Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Temperatura ed energia
Attività
1) L’acqua calda
2) La fiamma
1) Misurare la temperatura,
calcolare la variazione di
energia
3) Barattoli che si scaldano
al Sole
2) Misurare la massa e la
temperatura, calcolare la
variazione di energia
4) Ditale, sabbia, cordino
e...
3) Misurare la temperatura,
calcolare la variazione di
energia
5) Le bollette dell’energia
4) Sfregare per riscaldare
6) Il serpentone dell’energia
5) Calcolare per capire
6) Associare energie diverse
V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007”
Concetti
1) separazione dei concetti di
temperatura, energia, quantità
di calore
2) trasformazioni di energia,
energia trasferita, energia
chimica, potenza
3) trasformazioni di energia,
energia trasferita, energia
radiante
4) trasformazioni di energia,
energia trasferita,
degradazione dell’energia
5) consumi energetici, costi
energetici
6) trasformazioni di energia
temperatura-1
PED Fisica
classe A059
Temperatura ed energia
Variazione di energia termica = calore
specifico · massa · differenza di temperatura
E = c · m ·  T
Consegna:
tutto quello che si può fare con barattoli, sabbia, candele e termometri
Occhiello energia termica
• un oggetto caldo, messo a contatto con oggetti meno caldi, gradualmente diminuisce la sua temperatura,
mentre gli oggetti con cui viene a contatto la aumentano,
• gli oggetti, per il fatto di essere più o meno caldi, possiedono una energia interna, detta energia termica, e
la variazione di temperatura è la spia che indica che dell’energia sta passando da un oggetto all’altro.
• l’oggetto caldo trasferisce energia agli oggetti più freddi con cui viene a contatto,
• l’energia termica è sempre trasferita dagli oggetti a temperatura più alta agli oggetti a temperatura più
bassa
1 caloria è la quantità di energia
necessaria per far salire di 1
grado centigrado la temperatura
di 1 g di acqua
1 caloria è equivalente a
4,18 joule
Occhiello temperatura
• la temperatura di un oggetto o di un ambiente si misura con il termometro,
• il termometro è uno strumento tarato (dotato di una scala graduata in una unità di misura opportunamente scelta),
• l’unità di misura della temperatura è il grado centigrado, indicato con il simbolo ° C,
• il termometro basa il suo funzionamento sulla presenza di una sostanza termometrica (gassosa, liquida, solida) dotata di una
proprietà fisica (volume, pressione, lunghezza, colore …) sensibile alle variazioni di temperatura,
• quando il termometro è posto a contatto con un oggetto o ambiente di temperatura diversa dalla sua, assorbe calore o cede calore
fino a portarsi alla stessa temperatura dell’oggetto o dell’ambiente,
• il calore assorbito o ceduto provoca la variazione della proprietà fisica della sostanza termometrica contenuta nel termometro e,
di conseguenza, l’indice sulla scala o il display indicano il valore della temperatura raggiunta.
L’energia che viene dal Sole
• l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura,
• questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi,
viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe,
• anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia
radiante,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla
massa dell’oggetto, dalla superficie esposta e dalla sostanza di cui è fatto.
Le forme dell’energia interna
• termica, associata alla temperatura del corpo;
• chimica: si trasforma con una reazione chimica
• dello stato fisico della materia: si trasforma nei passaggi
di stato
• nucleare: si trasforma in una reazione nucleare
temperatura -2
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
L’acqua calda
Oggetti: riscaldatore elettrico, bicchieri e contenitori, termometri, bilancia, acqua, dado di bullone
Attività:
• pesare 100 cc di acqua nel contenitore, misurarne la temperatura,
• versare 100 cc di acqua nel bicchiere del riscaldatore elettrico, riscaldare e misurare la
temperatura;
• versare rapidamente nel contenitore contenente acqua a temperatura ambiente, mescolare e
misurare la temperatura finale;
• calcolare la la variazione di energia termica dell’acqua calda e dell’acqua a temperatura ambiente.
• Ripetere misure e calcoli riscaldando una quantità minore di acqua
• Pesare il dado di bullone, misurarne la temperatura (temperatura ambiente)
Interdisciplinarietà:
- scienza in cucina: cuocere i cibi
Concetti:
• L’acqua calda ha temperatura più alta dell’acqua a temperatura ambiente, quindi una
certa quantità di energia passa dall’acqua calda a quella più fredda finché si raggiunge
l’equilibrio termico.
• L’energia si conserva: la quantità di energia persa dall’acqua calda viene acquistata
dall’acqua fredda.
• È la differenza di temperatura che conta, non la differenza di energia; infatti anche se
c’è poca acqua calda, l’energia passa egualmente
Aspetti didattici:
- temperatura, energia termica e calore sono grandezze fisiche diverse
Sicurezza
Riscaldando oggetti, anche se a
temperature modeste, si presti
particolare attenzione alla eventuale
presenza di ragazzi non ancora
rispettosi delle regole e/o portatori di
certi tipi di handicap
Riferimenti:
- www.iapht.unito.it
temperatura -3a
L’acqua calda
La fisica:
•Ciò che passa dall’acqua calda all’acqua fredda è energia termica : l’acqua calda perde energia,
l’acqua fredda ne acquista, E = csp m  T
• la variazione di temperatura di un oggetto per effetto del trasferimento di energia termica dipende
dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto (calore specifico)
•Chiamiamo “calore” l’energia termica che viene trasferita dal corpo caldo a quello più freddo
Contesto:
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di
metrologia
- il calcolo della variazione di energia va adattato alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la
scuola secondaria superiore
temperatura -3b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
La fiamma
Oggetti: fornelli ad alcool, candele, pentolini, termometri, bilancia, cronometro
Attività:
• pesare il pentolino, versare una certa quantità di acqua e ripesare in modo da avere il
peso netto dell’acqua,
• pesare la candela (o il fornello riempito di alcool) e accenderla sotto il pentolino,
facendo partire il cronometro,
• misurare la temperatura dell’acqua a intervalli regolari di tempo,
• raccogliere in modo ordinato sulla lavagna i valori di tempo e temperatura
• calcolare la quantità di calore che è stata necessaria per raggiungere la temperatura
finale
Concetti:
• l’energia chimica della candela (o dell’alcool) produce, mediante una reazione chimica,
una fiamma calda che riscalda gli oggetti e fa aumentare la loro temperatura,
• più passa il tempo, più energia chimica si trasforma in energia termica della fiamma, che
passa negli oggetti (pentolino, acqua), più cresce la loro temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto dipende dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza
di cui è fatto,
• a parità di energia trasferita, si impiega un tempo minore se la potenza della fiamma è
maggiore
Aspetti didattici:
- è possibile utilizzare l’energia chimica immagazzinata nei combustibili per trasformarla
in energia termica e riscaldare altri oggetti
Interdisciplinarietà:
- scienza in cucina: cuocere i cibi,
- passaggi di stato
Sicurezza
Utilizzando fiamme, anche se
modeste, si presti particolare
attenzione alla eventuale presenza di
ragazzi non ancora rispettosi delle
regole e/o portatori di certi tipi di
handicap
Riferimenti:
- www.iapht.unito.it
temperatura -4a
La fiamma
La fisica:
•l’energia chimica della candela (o dell’alcool) produce, mediante una reazione chimica, una
fiamma calda che riscalda gli oggetti e fa aumentare la loro temperatura,
• più passa il tempo, più energia chimica si trasforma in energia termica della fiamma e in calore che
passa negli oggetti (pentolino, acqua), più cresce la loro temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto del calore, dipende dalla massa dell’oggetto e
dalla sostanza di cui è fatto,
• a parità di energia trasferita, si impiega un tempo minore se la potenza della fiamma è maggiore
nota bene
- si può calcolare l’energia chimica che si è trasformata in energia termica dell’acqua dalla relazione
E = csp m  T, usando per il calore specifico dell’acqua csp = 1 cal/g°C  4 J/g°C
- dividendo la quantità di calore assorbito per il tempo impiegato si ottiene un limite inferiore per la potenza della
fiamma (che conviene esprimere in watt)
- dividendo l’energia scambiata per la massa di candela o di alcool consumati, si ha un’idea del potere calorifico
del combustibile usato
Contesto:
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media
- il calcolo dell’energia scambiata, della potenza e del potere calorifico dei combustibili va adattato alla classe e al momento,
anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
temperatura -4b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Barattoli che si scaldano al Sole
Oggetti: due barattoli di latta identici, tipo quelli in cui si vende il
caffè, vernice opaca bianca e nera, due termometri
Attività:
•dipingere uno dei barattoli con la vernice opaca bianca e l’altro con vernice opaca nera
•infilare in ciascuno un termometro in modo che stia ben a contatto con la parete interna
•esporli poi al Sole, avendo cura che i raggi li colpiscano almeno in parte sulla superficie
laterale dipinta e misurare le temperature a intervalli regolari di tempo (in mancanza di
sole, si può usare una lampada a incandescenza di almeno 60 W)
•portarli all’ombra e misurare come si raffreddano a intervalli regolari di tempo
Concetti:
• l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura,
• questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi,
viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe,
• anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia
radiante,
• più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa
dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto
• il barattolo scuro si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia solare,
•quando il barattolo viene allontanato dalla sorgente di energia, si raffredda perdendo energia
fino a raggiungere l’equilibrio termico con l’ambiente
Aspetti didattici: - è possibile utilizzare l’energia radiante emessa da una sorgente per
riscaldare altri oggetti
Attacco:
- vacanze al mare (camminare
sulla spiaggia a mezzogiorno)
- estate in città (abiti chiari e
abiti scuri)
Dove e quando:
- preferibilmente l’esperimento
si dovrebbe svolgere nel cortile
o nel giardino della scuola, in un
punto ben illuminato dal sole e
possibilmente in una calda
giornata di primavera o estate.
Riferimenti:
- www.iapht.unito.it temperatura -5a
Barattoli che si scaldano al Sole
La fisica:
•l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura,
• questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi, viaggia
nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe,
• anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia radiante,
• più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa
dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto,
• il barattolo scuro si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia solare,
• l’aumento di temperatura non continua all’infinito, perché più cresce la temperatura e più energia
viene persa dal barattolo per conduzione e per irraggiamento, per cui si raggiunge una temperatura
di “equilibrio dinamico”,
• quando il barattolo viene allontanato dalla sorgente di energia, si raffredda perdendo energia fino a
raggiungere l’equilibrio termico con l’ambiente
Contesto:
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di
metrologia
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media
temperatura -5b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Sfregare per riscaldare
Oggetti:
una tavoletta di legno quadrata di circa 15 cm di lato, un ditale, un pezzo di
spago di circa 50 cm, un po’ di sabbia e un termometro digitale per
ambienti, del tipo “interno-esterno”, corredato di puntale sensibile
Attività:
•fare nella tavoletta un foro nel quale possa essere infilata la parte inferiore
(chiusa) del ditale (il ditale deve rimanere ben fissato nella tavoletta ma emergere
dalla tavoletta stessa per metà circa della sua altezza)
•riempire il ditale di sabbia fin quasi al bordo e inserite il puntale del termometro
nella sabbia
•rilevare la temperatura iniziale (che si legge sul display corrispondente alla
temperatura “esterna”)
•prendere poi le due estremità dello spago, passare lo spago intorno al ditale e
tirarlo alternativamente in un senso e nel senso opposto, facendo in modo che
esso sfreghi contro la superficie esterna del ditale
•agire con una certa forza tenendo il cordino ben teso in modo che ci sia un buon
attrito contro il ditale
•rilevare la temperatura segnata dal termometro nella sabbia, a intervalli regolari
di tempo
Aspetti didattici:
- è possibile utilizzare il moto di un
oggetto per riscaldare altri oggetti
attraverso l’attrito
Attacco:
- vita “primitiva” (Robinson Crusoe)
- esperienze di “sopravvivenza”
(trasmissione televisiva “L’isola dei
famosi”)
Riferimenti:
- www.iapht.unito.it
Concetti:
• è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso l’attrito,
• l’ energia di movimento può essere trasformata in energia termica,
• Aspetti
in tutti ididattici:
passaggi e le trasformazioni di energia, l’energia non si distrugge mai, anche se può essere difficile scoprire sotto
che forma o in quale oggetto è finita.
temperatura -6a
Sfregare per riscaldare
La fisica:
•è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso
l’attrito,
•l’energia di movimento può essere trasformata in energia termica,
•in tutti i passaggi e le trasformazioni di energia, l’energia non si distrugge mai, anche se può essere
difficile scoprire sotto che forma o in quale oggetto è finita,
•tuttavia l’energia si degrada, perché rimane in una forma meno utile
nota bene
- l’energia che si è trasformata in energia termica della sabbia e del ditale è data dalla quantità di calore E = csp m
 T (per il calore specifico della sabbia usare csp  0,2 cal/g°C  0,8 J/g°C)
- si può valutare quanto lavoro è stato fatto stimando (o misurando con un dinamometro) la forza F necessaria per
sfregare con il cordino contro il ditale e moltiplicandola per lo “spostamento” s fatto fare al cordino e per il
numero di volte che l’operazione si è ripetuta per ottenere l’aumento di temperatura  T
- il confronto fra le due energie permette di valutare quanta energia è andata “dispersa”
Contesto:
- la conduzione delle prove di sfregamento è fattibile a tutti i livelli
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di
metrologia
- il calcolo dell’energia trasformata e la discussione relativa alle trasformazioni dell’energia vanno adattati alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
temperatura -6b
Le bollette dell’energia
Attività (da fare a casa)
La "bolletta" dell'energia elettrica
Procuratevi una "bolletta" dell'energia elettrica.
- Leggete la potenza massima prevista dal contratto
- Controllate in quali unità di misura è espressa la quantità di energia usata nel periodo relativo alla bolletta. Se è espresso in kWh,
trasformatela in MJ (1 megajoule= 1 milione di joule).
- Esaminate il costo per kWh; di solito è dato un costo "scalare": il costo è più basso per la prima fascia di consumo, poi sale per
consumi crescenti. Calcolate il costo medio per kWh e per MJ.
- Esaminate se sulla bolletta compaiono altri costi (es. tasse, spese fisse, ecc.) e cercate di stimare quanto gravano sul totale rispetto
a quanto pagato per il vero consumo.
La "bolletta" del gas
Procuratevi una "bolletta" dei consumi del gas metano.
- Controllate in quali unità di misura è espresso il consumo nel periodo relativo alla bolletta. Probabilmente sarà espresso in m3,
viene cioè misurato il volume di gas consumato. Sulla bolletta dovrebbe essere indicata anche quanta energia corrisponde a 1 m3 (se
non lo è, usate il valore approssimato di 40 MJ per m3): calcolate quindi quanto è stato il consumo in MJ.
- Esaminate il costo per m3 dato sulla bolletta: probabilmente è dato un costo "scalare", il costo è cioè più basso per la prima fascia
di consumo, poi sale per le fasce crescenti. Calcolate il costo medio per m3. Sapendo che 1 m3 equivale a circa 40 MJ, calcolate il
costo medio per MJ.
- Confrontate questo costo medio per MJ con il costo medio per MJ dell'energia elettrica e discutete quale delle due forme di
energia è più conveniente.
- Esaminate se sulla bolletta compaiono altri costi (es. tasse, spese fisse, ecc.) e cercate di stimare quanto gravano sul totale rispetto
a quanto pagato per il vero consumo.
temperatura -7
Preparazione di
Esperienze
Didattiche di
Fisica - classe
A059
Energia:
il serpentone
dell’energia
Oggetti: cartoncini di uguali dimensioni, matite colorate, forbici …..
Attività:
• preparare due tipi di cartoncini, sui quali siano stati:
- scritti i “descrittori” (o “parole chiave”) relativi ai diversi tipi di energia di cui si è parlato (semplificando al massimo la
nomenclatura … energia di movimento invece di energia cinetica, energia dei cibi invece di energia chimica, ….);
- disegnati alcuni dispositivi o situazioni ambientali in cui entrano in gioco certi tipi di energia per trasformarla, oppure
immagazzinarla.
Come giocare
• dividere i giocatori in gruppi, in seno ai quali sarà nominato un capogruppo che avrà il compito di agire in qualità di
portavoce
• distribuire un uguale numero di “carte-scritte” e di “carte-disegnate” a tutti i capogruppo, i quali a loro volta le affideranno
ai propri compagni che le disporranno bene in vista davanti a sé, in attesa di utilizzarle
• posta sul tavolo la prima “carta–scritta”, calare a turno una “carta-disegnata” abbinandola al tipo di energia indicata dalla
“carta-scritta” che si trova già sul tavolo, altrimenti “passare” il gioco al gruppo successivo, il quale calerà la “carta-scritta”
che esprime il tipo di energia che il dispositivo, rappresentato dalla carta in tavola, è in grado di fornire oppure utilizzare o
trasformare o immagazzinare (altrimenti “passare” il gioco o “attaccarsi” in modo analogo all’altro lato del “serpentone”)
• successivamente calare sul tavolo una carta (alternando scritti e disegni) con le modalità di collegamento di cui sopra
Concetti:
- l'energia può assumere forme diverse, passare da un corpo
all’altro,
- trasformarsi da una forma all’altra, essere immagazzinata;
- passando o trasformandosi fa “cose utili”, si conserva;
- di conseguenza non si può creare né distruggere,
- ci sono forme di energia “più utili” di altre
Energia-9a
Aspetti didattici:
- le proprietà dell’energia
- il percorso creatosi con il “gioco del domino” aiuta a
visualizzare che alcuni oggetti o situazioni sono dei
veicoli per trasferire o per trasformare l’energia
Riferimenti (dove, come e per chi):
. S.M.S Fermi di Burolo - Attività di Lab. Scientifico (A)
- www.iapht.unito.it (L)
Attacco:
gioco del domino
temperatura –8a
Energia:
il serpentone dell’energia
La fisica:
• l’energia può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi
da una forma all’altra, essere immagazzinata; passando o trasformandosi, fa “cose
utili
nota bene
- si possono costruire delle “catene energetiche” collegando fra di loro diverse azioni
oppure oggetti che “operano” la trasformazione o il trasferimento di energia
Contesto:
- la conduzione dell’ attività ludica è fattibile a tutti i livelli, anche in previsione di un
raccordo con la scuola elementare e dell’infanzia
- le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni
possono essere condotte a partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo
della scuola elementare)
temperatura –8b