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calore

In prima liceo scientifico, nell’ambito del programma di scienze della Terra, si studia l’atmosfera terrestre. Nasce quindi l’esigenza di trovare delle prove di laboratorio inerenti tale argomento, fattibili ed economiche. Il nostro libro di testo1 propone un esperimento molto semplice che si presta però a numerose analisi in classe. Vista la facile reperibilità dei materiali e la semplicità dell’esecuzione propongo tale esperienza anche alle classi della scuola primaria e della secondaria di primo grado, i cui studenti e colleghi insegnanti ci seguono numerosi.

Esperimento: come varia l'assorbimento di energia a seconda dei materiali

Tra i fattori che determinano il riscaldamento dell’atmosfera, sicuramente la natura della superficie terrestre occupa un posto rilevante. Si sa che la troposfera, lo strato più vicino alla superficie, viene riscaldata e raffreddata dal basso dalle radiazioni solari che vengono in parte riflesse oppure rilasciate in vari modalità dopo essere state assorbite. La nostra Terra ha una superficie eterogenea molto complessa, ma si può, con una certa approssimazione, ridurre in due zone: terre emerse e acque. Siccome tali aree hanno un comportamento termico diverso, lo scopo di questa prova di laboratorio è quello di quantificare, in maniera semplice, le modalità di assorbimento dell’energia al variare dei materiali.

Con la mia prima, liceo scientifico nuovo ordinamento, abbiamo utilizzato:

  • tre becher da 250 mL
  • una lampada ad incandescenza da 220 V e 40 W
  • due termometri (sensibilità 0,1 °C, portata 10÷50 °C)
  • cronometro (sensibilità 1 s)
  • sabbia
  • acqua del rubinetto

Prima di tutto abbiamo riempito a metà il primo becher con l’acqua e un secondo becher con la sabbia asciutta. In ciascun becher è stato inserito un termometro. I becher sono stati posti a poca distanza sotto la lampada da tavolo; la lampada è stata accesa e si è fatto partire il cronometro.

becher con acqua e con sabbia asciutta

Le letture della temperatura sono state effettuate ogni minuto, per dieci minuti.

Al termine di questa prova abbiamo preso un terzo becher, contenente sabbia con un po’ d’acqua: l’acqua è stata aggiunta poco alla volta, in maniera tale da inumidire la sabbia.

becher con sabbia umida

Anche questo terzo becher è stato posto sotto la lampada accesa, facendo partire il cronometro subito dopo. Le letture sono state fatte ogni minuto, come sopra.

I dati sono stati raccolti in una tabella.

tabella con i dati

Abbiamo costruito un grafico a dispersione, con i punti uniti da segmenti, utilizzando come variabile indipendente il tempo.

grafico a dispersione

Se volete osare di più, potete calcolare con Excel o un altro programma anche l’equazione della retta ed il coefficiente di regressione lineare. L’equazione della retta permette agli studenti di apprezzare il valore del coefficiente angolare: esso è indice di quanto aumenta in media la temperatura del materiale, ogni secondo, nel campo di variazione utilizzato (cioè da 0 a 10 minuti). Il coefficiente di regressione lineare, r2 o R2, indica l’attendibilità della relazione lineare tra le due grandezze.

Esso varia da 0 a 1:

  • basso coefficiente di regressione lineare → dati molto dispersi
  • alto coefficiente di regressione lineare → dati distribuiti intorno ad una retta.

La valutazione sull’attendibilità dei risultati dipende molto dall’ambito in cui viene utilizzato R2: nel caso di un esperimento scolastico direi che un coefficiente superiore a 0,9 è un ottimo risultato!

regressione lineare dei dati ottenuti

Che cosa hanno capito i ragazzi? Quali considerazioni ne hanno ricavato?

Diciamo che dal grafico appare evidente che la sabbia asciutta è il materiale che si riscalda più rapidamente (la retta ha una pendenza maggiore, quindi la variabile dipendente, la temperatura, varia più delle altre a parità di tempo). L’acqua si comporta in maniera tale da minimizzare l’effetto del riscaldamento: il suo calore specifico è più elevato, quindi è ovvio che si riscaldi più lentamente. Una sorpresa viene riservata dalla sabbia umida: sembra che si comporti addirittura peggio dell’acqua (è il materiale con il coefficiente angolare più basso).

Mentre scrivevo questi brevi appunti mi sono venute nuove idee: si potrebbe fare un esperimento utilizzando sabbie di colore diverso (mi immagino una bella sabbia vulcanica scura, come quelle delle nostre belle spiagge del Tirreno) oppure misurare come decresce la temperatura al variare del tempo. Io la butto lì…. ;)


 

1 Tarbuck – Lutgens “Elementi di Scienze della Terra” – Linx Edizioni 2010

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