Effetti Termici della Radiazione ed Effetto Serra
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Diario di Bordo,
a.s. 2009-2010
Lavoro sperimentale classe IV U
Liceo tecnologico I.I.S. A. Cesaris:
Effetti Termici della Radiazione
ed Effetto Serra
Indice:
» Giorno I
Prova in Laboratorio della strumentazione da utilizzare durante gli esperimenti;
Consegna schede e relativo completamento.
» Giorno II
Cilindretti esposti alla luce di una lampada, riscaldamento e raffreddamento.
» Giorno III
Bottiglie esposte alla luce di una lampada, contenenti tutte la stessa quantità di
acqua, riscaldamento e raffreddamento;
Osservazione dispersione cromatica per mezzo di un prisma trasparente posto
davanti ad una lavagna luminosa;
Osservazione della radiazione emessa da un telecomando.
» Giorno IV
Bottiglie esposte alla luce di una lampada, contenenti diverse quantità di acqua,
riscaldamento e raffreddamento;
Lampada ad incandescenza.
» Giorno V
Completamento schede;
Inizio stesura relazioni e trascrizione del Diario di Bordo a computer;
Revisione audio e video.
» Giorno VI
Esperimento con modellino di serra (con e senza coperchio);
Esperimento sotto una campana in vetro per creare il vuoto;
Misura delle radiazioni emesse da oggetti diversi a differenti temperature, con e
senza vetro interposto.
» Giorno VII
Completamento stesura relazioni, Diario di Bordo, schede;
Progetto Powerpoint;
Registrazione commenti audio.
Attenzione: il materiale citato all’interno del Diario di bordo è consultabile e
scaricabile al sito http://areaprogetto4u.altervista.org/index.htm
Martedì 16 Marzo 2010 » Prova in laboratorio della strumentazione da utilizzare durante gli esperimenti. Durante l’ora di laboratorio di fisica abbiamo testato il funzionamento di varie parti della strumentazione fornita dall’università di Pavia per poter essere preparati lunedì, in modo da non perdere tempo a capire come funzioni ogni strumento. Siamo riusciti ad utilizzare tutto correttamente, ma abbiamo riscontrato problemi durante l’istallazione del programma DataStudio sul portatile della professoressa. Un alunno (Deplano Marco) è riuscito dopo un po’ ad avviare il suddetto programma e lo abbiamo testato con una prova dell’esperienza con i tre cilindretti. Durante l’esperimento abbiamo notato che i cilindretti erano di diverse grandezze e differenti materiali: infatti, quello trasparente era di un materiale diverso dal ferro ed era più sottile degli altri due. Tuttavia abbiamo ipotizzato che ciò non influenzi la buona riuscita dell’esperimento. In seguito, abbiamo testato i sondini creando il vuoto sotto una campana di vetro e sembra che la presenza della sonda sotto la guaina gommosa non influisca sull’esito dell’esperienza, in quanto siamo stati in grado di osservare la temperatura (in discesa) all’interno della campana sul programma DataStudio. » Consegna schede e relativo completamento. Durante la seconda ora di fisica la professoressa Ravizza ci ha consegnato delle schede da compilare prima e dopo l’esperimento. SCHEDA A: Previsioni ○ Titolo; ○ Brevissima Descrizione dell’esperienza; ○ Grandezze fisiche misurate; ○ Risultati qualitativi previsti; ○ Quantificazione dei risultati; ○ Dubbi e/o osservazioni (se presenti). SCHEDA B: Risultati ○ Titolo; ○ Descrizione dell’esperienza; ○ Principali conclusioni che si possono trarre; ○ Risultati che sono sembrati più interessanti e/o inaspettati. SCHEDA C: Relazioni ○ Disegno o Foto; ○ Grafico; ○ Conclusioni. Abbiamo quindi cominciato a compilare le schede sulle previsioni per i dodici esperimenti: I – Cilindretti esposti alla luce di una lampada: riscaldamento; II – Cilindretti esposti alla luce di una lampada: raffreddamento; III – Bottiglie esposte alla luce di una lampada contenenti tutte la stessa quantità di acqua: riscaldamento; IV – Bottiglie esposte alla luce di una lampada contenenti tutte la stessa quantità di acqua: raffreddamento; V – Bottiglie esposte alla luce di una lampada contenenti diverse quantità di acqua: riscaldamento; VI – Bottiglie esposte alla luce di una lampada contenenti diverse quantità di acqua: raffreddamento; VII – Osservazione della dispersione cromatica per mezzo di un prisma trasparente posto davanti ad una lavagna luminosa; VIII – Osservazione della radiazione emessa da un telecomando; IX – Lampada ad incandescenza;
X – Misura delle radiazioni emesse da oggetti diversi a differenti temperature, con e senza vetro interposto; XI – Esperimento sotto una campana in vetro per creare il vuoto; XII – Esperimento con modellino di serra (con e senza coperchio); Alcuni alunni sono stati esonerati alle relazioni poiché contribuiranno in modo più attivo all’esperienza (ovvero io, che seguirò il Diario di Bordo e mi cimenterò nella creazione del sito internet) mentre la scheda C sarà compilata da Chiara Donelli e Riccardo Calza per tutta la classe. Marco Deplano, invece, filmerà gli esperimenti, mentre Riccardo Padovani si occuperà delle fotografie. Francesco Reali è incaricato di registrare l’audio.
Lunedì 22 Marzo 2010
Laboratorio di Fisica.
» Cilindretti esposti alla luce di una lampada, riscaldamento e raffreddamento.
La prima esperienza che abbiamo condotto durante le ore di area progetto è stata quella dell’esposizione
alla luce di una lampada di tre cilindretti di colore differente. Come precedente detto,i tre cilindri erano
di colore nero, bianco e trasparente. Inoltre abbiamo ignorato la differenza di materiale e grandezza del
cilindretto trasparente per i motivi spiegati nel Giorno I.
La lampada da 300W ha fatto da sostituta al sole dato che pioveva, ma ciò è stato probabilmente un
vantaggio in quanto il sole non è abbastanza caldo per poter eseguire questo esperimento in due ore.
Prima di accendere la lampada i tre corpi sono stati collegati ad un apposito logger portatile (il GLX
xplorer) che ha consentito in seguito di rilevarne la temperatura ed ha trasmesso i dati ricevuti al
computer portatile che attraverso il programma Data Studio ha realizzato istantaneamente i grafici della
temperatura in funzione del tempo. Abbiamo dovuto ricorrere al programma su PC perché il GLX è in
grado di disegnare grafici relativi a solo due coppie di dati e noi ne avevamo tre.
Temperature iniziali dei cilindretti:
Cilindro nero: 23,6°C
Cilindro trasparente: 22,7°C
Cilindro bianco: 21,6°C
Come quasi tutti avevano previsto (e forse in questo influisce il fatto che molto spesso si senta dire d’estate
che per ripararsi dal caldo è meglio evitare i vestiti scuri), il corpo che ha raggiunto la temperatura maggiore
a parità di esposizione alla luce è stato quello di colore nero. Questo perché il colore dei cilindretti influisce su
come il corpo reagisce al contatto con le radiazioni; esso infatti può assorbirne alcune (incrementando la
propria temperatura) mentre altre non le lascia nemmeno passare. Perciò quando gli oggetti neri assorbono
la luce, assorbono energia, in quanto la luce é costituita da una serie di onde elettromagnetiche a diversa
intensità, se consideriamo la natura ondulatoria della luce, o da fotoni che possiedono diverse quantità di
energia che dipende dalla frequenza della radiazione. Quindi il nero ha assorbito più calore perché trattiene
tutte le componenti della luce e quindi presenta una maggiore quantità di energia termica. Mentre nel caso
del cilindretto bianco tutte le componenti della luce che colpiscono l'oggetto sono state riflesse, perciò esso
impiega un tempo maggiore a raggiungere la stessa temperatura massima del corpo nero. Per contro, il
cilindretto trasparente non ha trattenuto le componenti della luce perché queste gli passano attraverso, ma
ha raggiunto comunque un risultato simile a quello del cilindretto bianco.
Dati Riscaldamento dopo 50 minuti:
Cilindro nero: 52,7°C
Cilindro trasparente: 33,9°C
Cilindro bianco: 32,4°C
Durante il raffreddamento abbiamo potuto osservare che ha avuto una durata maggiore del riscaldamento.
Nonostante il cilindretto nero si sia raffreddato più velocemente ha mantenuto comunque una temperatura
superiore a quella degli altri due cilindretti.
Dati raffreddamento dopo 60 minuti:
Cilindro nero: 22,4°C
Cilindro trasparente: 21,3°C
Cilindro bianco: 21,6°C
I grafici si possono trovare nella pagina seguente.Riscaldamento: Raffreddamento:
Martedì 23 Marzo 2010
Laboratorio di Fisica.
» Bottiglie esposte alla luce di una lampada, contenenti tutte la stessa quantità di acqua, riscaldamento
e raffreddamento.
Abbiamo preso tre bottiglie di plastica identiche e le abbiamo colorate una di nero e una di bianco, mentre la
terza è stata lasciata trasparente. Abbiamo inserito poi all’interno di ciascuna una stessa quantità di acqua,
utilizzando una spruzzetta, e le abbiamo poste tutte e tre davanti ad una lampada da 300W. Dopodiché è
stato inserito in tutte un rilevatore (evitando accuratamente di farlo entrare a contatto diretto con l’acqua)
che, collegato ad logger portatile (il GLX xplorer), ci ha consentito di rilevarne la temperatura trasmettendo
poi i dati ricevuti ad un computer che tramite il programma Data Studio realizza istantaneamente i grafici
della temperatura in funzione del tempo.
Come abbiamo visto ieri per i cilindretti, anche le bottiglie hanno avuto tutte lo stesso comportamento in
base ai colori. La bottiglia nera ha quindi raggiunto una temperatura maggiore delle altre. Il perché è
chiaramente lo stesso dell’esperimento precedente.
Temperature iniziali delle bottiglie:
Bottiglia nera: 24,1°C
Bottiglia trasparente: 22,2°C
Bottiglia bianca: 23,1°C
Temperature delle bottiglie dopo 1h e 10’:
Bottiglia nera: 64,6°C
Bottiglia trasparente: 59,4°C
Bottiglia bianca: 62,4°C
Grafico Riscaldamento:Anche durante il raffreddamento sono stati raggiunti gli stessi risultati qualitativi del precedente esperimento. Temperature delle bottiglie dopo 57 minuti: Bottiglia nera: 27,1°C Bottiglia trasparente: 26,3°C Bottiglia bianca: 28,0°C Grafico Raffreddamento: » Osservazione dispersione cromatica per mezzo di un prisma trasparente posto davanti ad una lavagna luminosa. Abbiamo preso e acceso una lavagna luminosa. Dopodiché abbiamo collocato su di essa due quaderni in modo da creare una fessura attraverso cui passasse uno stretto raggio di luce. Abbiamo poi posizionato un prisma a base triangolare sopra questa fessura. Regolando la sua inclinazione nella maniera corretta e sistemando lo spessore della fessura creata è stato possibile osservare uno spettro visibile su una delle pareti in prossimità dell’apparecchiatura. Se si osserva poi lo spettro attraverso lo schermo di una macchina fotografica digitale è possibile osservarne anche la componente infrarossa. Con questa esperienza siamo andati a studiare il fenomeno della dispersione cromatica, che causa la separazione di un'onda in componenti spettrali con diverse lunghezze d'onda, in base alla dipendenza della velocità dell'onda dalla lunghezza d'onda. La dispersione della luce nel vetro di un prisma, come abbiamo potuto osservare, è usata per costruire spettrometri e negli spettroscopi, dove si sfruttano le loro caratteristiche dispersive. E' noto, infatti, che l'indice di rifrazione di un qualsiasi mezzo, non è costante, ma varia a seconda della lunghezza d'onda della luce, cioè del suo colore, in maniera inversamente proporzionale ad essa (dispersione cromatica). Se facciamo incidere un raggio di luce bianca, cioè composta di tutti i colori, sulla faccia di un prisma, vediamo che ogni colore subirà una deviazione diversa, dando origine su uno schermo posto dopo il prisma ad una separazione dei vari colori. » Osservazione della radiazione emessa da un telecomando.
Abbiamo eseguito l’esperienza aspettando il raffreddamento delle bottiglie, come per la dispersione cromatica. Abbiamo utilizzato un telecomando e lo abbiamo posto davanti ad una fotocamera digitale, mentre azionavamo il segnale ad infrarosso. Questa esperienza ci ha permesso di osservare una radiazione infrarossa che è la radiazione elettromagnetica con una frequenza inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella delle onde radio. Il nome significa "sotto il rosso" (dal latino infra, "sotto"), perché il rosso è il colore visibile con la frequenza più bassa, ecco perché la radiazione emessa dal telecomando non è visibile ad occhio nudo.
Mercoledì 24 Marzo 2010
Laboratorio di Fisica.
» Bottiglie esposte alla luce di una lampada, contenenti diverse quantità di acqua, riscaldamento e
raffreddamento.
Per questo esperimento abbiamo utilizzato due bottiglie entrambe trasparenti e le abbiamo riempite di
acqua: in una abbiamo messo il doppio dell’acqua contenuta nell’altra.
Dopodiché abbiamo collegato entrambe le bottiglie al GLX collegato al computer.
» Lampada ad incandescenza.
Per questa esperienza abbiamo utilizzato una lampadina a incandescenza collegata ad una breadboard
connessa tramite fili elettrici ad un generatore di corrente. Abbiamo acceso il generatore e gradualmente
aumentiamo l’intensità di corrente: così facendo abbiamo potuto osservare il comportamento della
lampadina. Questa, infatti, si è accesa all’aumentare della propria intensità perché il tungsteno di cui è fatto il
filamento all’interno della lampadina sublima e il questo diventa sempre più incandescente passando da una
luminosità più tenue ad una più intensa. Oltre che in calore l'energia viene quindi convertita in luce in una
misura compresa tra il 5 e il 10%. Quando invece diminuiamo l’intensità della corrente il filo si raffredda fino
a cessare l’emissione di luce.Giovedì 25 Marzo 2010
Laboratorio Multimediale.
Durante questa quinta giornata abbiamo completato la maggior parte delle schede e ci siamo dedicati alla
registrazione dell’audio, in quanto quello registrato durante gli esperimenti era di pessima qualità, e
perciò impossibile da utilizzare sotto i video.
Le voci sono state prestate all’intento da Pagani Yari, Davidhi Aldo, Cassinari Andrea, mentre Francesco
Reali si è occupato delle registrazioni.
Nel mentre Marco Deplano ha cominciato il montaggio dei video, ai quali in seguito includerà le voci.
Io ho cominciato a riscrivere in bella sul computer la maggior parte degli appunti presi durante gli
esperimenti, mentre Chiara Donelli e Riccaldo Calza hanno cominciato a stendere la relazione di classe.Venerdì 26 Marzo 2010
Laboratorio di Fisica.
» Esperimento con modellino di serra (con e senza coperchio).
Abbiamo utilizzato i due modellini di serra forniti dall’Università: essi sono delle semplici scatole con
coperchio in plastica trasparente; il fondo di ciascuna serra è una piastra di colore nero, con una piccola
apertura in cui inserire i sondini per rilevare la temperatura.
Abbiamo posto le serre una sotto una lampada da 300W e l’altra sotto una da 100W.
I due sensori hanno misurato la temperatura delle due piastre fino al raggiungimento delle condizioni
stazionarie e il computer ha trasformato i dati ricevuti in grafici.
Abbiamo ripetuto l’esperienza anche con le serre senza coperchi.
Nel caso di scatola aperta bisogna tenere conto del fatto che:
• La radiazione solare che entra nella scatola è assorbita dalla piastra nera e ne produce un aumento di
temperatura;
• La piastra nera emette radiazione infrarossa che esce dalla scatola. Inoltre, del calore passa dalla piastra
all’aria in contatto con essa e al fondo della scatola. Per convezione si ha un continuo scambio di aria fra
l’interno e l’esterno della scatola;
• La piastra raggiunge una temperatura di equilibrio quando il flusso di “energia entrante” (radiazione solare
assorbita) è uguale al flusso di “energia uscente” (radiazione infrarossa emessa e calore ceduto).
Invece, per quanto riguarda il caso in cui la scatola è stata chiusa con il coperchio:
• La radiazione entrante è quasi uguale a quella del caso precedente (ad eccezione della radiazione
ultravioletta e del lontano infrarosso che vengono “bloccate” dal coperchio). Questa radiazione è assorbita
dalla piastra nera e produce un aumento della temperatura.
• La piastra emette radiazione infrarossa che non passa attraverso il coperchio di plastica, perché questo la
assorbe e parzialmente la riflette. L’aria nella scatola riceve calore dalla piastra, ma il coperchio impedisce
uno scambio di aria con l’esterno.
• Aumenta la temperatura del coperchio che emette radiazione infrarossa e cede calore all’aria in contatto con
esso. Si raggiunge una temperatura di equilibrio del coperchio quando il flusso di “energia entrante” è uguale
al flusso di energia uscente (radiazione infrarossa emessa dal coperchio e calore ceduto);
• Il coperchio emette radiazione non solo verso l’esterno ma anche verso l’interno della scatola.
• La temperatura di equilibrio della piastra è maggiore di quella del caso precedente poiché nella condizione
di equilibrio la piastra deve emettere una quantità di energia in grado di bilanciare non solo l’energia che
riceve dal Sole, ma anche quella che riceve dal coperchio.
» Esperimento sotto una campana in vetro per creare il vuoto.
Abbiamo scaldato un ferro da stiro ad una temperatura di ~250°C mediante un fornelletto elettrico presente
in laboratorio; nel frattempo abbiamo posizionato la campana sopra un sostegno adatto all’utilizzo della
pompa da vuoto e abbiamo posto sotto la guaina in gomma, che evita il contatto fra sostegno in metallo e
vetro, un sensore connesso ad un computer, in modo da poter ottenere il grafico dell’esperienza. A questo
punto abbiamo collegato la pompa da vuoto al supporto per aspirare l’aria durante l’esperimento e al
manometro per monitorare la variazione di pressione all’interno della campana. Dopodiché abbiamo posto il
ferro caldo sotto il vetro, con l’ausilio un blocchetto in legno per evitare che la gomma del sostegno prendesse
fuoco o si sciogliesse. A questo punto abbiamo azionato la pompa che ha cominciato a creare il vuoto. Attorno
a 100 mmHg abbiamo potuto osservare che se si tenta di sollevare la campana essa non si stacca dalla
gomma, anzi, trascinerà nel movimento tutto il sostegno.
Un punto veramente degno di attenzione è quello evidenziato durante il primo giorno in laboratorio, ossia il
risultato ottenuto: quando abbiamo disattivato la pompa e permesso all’aria di riempire il vuoto dentro la
campana, abbiamo notato che è stato possibile toccare il ferro a mani nude, cosa chiaramente impensabile
quando il ferro è stato precedentemente portato a 250°C.
Si potrebbe pensar di confermare l’ovvio, ma nel vuoto fa freddo.
In un primo momento avevo pensato che togliendo l’aria da sotto la campana si sottraesse anche l’energia
termica scambiata fra ferro e particelle d’aria; inoltre ho trovato sensata anche l’idea che sostiene che l’aria (a
temperatura ambiente) immessa nella campana alla fine dell’esperimento potrebbe essere un altro motivoper il quale il ferro si è raffreddato. Invece, ho capito poi che la spiegazione sta proprio nella ridotta quantità che particelle all’interno della campana. Infatti, per avere una consistente cessione di calore (e quindi un abbassamento di temperatura) è necessaria un’elevata densità di particelle. Nel vuoto questa densità non è presente e gli urti fra molecole sono rari, perciò fa freddo. A temperature molto basse come quelle del vuoto inoltre si possono osservare fenomeni particolari come la superconduttività, che spiega come mai il freddo ha subito un simile calo di temperatura. » Misura delle radiazioni emesse da oggetti diversi a differenti temperature, con e senza vetro interposto. Mediante un radiometro, un sensore utilizzato in radiometria per misurare il flusso della radiazione elettromagnetica emesso da un superficie o un oggetto per effetto della sua temperatura, abbiamo rilevato l’emissione della radiazione da parte di alcuni corpi che si trovano intorno alla temperatura ambiente. Il sensore deve essere posto molto vicino alla superficie dell’oggetto in modo da evitare che esso riceva radiazioni non emesse dal corpo studiato, perciò abbiamo optato per corpi di medie dimensioni, come le dita, i tessuti di alcune magliette ed altro, fino ad arrivare al muro del laboratorio.
Sabato 27 Marzo 2010
Laboratorio Informatica.
Durante quest’ultima giornata di esperienza abbiamo concluso il lavoro riguardante le relazioni e le
schede. Abbiamo poi completato i progetti powerpoint e iniziato la creazione del sito internet (il cui link
si può trovare in calce all’indice).
Abbiamo registrato gli ultimi commenti audio e visto alcuni dei video già montati, completi di audio.Puoi anche leggere
