o círculo com uma tesoura.
  4. Faça 2 furos separados por 1 cm no centro do disco.
  5. Passe um pedaço de cordel pelos furos e dê um nó para formar um laço.
  6. Coloque um dedo em cada extremidade do laço e rode o disco várias vezes  no cordel até que ele esteja completamente torcido (Figura 2).
Uma pessoa a segurar um disco de Newton pelas suas cordas.
Figura 2: As cordas foram torcidas várias vezes antes de girar
Imagem cortesia de Tamaryin Godinho

Resultados esperados e discussão

Quando o disco é girado rapidamente, as cores parecem juntar-se e criar a perceção de branco ou um tom claro de cinza (Figura 3). O fenómeno do disco de Newton acontece devido à forma como os nossos olhos e cérebro processam as informações sobre a cor. Quando o disco gira rapidamente, as cores chegam demasiado rápido aos nossos olhos para serem diferenciadas e o nosso cérebro entende a combinação dessas cores como branco. Portanto, neste caso não é exatamente a luz que está a ser misturada, mas os sinais dos nossos olhos. O efeito hipnotizante do disco de Newton deixará os alunos surpreendidos, como se estivessem a ver um truque de magia!

Uma pessoa a segurar um disco de Newton pelas suas cordas.
Figura 3: À medida que a velocidade de rotação aumenta, as cores parecem misturar-se e formar o branco.
Imagem cortesia de Maria Paola Pisano

Atividade 3: Lasers e ursinhos de goma

Nesta atividade, os alunos aprendem que a cor de um objeto é determinada pela forma como ele interage com a luz – refletindo ou transmitindo certas cores – por isso a cor contem informações sobre as propriedades dos objetos. Esta atividade é interessante porque faz a conexão entre os princípios científicos e um exemplo do quotidiano como os ursinhos de goma, tornando os conceitos científicos deliciosamente divertidos e memoráveis.

Figura 4: Materiais utilizados na Atividade 3: lanterna de luz branca, ponteiros laser vermelhos e verdes, ursinhos de goma vermelhos e verdes e gomas com duas cores. Os ursinhos de goma e os outros doces são colocados em lâminas de vidro apoiadas em peças de Lego.
Imagem cortesia dos autores

Esta atividade é adequada para alunos com uma idade entre os 11 e 14 anos ou menor ainda, e demora entre 1–1.5 horas.

Nota de segurança

Esta atividade é segura se forem seguidas as seguintes condições:

  1. Só podem ser usados ponteiros laser de classe II. Por definição, eles têm menos de 1 mW de potência e emitem apenas no visível. Os lasers de classe II não causam dano, a não ser que se olhe diretamente para eles.
  2. Os lasers devem ser utilizados apenas pelo professor, e ninguém deve estar em frente ao laser.
  3. O instinto natural de piscar, evita qualquer dano aos olhos.
  4. Coloque sempre a segurança em primeiro lugar. Os lasers devem ser adquiridos a um fabricante legitimo e certificado. Em caso de dúvida, presuma que o laser é mais perigoso do que o indicado no rótulo ou outros documentos.
  5. Use gomas lisas sem açúcar para evitar reflexões no açúcar.

Os alunos não devem comer as gomas usadas da experiência. Contudo, pode ter um pacote extra de ursinhos de goma para partilhar com os alunos!

Materiais

  • Ursinhos de goma vermelhos e verdes e outras gomas de diferentes formas e cores (por exemplo gomas com duas cores, como as lagartas de goma ou morangos de goma)
  • Laser vermelho
  • Laser verde
  • Lanterna (luz branca)
  • Peças de Lego
  • Lâminas de vidro para microscópio (para dar um ar mais ser mais científico)

Procedimento

  1. Coloque quatro ou mais ursinhos de goma vermelhos lado a lado na lâmina de vidro que não está em cima da mesa, mas apoiada em pequenos blocos (por exemplo, peças Lego; figura 4). Repita para ursinhos verdes e gomas sem cor.
  2. Coloque uma goma com duas cores, por exemplo um morango (vermelho e verde), sobre uma das lâminas. Repita se tiver outras gomas com mais cores ou dois ursinhos de goma com outras cores, por exemplo, amarelo e vermelho.
  3. Aponte uma luz branca por cima dos ursinhos de goma verde (figura 5). Peça aos alunos que identifiquem a cor das sombras projetadas pelos ursinhos de goma e expliquem o que veem.
  4. Repita com ursinhos de goma vermelhos e depois com outra cor que tenha.
  5. Pergunte aos alunos o que acham que acontece quando se aponta o laser verde aos ursinhos de goma verde, de lado. Depois, mostre-lhes o que acontece apontando o laser verde aos ursinhos de goma verdes (figura 6).
  6. Repita o procedimento descrito no passo 5 usando o laser verde e os ursinhos de goma vermelhos.
  7. Repita os passos 5 e 6 com o laser vermelho.
  8. Aponte o laser verde à goma de duas cores do passo 2, de cima para baixo, apontando para a região verde e depois para a região vermelha (figura 7). Peça aos alunos que expliquem o que veem.
  9. Repita o passo 8 com o laser vermelho.

Resultados esperados

Ao apontar a luz branca a partir de cima para os ursinhos de goma verdes, uma silhueta ou sombra aparece abaixo de cada ursinho. Esta sombra replica a cor do próprio ursinho. Por exemplo, a sombra do ursinho de goma vermelho parece vermelha porque apenas a luz vermelha é transmitida, enquanto todas as outras cores (comprimentos de onda) são absorvidas.

Dois ursinhos de goma entre dois Legos, iluminados com luz branca a projetar duas sombras.
Figura 5: As sombras debaixo dos ursinhos das gomas vermelhos e amarelos quando iluminados com luz branca
Imagem cortesia dos autores

Quando a luz laser verde é apontada aos ursinhos de goma verdes, ela passa, mas os ursinhos de goma vermelhos não deixam a luz verde passar porque absorvem todas as cores (comprimentos de onda), exceto o vermelho. O oposto é verdade para o laser vermelho.

Figura 6: A luz verde passa através dos ursinhos de goma verde, fazendo com que até os últimos da fila brilhem. No entanto, é absorvida pelos ursinhos de goma vermelhos, o que significa que (quase) nenhuma luz passa. Por outro lado, a luz vermelha passa facilmente pelos ursinhos de goma vermelhos, mas não pelos verdes.
Imagem cortesia dos autores

Observe que quando a luz laser verde é apontada aos ursinhos de goma verdes, por exemplo, eles exibem um brilho verde brilhante. Os ursinhos de goma têm algum nível de translucidez ou propriedades de dispersão, o que resulta no redireccionamento da luz em várias direções dentro do ursinho de goma, em vez de viajar em linha reta, o que cria a impressão de que o ursinho de goma está a brilhar.

Figura 7: Se apontar um laser verde a uma região verde da goma de duas cores, verá que a luz verde se espalha pela parte verde da goma e observará um brilho, mas se apontar para a região vermelha, isso não acontecerá, uma vez que a luz será absorvida. O oposto é verdade para o laser vermelho.
Imagem cortesia dos autores

É importante notar que os ursinhos de goma não são totalmente transparentes, por isso até as gomas com a mesma cor da luz irão absorver um pouco dela. Além disso, as cores dos ursinhos de goma são normalmente obtidas através de corantes alimentares e a cor pode resultar de uma combinação de diferentes corantes alimentares. Por exemplo, alguns ursinhos de goma verdes podem ser feitos com tartrazina (amarelo), azul brilhante (azul) e sabor morango (vermelho). Portanto, esse tipo de goma pode não ser o modelo ideal de filtro verde.

Sumário

Estas experiências práticas e fáceis utilizando objetos do quotidiano ajudarão os alunos a compreender os diferentes processos que podem ocorrer quando a luz interage com objetos, incluindo absorção, reflexão, refração e transmissão. Embora os ursinhos de goma não apresentem o mesmo modelo ideal de comportamento de transmissão/absorção que as folhas coloridas transparentes tradicionalmente usadas para estas aulas. Elas fornecem uma ligação ao mundo real para ajudar a despertar a imaginação dos alunos e incentivá-los a pensar sobre as cores que os rodeiam. O comportamento ligeiramente diferente das gomas em relação aos modelos dos livros didáticos também é uma oportunidade para discutir de onde vêm as diferenças e todas as variáveis que podem contribuir para a forma como os objetos interagem com a luz. Os conceitos aprendidos têm aplicações práticas em diversas áreas científicas e irão promover o pensamento crítico e despertar o interesse pelo mundo da ciência.

Acknowledgments

TMC recebeu financiamento da Fundação “la Caixa” e da FCT, no âmbito do projeto LCF/PR/HR22/00533; o programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia no âmbito da bolsa Marie Skłodowska-Curie no. 867450, e do programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia no âmbito da bolsa no. 871124.

RCF foi financiada pela FCT, ao abrigo da “Norma Transitória” – DL57/2016/CP1361/CT0020. TMC, RCF e DP receberam financiamento da Fundação para a Ciência e Tecnologia no âmbito dos projetos UIDB/04326/2020, UIDP/04326/2020 e LA/P/0101/2020.

References

[1] Chan ED, Chan MM, Chan MM (2013) Pulse oximetry: understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations. Respiratory Medicine 107: 789–799. doi: 10.1016/j.rmed.2013.02.004

Resources

Cutting-edge science: related EIROforum research

European Molecular Biology Laboratory (EMBL)

Um método inovador chamado Light-Seq está a revolucionar a capacidade de os investigadores estudarem tecidos biológicos. Esta técnica integra perfeitamente imagens e sequenciamento, permitindo aos investigadores estudarem a expressão genética de células específicas, deixando-as intactas para análises posteriores. O método tem sido usado com sucesso para estudar tipos raros de células neuronais e promete uma nova era de pesquisa, oferecendo acesso sem precedentes a informação sobre os padrões de transcrição genética no nível subcelular.

European Southern Observatory (ESO)

A luz ainda é a principal fonte de informação para os astrônomos aprenderem mais sobre o universo. Ao observar galáxias com diferentes telescópios, câmaras e em diferentes cores, os mistérios sobre a evolução das galáxias podem ser desvendados. Nesta publicação da ESO, descobrirá mais sobre as origens da luz nas galáxias, como elas podem ser estudadas através da análise da luz e o que é necessário para criar estas imagens fascinantes de enormes ilhas de estrelas no universo.

Author(s)

Rute C. Félix (Doutorada em ciências biomédicas pelo NOVA Institute of Hygiene and Topical Medicine, Portugal), David Paleček (Doutorado em físico-química pela Lund University, Suécia) e Teresa M. Correia (Doutorada em física médica pelo University College London, Reino Unido) são investigadores do Centre for Marine Science Algarve and Quantitative Bio-Imaging Lab, Portugal. Eles usam bioimagem, incluindo diversas técnicas de microscopia ótica, para um amplo espectro de aplicações, como cardiologia, oncologia e biologia marinha.

License

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