Laboratorio virtual de radiación infrarroja: cubo de Leslie

Este laboratorio virtual de radiación infrarroja corresponde a la práctica obligatoria (required practical) de AQA GCSE Physics sobre cómo el tipo de superficie afecta a la radiación infrarroja que emite y absorbe. En la parte A, los estudiantes giran cada cara de un cubo de Leslie con agua caliente hacia un detector de infrarrojos y anotan las lecturas. En la parte B, un calefactor calienta una placa negra mate y otra plateada brillante, y los estudiantes cronometran cuánto tarda en caer una chincheta sujeta con cera en cada una. Terminan con un gráfico de barras de la emisión, dos tiempos de absorción y una discusión sobre la prueba justa.

Relación con el currículo

• AQA GCSE Physics (8463) 4.6.2.2 y la práctica obligatoria 10: cómo el tipo de superficie afecta a la cantidad de radiación infrarroja que emite y absorbe. En Combined Science: Trilogy el mismo contenido es el 6.6.2.2.
• También apoya la idea, solo de Physics, de que un buen absorbente es también un buen emisor (4.6.3.1).

Simulic no está afiliado a AQA ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"Las cuatro caras del cubo están a la misma temperatura. ¿Cómo serán las lecturas del detector para negro mate, blanco mate, plateado mate y plateado brillante?"

La mayoría de los estudiantes esperan que el blanco emita tan poco como el plateado brillante.

Método en la simulación

1. Abre la pestaña A. Emisión – cubo de Leslie. Deja Temperatura ambiente en 20 °C, Agua caliente en 80 °C, Distancia del detector en 10 cm y Velocidad en ×5.
2. Pulsa Detector a cero. La etiqueta del medidor cambia a "puesto a cero".
3. Elige Negro mate. Pulsa Rellenar agua caliente, espera unos 5 segundos a que la lectura se estabilice y pulsa Anotar resultado.
4. Repite el paso 3 con Blanco mate, Plateado mate y Plateado brillante. Medición automática (4 caras) lo hace por ti. Todas las líneas del panel de prueba justa deberían tener una marca.
5. Abre la pestaña B. Absorción – chinchetas y cera. Pon Calefactor en 1500 W y Distancia placa–calefactor en 6 cm. Elige ×20 si hay poco tiempo. Pulsa Encender calefactor y espera a que caigan las dos chinchetas. La tabla anota los dos tiempos.
6. Pulsa Nueva prueba y repite con 2000 W a 4 cm, y luego con 1000 W a 6 cm.

Cara (80 °C, 10 cm, a cero)	Negro mate	Blanco mate	Plateado mate	Plateado brillante
Lectura del detector (mV)
% del negro mate	100

Calefactor (W)	Distancia (cm)	Caída, negro mate (s)	Caída, plateado brillante (s)
1500	6
2000	4
1000	6

Resultados esperados

Todas las lecturas salen de la simulación, cuyas emisividades y datos del calefactor son valores didácticos. La última cifra del medidor oscila unos 0,01 mV.

• Emisión a 80 °C y 10 cm: negro mate 2,12 mV, blanco mate 2,01 mV, plateado mate 0,56 mV, plateado brillante 0,15–0,16 mV. El plateado brillante da alrededor del 7 % de la lectura del negro, y el blanco mate el 95 %.
• Poner a cero importa. Sin hacerlo, cada lectura lleva 0,35 mV de más: el negro marca 2,48 y el brillante 0,51, así que el brillante parece dar el 21 % del negro en lugar del 7 %.
• El agua se enfría unos 0,4 °C por minuto simulado a 80 °C. El panel de prueba justa avisa si la diferencia supera 2 °C.
• Absorción: con 1500 W a 6 cm, la chincheta negra cae a los 23 s y la brillante a los 243 s, unas 10 veces más tarde. Con 2000 W a 4 cm: 14 s y 90 s. Con 1000 W a 6 cm, la chincheta negra cae a los 32 s, pero la placa brillante se estabiliza en 54,6 °C, justo por debajo de los 55 °C a los que funde la cera, así que su chincheta no cae nunca.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cómo serán las lecturas de las cuatro caras?
2. ¿Qué magnitudes deben mantenerse iguales mientras comparas las cuatro caras?
3. A 80 °C y 10 cm, con el detector puesto a cero y el agua rellenada, ¿qué marca el detector para la cara negro mate?
4. Con 1500 W a 6 cm, ¿cuántas veces más tarda en caer la chincheta del plateado brillante que la del negro mate?
5. Un estudiante anota primero la cara negro mate y diez minutos después la plateada brillante, sin rellenar el agua. ¿Por qué no es justo y cómo lo mejorarías?

Respuestas para el docente: (1) El negro mate, el más alto; el blanco mate, casi igual; el plateado mate, mucho más bajo; el plateado brillante, el más bajo. (2) La temperatura del agua y la distancia de la cara al detector (y la temperatura ambiente). (3) 2,12 mV (se acepta 2,05–2,16). (4) 243 ÷ 23 ≈ 10,6 (se acepta 9,5–11). (5) El agua se enfría unos 4 °C, así que la lectura del brillante es demasiado baja por una razón que no tiene que ver con la superficie. Rellena o anota todas las caras deprisa, comprueba la temperatura del agua cada vez y mantén fija la distancia.

Ideas erróneas frecuentes

• "Las superficies blancas emiten poco." En las longitudes de onda infrarrojas largas que emite el agua caliente, la pintura blanca se comporta casi como la negra: 2,01 mV frente a 2,12 mV. El que emite poco es el metal brillante.
• "El plateado brillante no absorbe nada." Aún absorbe alrededor de una décima parte de la radiación del calefactor, así que su chincheta sí cae con 1500 W, solo que diez veces más tarde.

Ampliación

• Distancia. Con la cara negro mate, la lectura es 4,93 mV a 5 cm, 2,12 a 10 cm y 0,65 a 20 cm. Al pasar de 10 a 20 cm queda alrededor del 31 %, no el 25 % de la ley del inverso del cuadrado. Pregunta por qué una cara grande cerca del detector no sigue la ley exactamente.
• Prueba del umbral. Halla la potencia mínima del calefactor a 6 cm que todavía hace caer la chincheta brillante en 1200 s (en la simulación: 1100 W, a los 527 s aproximadamente). Los estudiantes explican por qué la temperatura de la placa se estabiliza: el infrarrojo absorbido compensa el calor perdido.

Preguntas frecuentes

¿Por qué la simulación tiene un botón "Detector a cero"?

Una termopila real deriva y capta radiación de la sala. Sin ponerlo a cero, la cara brillante parece tres veces mejor de lo que es.

¿Pueden los estudiantes usar el resultado del blanco mate en un examen?

Enseña primero lo que pide el examen: el negro mate es el mejor emisor y absorbente, y el plateado brillante el peor. Después usa el resultado del blanco para hablar de la longitud de onda, como hace la nota bajo la simulación.

¿Sustituye esto a la práctica real?

No para AQA: las prácticas obligatorias se tienen que hacer a mano. Usa la simulación para planificar, ensayar o analizar los resultados. Consulta laboratorios virtuales frente a laboratorios reales.

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