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ATTIVITA' DI LABORATORIO DI fisica

 

Esperimenti su velocità, calore e lavoro

 

INDICE DEGLI ESPERIMENTI:

 

MOTO RETTILINEO UNIFORME

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO (1a parte)

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO (2a parte)

DETERMINAZIONE DEL BARICENTRO DI UN CORPO

EQUILIBRIO DEI CORPI APPOGGIATI

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI PRIMO GENERE

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI SECONDO GENERE

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI TERZO GENERE

MISURA DEL CALORE

CALORIMETRO DELLE MESCOLANZE (AD ACQUA)

EQUIVALENTE ELETTRICO DEL CALORE

FUSIONE DEL GHIACCIO

DETERMINAZIONE DEL CALORE DI FUSIONE DEL GHIACCIO

DETERMINAZIONE DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE DELL'ACQUA

APPROFONDIMENTO: DETERMINAZIONE DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE DI UNA SOLUZIONE

 

 

Esperimento 1

 

MOTO RETTILINEO UNIFORME

 

Tempo previsto

           2 ore da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        rotaia a cuscino d'aria

·        una serie di pesetti

·        filo di nylon

·        una slitta

·        una carrucola

·        traguardi elettronici con timer


 

Figura 1

 

Realizzazione

 

Montare la rotaia secondo le norme previste sul manuale d'uso della stessa, facendo in modo che il piano della rotaia sia perfettamente orizzontale.

Disporre la slitta in vari punti sulla rotaia e verificare che non si sposti spontaneamente. (questo significherebbe che la rotaia si comporta come un piano inclinato e, perciò, la slitta sarebbe sempre sottoposta ad almeno una forza parallela al moto)

Realizzare con la slitta, i pesetti, il filo e la carrucola il sistema rappresentato nella Figura 1.

Spiegare agli allievi che il cuscinetto d'aria su cui viaggia la slitta serve per limitare l'at­trito e ci consente di realizzare un moto pressoché uniforme. I pesi utilizzati per la slitta, servono a metterla in movimento e interrompono la loro azione prima che la slitta raggiunga il primo traguardo (a questo scopo, porre attenzione alla distanza h0 dove fermare i pesetti); pertanto, non interferiscono col moto successivo, infatti, dall'istante in cui la slitta non è più trainata da alcuna forza, essa procede a velocità praticamente costante.

 

Eseguire alcune prove dell'esperimento illustrando il funzionamento del timer, delle fotocellule e, se possibile, variare il flusso d'aria mostrando come al diminuire della quantità d'aria erogata aumenti visibilmente l'effetto rallentante dell' attrito.

Disporre le fotocellule ad una distanza prefissata ed eseguire alcune misure del tempo impiegato dalla slitta per percorrere tale distanza.

Completare la seguente tabella utilizzando le approssimazioni più opportune in relazione ai dispositivi utilizzati.

 

N. prova

S (cm)

T1 (s)

T2 (s)

T3 (S)

T4 (s)

T medio (s)

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

Far osservare che, aldilà degli errori connessi a qualsiasi operazione di misura, i tempi per percorrere spazi uguali sono praticamente identici, anche se vengono calcolati in punti diversi della rotaia (sempre dopo l'azione  dei pesi di trascinamento).

Realizzare alla lavagna la seguente tabella.

 

N. prova

S (cm)

T medio (s)

V=s/t (m/s)

1

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

 

 

V media =

 

 

Costruire il diagramma orario del moto che apparirà simile al seguente:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Esperimento 2

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO (1a parte)

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        rotaia a cuscino d'aria

·        una serie di pesetti

·        filo di nylon

·        una slitta

·        una carrucola

·        traguardi elettronici con timer

Figura 2

 

Realizzazione

 

Montare la rotaia secondo le norme previste sul manuale d'uso della stessa, facendo in modo che il piano della rotaia sia perfettamente orizzontale.

Disporre la slitta in vari punti sulla rotaia e verificare che non si sposti spontaneamente. (questo significherebbe che la rotaia si comporta come un piano inclinato e, perciò, la slitta sarebbe sempre sottoposta ad almeno una forza parallela al moto)

Realizzare con la slitta, i pesetti, il filo e la carrucola il sistema rappresentato nella Figura 2.

 

Far osservare ai ragazzi la disposizione della slitta e della prima fotocellula. Sono entrambe all'inizio della rotaia, la slitta è ferma, per cui la velocità iniziale nel corso di queste prove è sempre V1 = 0. La prima fotocellula viene subito incontrata, perciò, il conteggio dell'intervallo di tempo inizia, con buona approssimazione, quando inizia il moto della slitta. E' importante far notare che il moto è determinato dalla forza impressa alla slitta dal peso del grave, ed è trasmessa dal filo di nylon e costantemente applicata in quanto la slitta transita sotto la fotocellula 2 prima che il grave abbia compiuto la sua caduta. (ricordare la diversa configurazione dell'esperimento 1 per poi confrontare i diversi risultati)

Si effettuano diverse misure che verranno inserite nelle seguenti tabelle:

 

Tabella 1

n.

S (cm)

T (s)

V (m/s)

DV (m/s)

DT (s)

A = DV/DT

1

 

 

 

///

///

///

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 Tabella 2

n.

S (cm)

T (s)

T2 (s2)

S/T (cm/s)

A=2S/T2 (cm/s2)

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

Completare la tabella 1 in aula senza fare commenti sul significato di A (non dovrebbe essercene il tempo).

 

Assegnare come esercizio da svolgere a casa il completamento della tabella 1, eseguendo i calcoli indicati in cima alle ultime tre colonne e la realizzazione di due diagrammi analoghi a quelli dell'esercizio 1, rappresentando sull'asse delle ordinate, rispettivamente t e t2.

Gli allievi dovranno, inoltre, fare alcune ipotesi sul significato e l'origine della grandezza A che hanno calcolato in aula e a casa.

 

 

Esperimento 3

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO (2a parte)

2° principio della dinamica

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        rotaia a cuscino d'aria

·        una serie di pesetti con un portapesi

·        filo di nylon

·        una slitta

·        una carrucola

·        traguardi elettronici con timer

Figura 3

Per questo esperimento utilizzare la stessa configurazione del caso precedente.

Stabilire una opportuna distanza tra le fotocellule (rimarranno fisse durante l'intero esperimento), e attaccare all'estremità libera il portapesi.

Eseguire (o, meglio, far eseguire agli allievi) l'esperimento ponendo inizialmente alcuni pesetti (almeno 4) sul portapesi.

Spostare poi un pesetto alla volta, dal portapesi alla slitta (in questo modo la massa totale del sistema non varierà).

 

N.B.

E' importante far notare che la massa che si sposta non è solo quella della slitta, ma quella del sistema slitta, pesetti e portapesi!

Queste quantità non erano state  fatte variare negli esperimenti precedenti e, non essendo indispensabili per i calcoli, non sono state tabulate.

 

 

 

Costruire una tabella come segue:

 

 

spazio percorso s = ………………. M

n.

F (gp)

F(N)

T (s)

T2 (s2)

A (m/s2)

F/A (Ns2/m)

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Assegnare come compito a casa la realizzazione del grafico  A = f (F).

 

 

Inclinare la rotaia (ad esempio ponendo sotto due piedini una scatola), utilizzandola come piano inclinato, eseguire alcune misure con slitte di massa diversa (ad esempio aggiungendo pesi sulle stesse)

Verificare la legge che lega accelerazione e forza attraverso lo studio della tabella che segue:

 

 

 

 

spazio percorso s = ………………. M

F=F// (forza parallela al piano inclinato)

n.

T (s)

T2 (s2)

A (m/s2)

F/A (Ns2/m)

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

4

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

Esperimento 4

DETERMINAZIONE DEL BARICENTRO DI UN CORPO

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        1 pannello metallico su piedi di appoggio

·        1 spinotto filettato

·        alcune figure geometriche piane

·        filo a piombo

·        1 morsetto

 

fase 1

 

Fissare lo spinotto al pannello metallico, e inserirvi una figura geometrica piana (non importa quale). Inserirvi poi il filo a piombo, sospeso per l'anello;

Far notare come le due figure appaiono parallele in quanto i due corpi sono attirati verso un'unica direzione che, approssimativamente, corrisponde alla direzione del  centro della Terra (verticale).

Utilizzare il filo a piombo, per indicare la verticale passante per il punto di sospensione.

 

fase 2

 

Fissare lo spinotto al pannello metallico, e inserirvi una fi­gura geometrica piana.

Inserire poi il filo a piombo, sospeso per l'anello, e quindi tracciare sulla figura piana con una matita, i punti attraver­sati dal cordino del filo a piombo. (è opportuno, per non sporcare le figure, chiedere agli allievi di coprire con un foglio a quadretti perfettamente ritagliato, la figura stessa. Tale foglio, incollato con qualche pezzo di scotch potrà essere allegato alla relazione sull'esperimento o incollato sul quaderno accanto alla teoria)

 

Ripetere l'esperimento sospendendo la figura per gli altri fo­ri, sempre tracciando la verticale passante. Ripetere ancora le fasi dell'esperimento, utilizzando le altre figure geometriche piane.

 

Ricordare agli allievi che il baricentro si può pensare come il punto nel quale è applicata la forza dovuta al peso dell'intero corpo.

E' individuato dalla intersezione delle verticali passanti per i diversi punti di sospensione

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Esperimento 5

EQUILIBRIO DEI CORPI APPOGGIATI

 

Tempo previsto

           10  minuti

 

Materiali occorrenti

·        Lastra metallica per piano inclinato

·        Parallelepipedo di legno grande

·        Filo a piombo

·        Morsetto a bocca di coccodrillo

 

 

Esecuzione  

 

Si appoggi il parallelepipedo di legno sulla tavoletta e si sospenda infisso nel baricentro il filo a piombo Si porti tutto al margine del tavolo e si sollevi la tavoletta il parallelepipedo non cadrà finche la verticale, rappresentata dal filo a piombo passante per il centro di gravità resterà nell'interno della base di appoggio.

Per evitare che il blocchetto scivoli lungo il piano, si ponga davanti un morsetto a bocca di coccodrillo fissato alla tavoletta del piano inclinato.


 

 

 

 

 

Si ripeta l'esperimento poggiando sul piano in­clinato il parallelepipedo mediante la  base  mag­giore. Si vedrà che oc­corre dare     al piano un'in­clinazione di gran lunga maggiore per determinare caduta del parallelepipedo.

 

 

 

 

Esperimento6

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI PRIMO GENERE

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        1 sostegno con asta

·        2 morsetti

·        asta da 30 cm

·        asta da 50 cm

·        asta con gancio centrale

·        serie di pesetti

·        dinamometro

·        riga millimetrata

·        filo

 

 

Esecuzione  

 con  un   morsetto   fissare orizzontalmente  all'asta  del  sostegno  l'asta da  50  cm.   A quest'ultima  sospendere con un occhiello di filo   l'asticciola con gancio centrale,  ai due bracci della quale appendere, sempre con  occhielli  di filo,  due gruppi di uguale numero di  pesetti. (Figura 4)

Spostare opportunamente i due gruppi di pesetti in modo da  trovare  la  posizione  di  equilibrio (asticciola  ferma orizzontalmente): essa si raggiunge quando i due gruppi di pesetti si trovano alla stessa distanza dal gancio centrale (fulcro)

Figura 4

 

Ripetere  l'esperimento variando il numero dei  pesetti  appesi, purche' in numero uguale ai due bracci  dell'asticciola. Appendere ora ai due bracci dell'asticciola due gruppi di numero diverso di  pesetti,  quindi,  tenendo fisso all'estremo  di  un braccio il gruppo con il minor numero di pesetti,  fare  scorrere lentamente  l1altro  gruppo di pesetti sull'altro braccio fino  a trovare   la  posizione  di  equilibrio   (asticciola   ferma orizzontalmente).

Misurare  la distanza  di ciascun gruppo di pesetti  dal  fulcro quindi verificare  che  il prodotto del  numero  di  pesetti  di ciascun gruppo  per  la rispettiva distanza  dal  fulcro  e'  lo stesso per i due bracci della leva.

Ripetere le misure fissando,  ad es., un pesetto ad un estremo di un braccio e appendendo prima uno,  poi  due,  tre,  ...  pesetti  all'altro  braccio della leva.  Compilare quindi una tabella come la   seguente,   verificando  che,   nei  limiti   degli   errori sperimentali,  i risultati della terza e della sesta colonna sono uguali.

 

 

 

braccio sinistro

braccio destro

forza     (gr-p)

braccio (cm)

braccio forza x            forza

forza     (gr-p)

braccio (cm)

braccio forza x            forza

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Note:  nel  montaggio e' bene tenere l'asticciola (leva) a  pochi

centimetri   dalla  superficie  di  appoggio  affinché,   quando

dovessero cadere i pesetti durante la ricerca della posizione  di equilibrio, sia più agevole tenere sotto  controllo il resto della struttura.

Per  una  migliore misura dei bracci della leva e' consigliabile appendere  i pesetti,  per quanto possibile,  verso gli  estremi dell'asticciola.

 

 

 

 

Esperimento 7

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI SECONDO GENERE

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        1 sostegno con asta

·        2 morsetti

·        asta da 30 cm

·        asta da 50 cm

·        asta con gancio centrale

·        serie di pesetti

·        dinamometro

·        riga millimetrata

·        filo

 

 

Esecuzione

Fissare all'asta del sostegno due aste orizzontali, l'una sotto l'altra (Figura 5)

 

Figura 5

 

 

All'asta superiore appendere il dinamometro, all'asta inferiore appendere con un occhiello di filo l'asticciola con gancio centrale in modo che sia libera di ruotare intorno al suo gancio.Per mezzo di un occhiello di filo agganciare il dinamometro all'estremo dell'asticciola, quindi spostare l'asta superiore che sorregge il dinamometro in modo che la leva Si disponga orizzontalmente. Con un occhiello di filo appendere all'asticciola - tra il suo gancio centrale e il dinamometro - un gruppo di pesetti:l'asta si inclinerà dalla parte dei pesetti. Tirare dolcemente verso l'altro il dinamometro (alzando l'asta a cui è appeso) fino a riportare la leva in posizione orizzontale.

L'asticciola si comporta da leva di secondo genere con fulcro nel suo gancio centrale, forza resistente data dai pesetti e forza agente esercitata dal dinamometro, l'allungamento del quale da' la misura dell'intensita' della forza agente. Misurare il braccio della forza resistente (distanza gancio centrale - punto di applicazione dei pesetti) e quello della forza agente (distanza fulcro - punto di applicazione del dinamometro), quindi verificare che il prodotto dell'intensita' di ciascuna forza per la misura del proprio braccio e' costante.

 

Ripetere l'esperimento variando piu' volte il numero dei pesi applicati.

Compilare una tabella come la seguente e verificare che i risutati della terza e della sesta colonna sono uguali.

 

 

 

 

braccio sinistro

braccio destro

forza     (gr-p)

braccio (cm)

braccio forza x            forza

Forza   (gr-p)

braccio (cm)

braccio forza x            forza

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Notare in tabella che la forza agente e' sempre minore della corrispondente forza resistente: la leva di secondo genere e' sempre vantaggiosa.

 

 

Note: la disposizione indicata nel montaggio evita di dovere tener conto del peso dell'asticciola costituente la leva, peso che per quanto piccolo non e' trascurabile. Inf atti qui e' utilizzata solo meta' dell'asticciola: l'altra meta' si comporta da contrappeso alla prima. L'asticciola e' in equilibrio gia' prima che vi si applichino i pesetti e il dinamometro.

 

 

Esperimento 8

LEGGI SULLE LEVE: LEVE DI TERZO GENERE

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        1 sostegno con asta

·        2 morsetti

·        asta da 30 cm

·        asta da 50 cm

·        asta con gancio centrale

·        serie di pesetti

·        dinamometro

·        riga millimetrata

·        filo

 

 

Esecuzione

Predisporre il montaggio di Figura 6, analogo a quello dell'esperimento precedente con la differenza che qui i pesetti sono applicati all'estremo dell'asticciola, mentre il dinamometro e' agganciato tra il fulcro e il gruppo di pesetti.

Tirare dolcemente verso l'alto il dinamometro (facendo scorrere verso l'alto l'asta che lo sorregge) fino a portare la leva in posizione di equilibrio (orizzontale).

Figura 6

 

 

L'asticciola si comporta da leva di terzo genere con fulcro nel suo gancio centrale, forza resistente data dai pesetti e forza agente esercitata dal dinamometro. L'allungamento del dinamometro da' la misura dell'intensita' della forza agente.

Misurare il braccio della forza agente e quello della forza resistente, quindi verificare che il prodotto dell'intensita' di ciascuna forza per la misura del proprio braccio e' costante. Ripetere l'esperimento variando il numero di pesetti applicati e compilare una tabella analoga ila precedente.

Notare che la forza agente e' sempre maggiore della corrispondente forza resistente: la leva di terzo genere e'  sempre svantaggiosa.

 

 

 

 

 

 

Esperimento 9

MISURA DEL CALORE

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        Un becher. (meglio un vaso Dewar o un thermos a bocca larga)

·        Un termometro

·        Una bacchetta di vetro

·        Un fornello elettrico

·        Un cilindro graduato

·        Un cronometro

·        Uno straccio (o presine isolanti)

 

Esecuzione  

 

Misuriamo 300 ml d'acqua e versiamola nel becher e annotiamo la temperatura indicata dal ter­mometro dell'apparecchio.

Accendiamo il fornello, attendiamo qualche minuto perché rag­giunga la temperatura adatta, quindi poniamogli sopra il becher contenente l'acqua, facendo contemporaneamente par­tire il cronometro.

Rileviamo la temperatura ogni 15 secondi per due minuti e ri­portiamola sulla scheda di laboratorio.

Durante questa fase mescoliamo l'acqua con una bacchetta.

Alla fine dovrà essere completata una tabella come quella in basso.

 

Tempo (s)

Temperatura (°C)

0

 

15

 

30

 

45

 

60

 

 

 

Spegniamo ora il fornello e, usando uno straccio inumidito per non scottarci, e facendo sempre molta attenzione, togliamo il becher e gettiamo via l'acqua.

Aspettiamo almeno dieci minuti per consentire al becher di raffreddarsi un po', quindi completiamo il raffreddamento mettendolo sotto l'acqua. Attenzione: non mettete acqua fredda nel becher se que­sto è ancora caldo perché rischiereste di romperlo.

Quando il vaso si è raffreddato asciughiamolo e quindi riempiamolo con una quantità doppia di acqua rispetto al caso prece­dente.

Ripetiamo poi l'esperienza secondo le modalità già viste. Questa volta otterremo una tabella come quella raffigurata qui a fianco.

 

Interpretazione dell'esperienza

 


Costruiamo con i dati delle nostre due tabelle i grafici relativi, riportando in ascissa il tempo e in ordinata la temperatura. Otterremo andamenti analoghi ai seguenti:

 

 

Che cosa osserviamo?

·        Considerando che il fornello è sempre lo stesso, possiamo ri­tenere che il tempo di riscaldamento sia direttamente propor­zionale alla quantità di calore che si trasferisce. Dunque, se il tempo di riscaldamento e la temperatura sono direttamen­te proporzionali, anche la quantità di calore e la temperatura (in realtà dovremmo parlare di intervallo di temperatura Dt) sono direttamente proporzionali.

·        il grafico relativo alla seconda tabella testimonia che all'au­mentare della massa d'acqua la temperatura, a parità di tem­po e dunque a pari quantità di calore somministrato, aumen­ta meno di quanto accadeva nel caso precedente: si può dire anche che all'aumentare della massa, la temperatura cresce più lentamente.

Proviamo ora a calcolare, nei due casi, le differenze di tempera­tura Dt tra una misura e quella successiva. Otterremo altre due tabelle, come quelle sotto riportate.

 

Tempo (s)

DT (°C)

0

 

15

 

30

 

45

 

 

 

Osserviamo le due tabelle: che cosa notiamo?

 

Innanzitutto, analizzando separatamente i due casi, risulta evidente che la variazione di temperatura è pressoché costante per uguali intervalli di tempo, il che ribadisce la proporzionalità diretta tra quantità di calore e temperatura.

Passando poi alla comparazione tra le due tabelle appare chiaro che:

raddoppiando la massa d'acqua, la variazione di temperatura, a parità di tempo, diventa la metà (massa e variazione di temperatura so­no inversamente proporzionali tra loro).

 

Conclusioni

Dalla prima osservazione possiamo dedurre che la quantità di calore assorbita dall'acqua è proporzionale alla sua variazione di temperatura, in altre parole che:

 

                   e dunque               

 

La costante di proporzionalità C, detta capacità termica della sostanza, rappresenta la quantità di calore necessaria per ele­vare di i 0C la temperatura di una massa m di quella sostanza. Tale quantità è sempre positiva.

Dalla seconda osservazione, invece, possiamo concludere che la quantità di calore assorbita dall'acqua è proporzionale anche alla sua massa, quindi possiamo scrivere che:

 

 

La costante di proporzionalità c, detta calore specifico della sostanza, rappresenta la quantità di calore necessaria per ele­vare di 1°C la massa di un grammo di una certa sostanza. Tale quantità è ovviamente sempre positiva.

È anche palese che C = c m; in tutti i casi la capacità termica e il calore specifico sono grandezze caratteristiche della sostanza. Per renderci conto di ciò potremmo ripetere l'esperienza appena portata a termine, usando, al posto dell'acqua, una quantità uguale di un'altra sostanza (per esempio glicole etilenico: è il liquido usato come anticongelante nei radiatori). Vedremmo che, a parità di quantità di calore fornita, la temperatura raggiunta da questa sostanza è diversa da quella raggiunta dall'acqua nell'esperienza precedente.

Il calore specifico delle varie sostanze è riportato nella sottostante tabella. Esso dipende inoltre dallo stato di aggregazione: per questo nella tabella, accanto al suo valore, viene riportato l'intervallo di temperatura in cui esso è valido. In particolare, il valore del calore specifico dell'acqua allo stato liquido è, con buona ap­prossimazione, uguale a 1 cal/g°C.

 

Sostanza

c (cal/g 0C)

temperatura (°C)

Acqua

ghiaccio

vapore acqueo

alluminio

argento

ferro

mercurio

nichel

oro

rame

stagno

zinco

         1

         0,53

         0,48

         0,214

         0,0562

         0,119

         0,0315

         0,109

         0,0303

         0,0936

         0,0552

         0,093

         15

         10

         100

         18

         15-100

         20-100

         40

         100-100

         18-99

         20-100

         19-99

         20-100

 

Esperimento 10

 

CAPACITÀ TERMICA

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

FINALITÀ DELL'ESPERIENZA

 

Verificare qual e la relazione tra la quantità di calore assorbita da un corpo e la sua variazione di temperatura

Verificare inoltre che, a parità di massa, la costante di proporzionalità c dipende dalla sostanza di cui e fatto il corpo (La quantità di calore Q scambiata da un corpo è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura Dt; Q/Dt = C La costante di proporzionalità C dipende dal corpo in esame e viene detta capacità termica del corpo.)

 

 

Materiali occorrenti

·        Un becher.

·        Del feltro o polistirolo per isolare termicamente il becher

·        Un cilindro graduato.

·        Duecento centimetri cubi di olio.

·        Un termometro

·        Un'asta con treppiede

·        Un gancio con morsetto di fissaggio all'asta

·        Un agitatore

·        Un riscaldatore elettrico ad immersione.

·        Un cronometro.

 

 

Esecuzione

Figura 7

Montiamo il materiale come illustrato nella Figura 7

Con il cilindro graduato misuriamo 200 cm3 di acqua e versiamola nel becher.

Accertiamoci che il bulbo del termometro sia lontano dal riscal­datore e che questo sia totalmente immerso nell'acqua.

Lasciamo che si raggiunga l'equilibrio termico.

Ciò avviene quando la temperatura segnata dal termometro si stabilizza.

Annotiamo la temperatura iniziale.

Iniziamo il riscaldamento e contemporaneamente facciamo partire il termometro.

Ogni cinque minuti rileviamo la temperatura, fino a che questa raggiunge il valore di circa 800C.

Riportiamo i dati ottenuti in una tabella e tracciamo il relativo grafico.

Se il funzionamento del riscaldatore è regolare possiamo considerare la quantità di calore da esso fornita proporzionale al tempo.

Poiché sappiamo che, assumendo come unità di misura del calore le grandi calorie, 0,2 kg di acqua hanno una capacità termica di 0,2 kcal /0C, dal grafico ricaviamo la quantità di calore fornita mediamente ogni minuto dal riscaldatore.

Ripetiamo la prova con l'olio.

Ricaviamo la capacità termica dell'olio.

 

 

RACCOLTA ED ELABORAZIONE DEI DATI E VALUTAZIONE DEGLI ERRORI

 

Assumiamo l'errore assoluto della temperatura uguale alla sensibilità del termometro. Consideriamo trascurabile l'errore commesso nella determinazione del tempo e quindi del calore fornito.

Tempo (minuti)

temperatura acqua (0°C)

temperatura olio (0C)

0

 

 

5

 

 

10

 

 

15

 

 

20

 

 

 

Casella di testo: Tempo (minuti)
temperatura acqua (0°C)
temperatura olio (0C)
0
 
 
5
 
 
10
 
 
15
 
 
20
 
 
 

Massa

dell'acqua (kg) =

 

Massa

dell'olio (kg) =

 

 

Casella di testo: Massa 
dell'acqua (kg) =
 
Massa 
dell'olio (kg) =
 
 

Tempo (minuti)

temperatura acqua (0°C)

temperatura olio (0C)

0

 

 

5

 

 

10

 

 

15

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

CONSIDERAZIONIE QUESITI FINALI

 

Il grafico calore-temperatura dovrebbe risultare lineare. È però presente un errore sistematico intro­dotto dalla dispersione di calore verso l'ambiente.

Come può modificare l'andamento del grafico tale errore sistematico?

L'errore sarà più rilevante alle alte o alle basse temperature?

 

 

 

 

 

Esperimento 11

CALORIMETRO DELLE MESCOLANZE (AD ACQUA)

 

Tempo previsto

           1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        calorimetro;

·        termometro di precisione;

·        biancia tecnica monopiatto;

·        becco Bunsen completo di treppiede e di reticella;

·        bicchiere graduato;

·        acqua distillata;

·        campioni da sottoporre ad esame;

·        pentolino con olio.

 

.Descrizione del calorimetro:

 

Il calorimetro, e lo strumento usato in laboratorio per deter­minare la quantità di calore ceduta o assorbita da una sostan­za e per conseguenza, per determinare il calore specifico della sostanza stessa.

E' costituito essenzialmente da due cilindri di alluminio: uno interno di dimensioni 75x50 mm, l'altro esterno di 100x60 mm.

Il coperchio e realizzato plastica; sullo stesso trovano posto un foro per termometro, due terminali di diametro standard 4mm per i collegamenti elettrici, un agitatore di ottone e una re­sistenza riscaldate da 0.66 Ohm.

 

Esecuzione  

 

Misuriamo 300 ml d'acqua e versiamola nel becher e annotiamo la temperatura indicata dal ter­mometro dell'apparecchio.

Accendiamo il fornello, attendiamo qualche minuto perché rag­giunga la temperatura adatta, quindi poniamogli sopra il becher contenente l'acqua, facendo contemporaneamente par­tire il cronometro.

Rileviamo la temperatura ogni 15 secondi per due minuti e ri­portiamola sulla scheda di laboratorio

 

Versare nel calorimetro un ben determinato volume di acqua di­stillata, rilevandone accuratamente la temperatura.

 

Contemporaneamente in un pentolino a bagno d'olio scaldare al­la fiamma diretta del Bunsen il campione da sottoporre ad esa­me, con cura preventivamente pesato, sino al raggiungere di una determinata temperatura.

 

Rapidamente, introdurre il campione nel calorimetro : il corpo cede calore all'acqua.

 

Rilevare la temperatura raggiunta dall'acqua in conseguenza di questo riscaldamento.

Risultati ottenuti:

 

 

Il calore ceduto dal corpo e pari alla quantità di calore ac­quistata dall'acqua.

Ne deriva pertanto che:

 

c = m1 (t2 - t1) /m2 (t1 - t2)

 

m1 = massa del 1 ' acqua;

m2 = massa della sostanza campione;

ti = temperatura originale dell'acqua;

t2 = temperatura dell'acqua riscaldata;

t3 = temperatura della sostanza riscaldata.

c  = calore specifico della sostanza in esame.

 

­

Nota all'esperimento:

La procedura seguita non tiene però conto di una circostanza, che falsa la validità dei risultati: il termometro, l'agitato­re ed il recipiente stesso, sottraggono parte del calore.

 

Dobbiamo allora tenere conto dell'equivalente in acqua del calorimetro: la quantità di acqua, cioè, che assorbirebbe la me­desima quantità di calore dell'intero sistema. Definendo pertanto "e" il valore dell'equivalente in acqua del dispositivo calorimetrico, la "nuova" massa dell'acqua sarà: m  + e, da cui ne deriva che:

 

 

c = (m1 + e) (t2 - t1)/m2 (t3-t1)

 

 

 


 

Esperimento 12

 

EQUIVALENTE ELETTRICO DEL CALORE                    

 

Tempo previsto

1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        calorimetro completo di coperchio;

·        termometro di precisione;

·        bilancia tecnica monopiatto;

·        strumento per misure elettriche (tester);

·        orologio contasecondi;

·        alimentatore BT;

·        coppia di cavetti di collegamento;

·        bicchiere graduato;

·        acqua distillata.

 

 

Richiami teorici:

 

Con l'esperimento che segue vogliamo determinare quantitativa­mente la trasformazione di energia elettrica in energia termi­ca.

Per calcolare l'equivalente elettrico del calore, dobbiamo ap­plicare all'acqua una determinata quantità di energia termica, e misurare quindi la quantità di calore ottenuta.

 

 

Esecuzione  

 

Versare nel calorimetro, una ben determinata quantità di acqua distillata, prendendo anche accurata nota della sua temperatura.

 

applicare al calorimetro il coperchio, dove sono alloggiati il termometro, la resistenza riscaldante, l'agitatore ed una cop­pia di terminali 4 mm per i collegamenti elettrici.

 

Collegare il sistema alla sorgente di alimentazione bassa ten­sione (4V / 3A DC max.).

 

Erogare tensione per un ben determinato tempo (5 minuti posso-no risultare sufficienti), agitando continuamente l'acqua perché la sua temperatura si mantenga uniforme.

 

 

Prima di disinserire la tensione, rilevare accuratamente:

 

a)     la temperatura finale dell'acqua;

b)     la corrente misurata ai terminali di collegamento;

c)     la tensione, sempre misurata ai terminali di collegamento;

d)     la durata dell'applicazione di energia.

 

indicare i dati nella seguente tabella:

 

Quantità di acqua                                    

 

(kg)

Temperatura iniziale                               

 

(°C)

Temperatura finale

 

(°C)

Aumento di temperatura (T2 - T1 )

 

(°C)

Durata dell'applicazione di energia

 

(s)

Corrente

 

(A)

Tensione      

 

(V)

 

La quantità di calore di calore assorbito dall'acqua:

Q = m . Dt

Poiché l'energia applicata è:

energia applicata =corrente * tensione * tempo

 

il valore dell'equivalente elettrico del calore è stabilito in J/kcal

 

Nota all'esperimento:

Nel confrontare il risultato sperimentale con la teoria, è co­munque d'obbligo tenere di conto, in aggiunta al valore in ac­qua del calorimetro, delle altre cause possibili di errore co­me, a titolo di esempio: della potenza destinata per la misura che va persa, dell'imprecisione degli strumenti di misura uti­lizzati, dei tempi di reazione.

In tali condizioni, l'errore sperimentale contenuto intorno al 2-3%.        deve essere considerato accettabile.

 

 

 

 

Esperimento 13

FUSIONE DEL GHIACCIO

 

Tempo previsto

      1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        Un thermos a bocca larga oppure un contenitore per gelati, in poliuretano espanso

·        Un termometro da       200 a + 50 G

·        una provetta

·        un portaprovette

·        un cronometro

·        acqua distillata

·        ghiaccio o neve

·        sale grosso da cucina

 

Se prendete del ghiaccio in frigorifero e vi accingete a determinarne sperimentalmente il punto di fusione, quasi certamente il ghiaccio inizierà a fondere prima ancora che siate riusciti a sminuzzano per introdurvi un termometro. Inoltre, il ghiaccio del frigorifero è fatto con acqua del rubinetto, che non è acqua pura, mentre lo scopo del nostro esperimento è quello di determinare la temperatura alla quale l'acqua pura passa dallo stato solido allo stato liquido.

Per questo motivo, la prima parte dell'esperimento proposto consiste nella preparazione di ghiaccio puro, ad una temperatura di almeno 5°C o 6°C sotto lo zero.

 

 

Esecuzione  

 

Nel thermos o nel contenitore per gelati, preparate una miscela frigorifera mescolando ghiaccio triturato fine e sale.

Va benissimo, al posto del ghiaccio, la brina che si forma nel freezer o la neve, quando c'è.

Mettete nella provetta circa 5 cm3 di acqua distillata, immergetevi il termometro e sistematela nella miscela fngorifera preparata prima, eventualmente aggiungendo ancora sale


 

 

Mentre la provetta è immersa nella miscela frigorifera, tenete un pochino sollevato il termometro, in modo che il bulbo non tocchi il fondo della provetta, ma resti immerso nella parte centrale dell'acqua.

 

Leggete la temperatura dell'acqua che si trova all'interno della provetta e osservate attentamente che cosa accade.

 

Lasciate immersa la provetta fino a che tutta l'acqua sia solidificata (il termometro deve restare intrappolato nel ghiaccio) e la temperatura sia scesa di almeno 5 o 6°C sotto lo zero. Se ciò non avviene, aggiungete altro sale nella miscela frigorifera.

Ecco il vostro ghiaccio, pronto per l'esperimento e già nella provetta, con il termometro inserito.

 

Togliete la provetta dalla miscela frigorifera ed appoggiatela sul portaprovette o dentro un bicchiere di vetro.

 

Lasciate che la provetta si riscaldi lentamente a contatto con l'ambiente; fate scattare il cronometro e leggete la temperatura ad intervalli regolari di tempo (per esempio ogni 10-20 s) annotando anche eventuali osservazioni qualitative. Continuate a leggere ed annotare la temperatura fino a che questa raggiunga circa 10 °C.

 

Traducete la tabella dei dati sperimentali in un grafico cartesiano, riportando in ascissa i tempi ed in ordinata le temperature.

Leggendo il grafico stabilite:

  • la temperatura di fusione del ghiaccio;
  • quanto tempo ha impiegato il ghiaccio a fondere.

 

 

 

Esperimento 14

DETERMINAZIONE DEL CALORE DI FUSIONE DEL GHIACCIO

 

Tempo previsto

      1 ora da 50 minuti

 

Materiali occorrenti

·        un calorimetro grande, costituito da: un thermos bocca larga da 1/2 litro, con tappo, oppure da due bicchieri di pyrex da 500 e da 1000 cm3, inseriti l'uno nell'altro

·        un termometro da 10 a 100°C

·        una bilancia

·        un cilindro graduato da 200 cm3

·        un bicchiere da 100 cm3

·        acqua distillata

·        ghiaccio fatto con acqua distillata

 

Se non possedete il ghiaccio fatto precedentemente con acqua distillata, preparatelo al momento dell'uso. A tale scopo mettete in un provettone o in un sacchetto di nylon circa 50 g di acqua distillata e ponete il tutto in un recipiente contenente una miscela frigorifera costituita da ghiaccio tritato (o neve) e sale grosso da cucina.

 

Pesate il calorimetro vuoto, compreso l'agitatore, e sia m1 il valore trovato.

 

Versate nel calorimetro circa 400 cm3 di acqua distillata e pesate nuovamente; sia m2 la massa del calorimetro pieno d'acqua.

 

Appoggiate sul calorimetro il coperchio con inserito il termometro; agitate per rendere uniforme la temperatura dell'acqua e prendetene nota: sia t1.

 

Rompete il ghiaccio in piccoli pezzi e ponetelo nel bicchiere. Quando comincia a fondere, e quindi si troverà a O °C, versatene 1 o 2 pezzi nel calorimetro e richiudete questo con il coperchio

 

Attendete che tutto il ghiaccio sia fuso e leggete la temperatura finale indicata dal termometro, dopo aver agitato bene per renderla uniforme; sia t2 tale temperatura.

 

Togliete il coperchio e pesate nuovamente il calorimetro contenente l'acqua messa inizialmente e quella proveniente dalla fusione del ghiaccio; sia m3 la massa ottenuta.

 

Scrivete con chiarezza i dati sperimentali raccolti e preparate un bilancio energetico dal quale ricavare il calore x di fusione.

 

Calcolatelo e confrontate il valore ottenuto con quello riportato sul libro di testo.

 

 

 

15

DETERMINAZIONE DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE DELL'ACQUA

 

Tempo previsto

      30 minuti

 

Materiali occorrenti

·        un sostegno

·        un bunsen con treppiede e reticella

·        un bicchiere in pyrex da 250 cm3

·        un cronometro

·        Un termometro da 0 a + 100°C

·        una bacchetta di vetro per agitare

·        acqua distillata

 

 

Riempite il bicchiere con acqua distillata, fino a circa 3/4 dell'altezza, e ponetelo sul bunsen.

 

Appendete il termometro al sostegno, facendo in modo che resti immerso nel liquido, senza toccare il fondo del bicchiere. Accendete il bunsen e fate scattare il cronometro.

 

Mescolando lentamente per rendere omogenea la temperatura dell'acqua, leggete il termometro ad intervalli regolari di tempo (ogni 30-60 s) fino a 3-4 minuti dopo che l'acqua incomincia a bollire.

 

Riportate su un grafico la temperatura in funzione del tempo e spiegatene l'andamento. Corrisponde alle vostre previsioni?

 

 

APPROFONDIMENTO: DETERMINAZIONE DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE DI UNA SOLUZIONE

 

Tempo previsto

      30 minuti

 

Materiali occorrenti

·        un bicchiere in pyrex da 500 cm3

·        un sostegno

·        un becco bunsen, con treppiede e reticella

·        un termometro da 0 a 120 °C

·        un cronometro

·        una bacchetta di vetro come agitatore

·        acqua distillata

·        sale da cucina

 

mettete nel bicchiere circa 200 g di acqua distillata, aggiungete due cucchiai di sale e mescolate fino a he il sale si è sciolto.

 

mettete sul bunsen la soluzione cosi preparata, mmergetevi il termometro tenendolo appeso al sostegno e cominciate a riscaldare.

 

Annotate, ad intervalli regolari di tempo, la temperatura della soluzione, usando una particolare precisione di lettura quando la soluzione inizia a bollire.

Continuate la lettura per parecchi minuti, fino a quando il volume della soluzione si sia notevolmente ridotto.

 

Riportate i dati sperimentali su carta millimetrata, costruendo un grafico cartesiano.

 

  • Sapreste spiegare perché durante l'ebollizione la temperatura non si mantiene costante (infatti il grafico non è orizzontale, ma sale leggermente verso l'alto)?
  • La soluzione è sempre uguale, dall'inizio alla fine dell'esperimento?

Vi pare di poter affermare che la concentrazione di una soluzione influenza la temperatura di ebollizione della stessa? E in che modo?

 

 

 

Bibliografia

da cui sono stati tratti alcuni degli esperimenti:

 

·        M.Palladino Bosia - "FISICA In laboratorio" - Petrini editore

·        Il piccolo Leonardo - manuale di laboratorio

·        Manuale di laboratorio -Tecnolab, Roma

·        S.Ciajolo, A.Girardi, L.Marella - "Scienza della materia LABORATORIO DI FISICA E DI CHIMICA "- Muzzio scuola

·        Ministero della pubblica istruzione - "Appunti per le esercitazioni di Fisica" - Progetto 92

·        V.Erbetta - "Laboratorio di fisica a temi" - Atalas editore

·        M:Colombo, m.Pasquali - "Fisica quaderno di laboratorio" - Il sestante editore

Top twentytwo collaboratori attivi

1-Paola Viale (1045 file)

2-Miriam Gaudio (676 file)

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