L'attività proposta consiste nell’esplorazione del fenomeno dell’assorbimento di calore da parte dei corpi di colore diverso posti in vicinanza di una sorgente di luce calda. Si guidano gli studenti nella conduzione di semplici indagini per determinare il colore dei corpi che assorbono di più la radiazione termica.
Scheda sintetica delle attività
Si foderano delle bottiglie di vetro con nastri adesivi di colore diverso e si riempiono d'acqua; dopo averle posizionate alla stessa distanza da una lampada di misura la temperatura dell'acqua in funzione del tempo. SI rappresentano i dati su grafici osservando le differenze in relazione al colore della fodera.
Risorse necessarie
Bottiglie di vetro;
nastri adesivi di colori diversi (nell'esempio abbiamo utilizzato nero, bianco, verde e rosso);
lampadina ad incandescenza di potenza superiore a 15 W;
termometri analogici con sensibilità 1°C/div;
software per l'acquisizione e l'analisi dati (o foglio di calcolo);
sensori di temperatura;
acqua.
Figura 1: bottiglia di vetro e nastri adesivi colorati per ricoprirla.
Prerequisiti necessari
Conoscere le grandezze fisiche temperatura e calore, e la loro differenza;
saper eseguire misure di temperatura;
saper costruire grafici.
Obiettivi di apprendimento
Saper utilizzare semplici strumenti;
saper valutare i metodi di acquisizione dei dati e considerare la loro validità e affidabilità come elementi di prova;
individuare gli effetti termici della radiazione luminosa;
acquisire/potenziare le competenze nella raccolta ed elaborazione dati;
elaborare dati mediante foglio di calcolo.
Dotazioni di sicurezza
Usare guanti isolanti per evitare scottature con la lampada ad incandescenza.
Svolgimento
Prima di iniziare l'esperimento, si pongono agli studenti le domande:
" Per scaldare dell’acqua è migliore un corpo la cui superficie è opaca e nera o uno la cui superficie è bianca?"
Figura 2: le bottiglie sono state "colorate" con i nastri adesivi.
"Prevedi che la temperatura delle diverse bottiglie seguirà un andamento diverso?". In caso di risposta affermativa, le bottiglie dovranno essere ordinate in ordine di temperatura raggiunta..
Si foderano delle bottiglie di vetro con nastri adesivi di colore diverso, le si riempiono di acqua posizionandole alla stessa distanza da una lampadina a incandescenza. SI misura la temperatura dell’acqua in ciascuna bottiglia a intervalli regolari (ad esempio ogni 2 minuti) con un termometro analogico (per un totale di 20 minuti) e si rappresentano su di un grafico i dati di temperatura in funzione del tempo. Si esegue la stessa misura utilizzando dei sensori di temperatura, rappresentare in un nuovo grafico i dati ottenuti. Si confrontano infine i grafici ottenuti nei due casi.
Raccolta dati con termometri analogici
Temperatura iniziale dell'acqua nelle bottiglie: 20 °C - 21°C.
Si riportano in tabella 1 le misurazioni eseguite con termometri analogici:
Tabella 1: misure eseguite con termometri analogici.
Il relativo grafico è riportato in figura 3.
Figra 3: rappresentazione grafica dei dati ottenuti con termometri analogici.
Si rileva che la temperatura dell’acqua nella bottiglia ricoperta di nero aumenta più velocemente delle altre, mentre quella della bottiglia bianca aumenta più lentamente.
Si conferma la previsione che gli oggetti di colore nero assorbono, nelle stesse condizioni di illuminazione, più calore rispetto agli oggetti di colore verde, rosso e bianco. In particolare, gli oggetti di colore bianco assorbono meno calore di tutti gli altri colori indagati.
Raccolta dati con sonde di temperatura
Temperatura iniziale dell'acqua nelle bottigline: 16.2 °C - 16.5°C
Si riportano in tabella 2 le misurazioni eseguite con cinque sonde di temperatura, ad intervalli di 30 secondi l'una dall'altra.
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Tabella 2: dati ottenuti con le sonde di temperatura.
Figura 4: rappresentazione grafica dei dati ottenuti con le sonde di temperatura.
Si rileva, anche con i dati ottenuti con i sensori, che la temperatura dell’acqua nella bottiglia ricoperta di nero aumenta più velocemente delle altre e quella della bianca aumenta più lentamente.
La raccolta dei dati con i sensori e l’elaborazione dati consente di ottenere un grafico più dettagliato e rilevare facilmente il diverso comportamento della temperatura per i diversi colori. Si noti, tuttavia, che non è possibile confrontare direttamente le temperature finale raggiunte dalle diverse bottiglie, in quanto temperatura di partenza e durata del processo di riscaldamento sono diverse nei due casi.
Approfondimenti e discussione
Qual è l’andamento della temperatura dal momento in cui viene accesa la lampada fino all’equilibrio termico?
Inizialmente la variazione della temperatura nel tempo ha andamento rettilineo, ma in seguito assume un andamento esponenziale. Come detto in precedenza, dopo l’accensione della lampada ad incandescenza si rileva un aumento di temperatura diverso per ogni bottiglia. Nel caso della bottiglia nera, la pendenza della fase rettilinea è quella più elevata.
FIgura 5: dettaglio delle curve di riscaldamento amplificate
Si nota, inoltre, che nei quattro casi la fase transitoria è diversa, a conferma che l’interazione luce - colore dipende dal colore della superficie assorbente. Nel caso del nero la temperatura di equilibrio finale è la più elevata; si ha, quindi, la maggiore efficienza del processo di assorbimento.
Un fit della curva relativa alla bottiglia nera, ottenuto con un software avanzato, utilizzando la funzione $ T = A (1-exp(-Ct) + B $ ha fornito il risultato: $$ T = 14.0 \cdot \left( 1 - \textrm{e}^{-0.037t}\right) + 17.6 \quad $$ Il valore del coefficiente $ B = 17,6 \pm 0,09$ è in accordo con la temperatura iniziale $ T = 16.4 C$, entro $2\sigma$.
Note e storia
L'esperimento è stato proposto durante gli incontri del Progetto “Nuove idee per la didattica laboratoriale nei licei scientifici” presso il Liceo scientifico "F. Silvestri" di Portici (NA).
