Light at first sight: a program of activities to teach optics using colors

The implementation of practical activities that involve colors consists in a powerful strategy to stimulate the children and teenagers' interest in Science. Due to its strong visual appeal and presence in everyday life, colors spark students' curiosity and allow the learning of fundamental concepts in Optics, such as reflection, transmission and refraction. In this work, we describe a program of activities developed to teach concepts of Optics present in color formation by means of simple, cheap and accessible materials. Through open demonstrations and the students' autonomous discussion, we clarify the process of color formation by reflection and transmission, as well as the reason by which we can observe colorless objects. The activities described here were presented in a science outreach event directed to children and teenagers with ages ranging from 8 to 17 years old.

Keywords:
Optics teaching; colors

Authorship

Franciele Renata Henrique

Universidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, São Carlos, SP, BrasilUniversidade de São PauloBrasilSão Carlos, SP, BrasilUniversidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil

Nathália Beretta Tomazio ^**Endereço de correspondência: nathaliatomazio@gmail.com.

http://orcid.org/0000-0002-3097-8232

Ramon Gabriel Teixeira Rosa

Adélcio Marques de Souza

Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, BrasilUniversidade de São PauloBrasilSão Carlos, SP, BrasilUniversidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil

Camila de Paula D'Almeida

Lucas Fiocco Sciuti

Marlon Rodrigues Garcia

Leonardo De Boni

^*Endereço de correspondência: nathaliatomazio@gmail.com.

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Figures

Figures (10)

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Figura 1
A reflexão seletiva da cor vermelha numa maçã ao ser iluminada por um feixe de luz branca. Ao atravessar um prisma, a luz branca se decompõe em diferentes cores, nos permitindo entender como as cores interagem com o objeto individualmente.

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Figura 2
Objetos opacos coloridos apresentam sua cor devido à reflexão seletiva de luz. Quando iluminados por luz branca (a), composta por todas as cores, podemos observar as cores de todos os objetos. Quando está sob iluminação de uma cor que não é capaz de refletir, um objeto aparenta ser preto. Como exemplo, quando iluminados com luz vermelha (b), todos os objetos que não sejam vermelhos aparentam ser pretos. O mesmo acontece com as iluminações verde (c) e azul (d).

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Figura 3
Comparação entre o processo de formação de cores em objetos opacos (a) e transparentes (b). Objetos opacos apresentam cores devido à reflexão seletiva de luz, enquanto objetos transparentes apresentam cores pela transmissão seletiva de luz.

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Figura 4
Objetos no interior de um tanque com água, quando observados em ângulo oblíquo por um observador localizado fora da água, podem aparentar estar em uma posição diferente daquela em que realmente se encontram devido ao desvio da luz na interface entre água e ar.

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Figura 5
Uma fonte de 5 V (como por exemplo um carregador de celular) foi utilizada para fornecer energia elétrica ao circuito, que é composto de três linhas em paralelo. Cada linha é composta por um LED, um resistor e uma chave. O LED deve ser posicionado com seu lado negativo (identificado pelo terminal mais curto e por um chanfro na parte acrílica) voltado para a região negativa do circuito, conforme mostrado na figura. Os resistores, de aproximadamente 100 Ω, são utilizados para limitar a corrente no circuito e as chaves para permitir o desligamento individual de cada LED.

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Figura 6
Aspecto visual dos M&Ms espalhados sobre um prato de papel quando iluminados com (a) uma fonte de luz branca e (b) uma fonte de luz vermelha. Com a iluminação vermelha, os M&Ms azuis e verdes aparentam ser pretos, criando dificuldade na sua identificação.

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Figura 7
Disco de Newton montado sobre um fidget spinner parado (a), em baixa velocidade de rotação (b) e em alta velocidade de rotação (c). Podemos observar que conforme a velocidade do aparato aumenta, ocorre uma progressiva sensação visual de sobreposição das cores que compõe o disco até o limite em que o disco aparenta ser branco.

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Figura 8
(a) Vidro colorido posicionado parcialmente sobre um fundo branco e um fundo preto. Como o fundo preto não reflete significativamente luz, não há luz atravessando o material na seção superior e portanto o vidro aparenta ser preto. Como o fundo branco reflete todas as cores e o vidro permite apenas a passagem da luz vermelha, ele aparenta ser vermelho na seção inferior. Desta forma, vemos que o vidro tem a cor vermelha apenas pela transmissão seletiva da cor vermelha, e não pela forma como reflete a luz. (b) Um objeto transparente de cor vermelha foi posicionado na frente de 3 LEDs de cor vermelha, azul e verde, mostrando que apenas a luz de cor vermelha é transmitida através do objeto e refletida pelo anteparo branco posicionado na parte superior da figura.

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Figura 9
(a) Imagem exibida em um monitor LCD. (b) Mesma imagem quando observada através dos óculos com as lentes vermelhas e (c) através dos óculos de lentes azuis.

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Figura 10
Quando inserido em material com índice de refração similar, um objeto transparente pode tornar-se visualmente imperceptível. Nesta imagem, uma placa de acrílico é parcialmente submersa em glicerina líquida, que tem um índice de refração muito próximo ao do acrílico. A parte submersa da placa de acrílico é praticamente imperceptível a olho nu, gerando a impressão de que o acrílico desaparece ou se dissolve quando submerso nesse material.

Figura 1 A reflexão seletiva da cor vermelha numa maçã ao ser iluminada por um feixe de luz branca. Ao atravessar um prisma, a luz branca se decompõe em diferentes cores, nos permitindo entender como as cores interagem com o objeto individualmente.

Figura 2 Objetos opacos coloridos apresentam sua cor devido à reflexão seletiva de luz. Quando iluminados por luz branca (a), composta por todas as cores, podemos observar as cores de todos os objetos. Quando está sob iluminação de uma cor que não é capaz de refletir, um objeto aparenta ser preto. Como exemplo, quando iluminados com luz vermelha (b), todos os objetos que não sejam vermelhos aparentam ser pretos. O mesmo acontece com as iluminações verde (c) e azul (d).

Figura 3 Comparação entre o processo de formação de cores em objetos opacos (a) e transparentes (b). Objetos opacos apresentam cores devido à reflexão seletiva de luz, enquanto objetos transparentes apresentam cores pela transmissão seletiva de luz.

Figura 4 Objetos no interior de um tanque com água, quando observados em ângulo oblíquo por um observador localizado fora da água, podem aparentar estar em uma posição diferente daquela em que realmente se encontram devido ao desvio da luz na interface entre água e ar.

Figura 5 Uma fonte de 5 V (como por exemplo um carregador de celular) foi utilizada para fornecer energia elétrica ao circuito, que é composto de três linhas em paralelo. Cada linha é composta por um LED, um resistor e uma chave. O LED deve ser posicionado com seu lado negativo (identificado pelo terminal mais curto e por um chanfro na parte acrílica) voltado para a região negativa do circuito, conforme mostrado na figura. Os resistores, de aproximadamente 100 Ω, são utilizados para limitar a corrente no circuito e as chaves para permitir o desligamento individual de cada LED.

Figura 6 Aspecto visual dos M&Ms espalhados sobre um prato de papel quando iluminados com (a) uma fonte de luz branca e (b) uma fonte de luz vermelha. Com a iluminação vermelha, os M&Ms azuis e verdes aparentam ser pretos, criando dificuldade na sua identificação.

Figura 7 Disco de Newton montado sobre um fidget spinner parado (a), em baixa velocidade de rotação (b) e em alta velocidade de rotação (c). Podemos observar que conforme a velocidade do aparato aumenta, ocorre uma progressiva sensação visual de sobreposição das cores que compõe o disco até o limite em que o disco aparenta ser branco.

Figura 8 (a) Vidro colorido posicionado parcialmente sobre um fundo branco e um fundo preto. Como o fundo preto não reflete significativamente luz, não há luz atravessando o material na seção superior e portanto o vidro aparenta ser preto. Como o fundo branco reflete todas as cores e o vidro permite apenas a passagem da luz vermelha, ele aparenta ser vermelho na seção inferior. Desta forma, vemos que o vidro tem a cor vermelha apenas pela transmissão seletiva da cor vermelha, e não pela forma como reflete a luz. (b) Um objeto transparente de cor vermelha foi posicionado na frente de 3 LEDs de cor vermelha, azul e verde, mostrando que apenas a luz de cor vermelha é transmitida através do objeto e refletida pelo anteparo branco posicionado na parte superior da figura.

Figura 9 (a) Imagem exibida em um monitor LCD. (b) Mesma imagem quando observada através dos óculos com as lentes vermelhas e (c) através dos óculos de lentes azuis.

Figura 10 Quando inserido em material com índice de refração similar, um objeto transparente pode tornar-se visualmente imperceptível. Nesta imagem, uma placa de acrílico é parcialmente submersa em glicerina líquida, que tem um índice de refração muito próximo ao do acrílico. A parte submersa da placa de acrílico é praticamente imperceptível a olho nu, gerando a impressão de que o acrílico desaparece ou se dissolve quando submerso nesse material.

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