¿Quién asesinó a Sir Ernest? Resuelve el misterio con huellas espectrales Teach article

Traducido por Lucas Baeyens. Consigue que tus estudiantes se familiaricen con los espectros acústicos y ópticos con un inquietante y misterioso caso práctico.

Imagen cortesía de Nicola Graf
/ Johannes Almer y Ernst
Hollweck

Esta recopilación de actividades forenses se centra en el potencial del análisis espectral y los vínculos entre los espectros acústicos y ópticos. En la primera actividad, los estudiantes deben utilizar el sonido para resolver un caso de asesinato mediante el análisis de ‘huellas’ acústicas para identificar al asesino gracias a su copa de vino. La segunda actividad conseguirá que los estudiantes/detectives investiguen espectros ópticos mediante ensayos a la llama de iones metálicos. En la tercera actividad, analizarán la conexión entre fotones y colores espectrales variando el voltaje de diodos emisores de luz (ledes). Por último, se realizará un póster para relacionar y presentar las tres actividades.

Estas actividades están diseñadas para estudiantes de entre 14 y 16 años, para las que se utilizarán materiales domésticos o materiales de laboratorio fácilmente disponibles. No se requerirán más de tres horas para la realización de las tres actividades más una sesión para realizar el póster.

Imagen 1: El set de actividades comienza con la visualización de un vídeo antes de que los grupos de estudiantes comiencen a trabajar. Las lecciones finalizan con presentaciones de pósteres.
Imagen cortesía de Johannes Almer

Actividad 1: Espectros acústicos

Anoche, en la gran fiesta que ofrecía, el anfitrión, Sir Ernest, fue asesinado. La responsabilidad de encontrar al asesino recae sobre tus estudiantes, mediante el análisis y reconocimiento de huellas acústicas.

La búsqueda del asesino comienza con un vídeow1 (imagen 2). Sir Ernest recibe a su primer invitado (“Me alegro de verle, Sr. Darcy”), y chocan sus copas en brindis. La escena se repite con otros dos invitados, el Sr. Bennet y el Sr. Bingley, a cada uno de los cuales se le asocia un sonido distinto para su copa. Cuando realizamos el video, en realidad golpeamos las copas suavemente con un martillo, en lugar de chocarlas entre sí. Este golpe produjo un sonido característico para cada copa, sin contaminarlo con el sonido de la copa de Sir Ernest.

A continuación, se muestra la escena del crimen, en la cual Sir Ernest conversa con uno de los tres invitados sin mencionar su nombre. Tras chocar sus copas de nuevo, el asesino saca un cuchillo y asesina a Sir Ernest. Esta vez el sonido grabado provenía realmente de ambas copas (la del asesino y la de Sir Ernest).

Ahora es el turno de los jóvenes detectives. Las tres actividades de esta sección (a, b y c) pueden asignarse a grupos diferentes de estudiantes de acuerdo a sus habilidades. Al final de la lección, cada grupo debe presentar sus resultados en forma de póster.

Imagen 2: Escenas del video introductorio, que muestran a Sir Ernest recibiendo a un invitado (arriba) y el asesinato (abajo)
Imagen cortesía de Johannes Almer y Ernst Hollweck

a) Comparación de espectros acústicos

En esta parte de la actividad, que requiere unos 45 minutos, los estudiantes analizarán mediante software de audio los sonidos de las copas de cada invitado para identificar al asesino comparando espectros acústicos

Materiales

  • Ordenador con Audacity u otro software de audiow1
  • AArchivos de audio de la escena del crimenw2

Procedimiento

Invita a tus estudiantes a:

  1. Analizar Invita a tus estudiantes a los cuatro archivos de audio (las copas del Sr. Darcy, el Sr. Bingley, el Sr. Bennet, y las de la escena del crimen) mediante el software de audio. Cada archivo producirá un espectro acústico: un gráfico de frecuencia (en hercios) frente a la intensidad del sonido tal y como lo percibe el oído humano (en decibelios A, o dB(A)). Con el análisis de los espectros acústicos, podrán identificar el espectro del asesino dentro del espectro de la escena del crimen.
  2. Comparar dichos espectros (imágenes 3 y 4) para descubrir al asesino: el espectro que produce la copa del asesino se asemeja al espectro de la escena del crimen.

Puedes encontrar información adicional sobre el uso del software Audacity en la sección de materiales adicionalesw2.

Imagen 3: El análisis de frecuencia como prueba de inocencia: los espectros que producen las copas del Sr. Darcy y el Sr. Bennet no concuerdan con el espectro de la escena del crimen.
Imagen cortesía de Johannes Almer

 

Imagen 4: El análisis de frecuencia revela que el Sr. Bingley es el asesino.
Imagen cortesía de Johannes Almer

b) Smartphones y espectros acústicos

Con ayuda de sus smartphones, los estudiantes pueden analizar los diferentes tonos de las copas. Esta actividad puede llevar unos 30 minutos.

Materiales

  • Selección de diversas copas o vasos (de vino, champán, agua…)
  • Selección de diversas copas o vasos (de vino, champán, agua)
  • Smartphone con una aplicación de análisis de frecuenciaw3
  • Papel y lápiz

Procedimiento

Invita a tus estudiantes a:

  1. Golpear cada copa cuidadosamente con el martillo. Pueden utilizar la aplicación de sus smartphones, que registrará el espectro acústico de cada copa.
  2. FRegistrar en un cuadro los picos de frecuencia más marcados para cada copa.
  3. Elaborar un esbozo del espectro acústico de cada copa, con papel y lápiz, con ayuda de los valores registrados en el cuadro anterior.

Como alternativa, los estudiantes podrían analizar y elaborar un esbozo sobre las grabaciones de audio del video del asesinato.

c) Juego de tonos

En esta última parte de la actividad, de unos 30 minutos de duración, los estudiantes investigarán, mediante sus smartphones, el efecto que tiene la cantidad de líquido de una copa en el tono que produce cuando se le golpea con un martillo.

Materiales

  • Al menos cinco copas de vino idénticas
  • Martillo (u otro objeto para golpear las copas)
  • Smartphone con una aplicación de afinaciónw4
  • Agua
  • Probeta (u otro instrumento de medición del volumen del agua)

Procedimiento

Invita a tus estudiantes a:

  1. Echar diferentes cantidades de agua en cada copa, anotando su volumen
  2. Golpear cada copa cuidadosamente con el martillo. Pueden utilizar la aplicación del smartphone para recoger la frecuencia del tono resultante.
  3. Mostrar los resultados gráficamente, por ejemplo, mediante un histograma (imagen 5)
Imagen 5: Un histograma ejemplo que demuestra que el tono que produce cada copa es más bajo cuanto mayor es el volumen de agua.
Imagen cortesía de Johannes Almer

Actividad 2: Detectives químicos

Tras ser acusado de asesinato, ahora es la higiene alimentaria en Netherfield Hall, el hogar del Sr. Bingley, la que ha quedado puesta en duda.

Tras la cena, el Sr. Wickham, uno de los invitados, espolvorea los restos de pollo de su plato con cloruro de lito (LiCl). Al día siguiente, el Sr. Wickham, junto con su mujer, se dispone a comer sopa de pollo, pero antes de hacerlo, moja la sopa con una barra de óxido de magnesio. Después la coloca sobre la llama de un quemador de gas y la llama se vuelve roja. ¿Qué puede significar?En esta actividad, de unos 30 minutos de duración, los estudiantes realizarán un ensayo a la llama y observarán diversos espectros de emisión de cationes. Mediante estas investigaciones, los estudiantes podrán determinar la composición de dos mezclas.

Materiales

Cada grupo de estudiantes necesitará:

  • Mechero Bunsen
  • Abrazaderas con su soporte
  • Pinzas o tenacillas
  • Barra de óxido de magnesio (MgO)
  • Placa de pozillos
  • Espectrómetro
  • Gafas de seguridad
  • 5 ml de ácido clorhídrico en un cuenco pequeño de porcelana
  • Diferentes espátulas de laboratorio, incluyendo en la punta de cada una:
    • Cloruro de sodio (NaCl)
    • Carbonato de calcio (CaCO3)
    • Cloruro de litio (LiCl)
    • Cloruro de potasio (KCl)
    • Mezcla 1 (NaCl y CaCO3)
    • Mezcla 2 (LiCl y KCl)

Se sugiere preparar la “Mezcla 1” justo antes de empezar la clase debido a la naturaleza higroscópica del carbonato de calcio. Los estudiantes no deberían ser capaces de reconocer los componentes, por lo que la mezcla debería ser pulverizada finamente en un mortero.

Procedimiento

Invita a tus estudiantes a:

  1. Colocar la barra de óxido de magnesio sobre la llama de un mechero Bunsen hasta que comprueben que el color de la llama no se modifica.
  2. Humedecer la barra en el ácido clorhídrico y a continuación pasarla por una de las sales metálicas (LiCl, NaCl, KCl o CaCO3) depositadas en la placa de pozillos. Colocar la barra en la parte más caliente de la llama. Anotar el color de la llama como resultado por el contacto y observar con el espectrómetro.
  3. Una vez que la llama haya vuelto a su color normal, repetir el ensayo con otra sal metálica hasta terminar con las cuatro.
  4. Registrar los colores resultantes y las líneas de emisión espectral de cada catión (Li⁺, Na⁺, K⁺ y Ca²⁺; ver imagen 6)
  5. Repetir el ensayo a la llama con las mezclas uno y dos. Comparar los resultados con los datos previamente registrados e identificar los cationes presentes en ambas mezclas.
  6. Revisar la historia que introducía este experimento. ¿Qué intentaba comprobar el Sr. Wickham? ¿Crees que podría obtener resultados fiables con ese experimento sin utilizar un espectrómetro?
Imagen 6: Los estudiantes registran las longitudes de onda y colores de cada catión (Li⁺, Na⁺, K⁺ y Ca²⁺).
Imagen cortesía de Johannes Almer

Actividad 3: Ledes y voltajes

La siguiente actividad trata el tema de los colores espectrales. Los estudiantes determinarán la energía necesaria para iluminar diferentes ledes mediante la siguiente ecuación:

energía (E) = voltaje (V) x carga eléctrica (Q)

Las luces led se producen por el empalme de dos materiales semiconductores dopados, uno de ellos con exceso de electrones y el otro con carencia de electrones (André & André, 2014). Al aplicar a dicho empalme la tensión eléctrica adecuada, la recombinación de electrones libera energía en forma de fotones. Ya que el color de cada led viene determinado por el voltaje umbral al cual se liberan los fotones, al cambiar la composición química de los materiales semiconductores también cambiaría el color del led. Los estudiantes también podrían comparar las líneas espectrales de emisión de diferentes fuentes. Se necesitarán unos 30 minutos para completar la actividad.

Materiales

  • Luces led de diferentes colores y (de manera opcional) diferentes fuentes de luz
  • Fuente de alimentación con limitador de corriente (reóstato)
  • Multímetro (para medir el voltaje)
  • Espectrómetro

Procedimiento

Invita a tus estudiantes a:

  1. Configurar el circuito conectando el multímetro en paralelo a los ledes para medir el voltaje, el cual puede alterarse mediante el reóstato.
  2. Para cada led, aumentar el voltaje de la fuente de alimentación  poco a poco (p.ej. 0,05 V) hasta que el voltaje sea suficiente para encender los ledes. No se debería aplicar más de 3,5 V al circuito.
  3. Con el multímetro, medir el voltaje que está siendo aplicado directamente sobre el led. Anotar el voltaje mínimo necesario para encender la luz.
  4. Con el espectrómetro, observar y registrar las líneas espectrales de emisión de cada led (imagen 7). De manera opcional, compararlo con otras fuentes de luz (p.ej. una lámpara de techo o un mechero Bunsen).
Imagen 7: Los estudiantes trazan las líneas espectrales de emisión de cada fuente de luz que observan mediante el espectrómetro. De izquiera a derecha: lámpara de techo, led amarillo, led azul, led rojo, mechero
Imagen cortersía de Johannes Almer

 

Nota de seguridad

Nosotros empleamos una fuente de alimentación con un límite de corriente máxima de 100 mA para evitar sobretensión y daños a los ledes. Como alternativa, configura los ledes en un circuito en paralelo con una resistencia de 100 Ω para ledes rojas o naranjas.

Presentación de pósteres

Cuando los estudiantes presenten los pósteres a la clase, anímales a tomar en consideración las implicaciones y vínculos existentes entre las tres actividades, destacando el potencial del análisis espectral. Como en el caso de los espectros acústicos, empleados como “huellas” (como en el ejercico de las copas de vino), los espectros de luz pueden usarse para identificar átomos. Algunas cuestiones para motivar la reflexión podrían ser:

  • ¿Se había podido identificar al asesino si tras chocar su copa con Sir Ernest hubiera bebido de ella?
  • ¿Por qué al modificar el volumen de agua en un vaso se modifica el tono?
  • Utilizando dos espectros diferentes, explica cómo podrías identificar la copa que ha producido un tono más alto.
  • ¿Qué intentaba el Sr. Wickham comprobar con el experimento del pollo en Netherfield Hall y por qué?
  • ¿Qué relación existe entre las líneas de emisión y el nivel de energía de los átomos que las componen?
  • ¿Qué relación existe entre el voltaje y el color del led?

Agradecimientos

Este artículo se basa en un proyecto presentado en el festival alemán Science on Stage, en 2016. Science on Stagew5 es una red europea de profesores de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas, creada inicialmente en 1999 por EIROforum, el editor de Science in School, y reúne a profesores de ciencias de toda Europa para el intercambio de ideas para la enseñanza. Consiste de colaboradores apasionados de 25 países diferentes.

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References

Web References

  • w1 – Descarga aquí gratuitamente el programa Audacity, disponible para Linux, Mac y Windows.

  • w2 – Consulta el video introductorio en Youtube (en inglés). Puedes encontrar disponibles en la sección de materiales adicionales los archivos de audio, hojas de ejercicios y otros. También se encuentran disponibles en alemán aquí.

  • w3 – Consulta y descarga una app gratuita de análisis de frecuencias

    • Android Spectral Audio (descárgalo desde Google Play)

    • Apple iOS SpectrumView (descárgalo desde la Apple App store)

  • w4 – Consulta y descarga una app gratuita de afinación

    • Android DaTuner (lite) (descárgalo desde Google Play)

    • Apple iOS Soundcorset (descárgalo desde la Apple App store)

  • w5 – Visita la página web del proyecto Science on Stage website.

Resources

  • Para más información sobre el descubrimiento de espectros y cómo pueden emplearse para identificar la composición de las estrellas, consulta:

  • Para más información sobre las instrucciones de construcción de tu propio espectrómetro, consulta:

Institution

Science on Stage

Author(s)

Ernst Hollweck y Johannes Almer ejercen la docencia en el centro Ludwig-Thoma-Gymnasium en la localidad de Prien am Chiemsee en Bavaria, Alemania. Ernst imparte clases de química y biología, mientras Johannes imparte matemáticas y física. Ambos son miembros de la delegación alemana para el festival international Science on Stage que se celebra en 2017 en Debrecen, Hungría. Ernst y Johannes escriben artículos de manera regular para diversas revistas científicas.


Review

Las actividades experimentales pueden suponer todo un atractivo para que los estudiantes perciban la ciencia de forma amena y se sientan como auténticos científicos. En las tres actividades interdisciplinares que se describen en este artículo, los estudiantes tendrán que utilizar conceptos tanto físicos como químicos para resolver un caso de asesinato.

Antes de comenzar las actividades, los estudiantes podrían reflexionar sobre las diferentes pruebas que se realizan en criminología y otras disciplinas relacionadas. Todos los materiales necesarios para los experimentos, cuyas instrucciones son muy fáciles de seguir, se encuentran fácilmente disponibles. Las actividades incluyen diversas opciones para estudiantes de distintas habilidades y pueden llevarse a cabo en grupos pequeños. De este modo, los estudiantes pueden poner en común sus conclusiones y aprender a trabajar de manera cooperativa.

Todo ello podría suponer un punto de partida para debatir la importancia de la ciencia y la colaboración interdisciplinar para encontrar soluciones a problemas cotidianos


Mireia Güell, España




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CC-BY