(and coming soon... the english version of this post: Physics and Chemistry experiments for primary and high school students.)
NOTTE DEI RICERCATORI
25 Settembre 2009
25 Settembre 2009
Reazioni chimiche: exp 1-4
1) Il palloncino che si gonfia con CO2
Materiali: Un matraccio, un palloncino gonfiabile, spatolina, bicarbonato di sodio, aceto, un imbuto. 
Cosa fare: Inserisci 1 cucchiaino di bicarbonato di sodio nel palloncino e versa nel matraccio 25 ml di aceto. Infila il palloncino sul collo del matraccio, avendo cura di non far uscire il bicarbonato dal palloncino. Metti il palloncino in posizione verticale e fa cadere il bicarbonato nell'aceto. Appena il bicarbonato entra in contatto con l'aceto, si sviluppa una forte effervescenza e, a poco a poco, il palloncino si gonfia Cosa accade: L'aceto (acido) reagisce con il bicarbonato di sodio (basico) generando anidride carbonica. Questa, raccogliendosi nell'aceto causa l'effervescenza. Man mano che si forma, l'anidride carbonica sale nel matraccio e si raccoglie nel palloncino, gonfiandolo.
Cosa fare: Inserisci 1 cucchiaino di bicarbonato di sodio nel palloncino e versa nel matraccio 25 ml di aceto. Infila il palloncino sul collo del matraccio, avendo cura di non far uscire il bicarbonato dal palloncino. Metti il palloncino in posizione verticale e fa cadere il bicarbonato nell'aceto. Appena il bicarbonato entra in contatto con l'aceto, si sviluppa una forte effervescenza e, a poco a poco, il palloncino si gonfia Cosa accade: L'aceto (acido) reagisce con il bicarbonato di sodio (basico) generando anidride carbonica. Questa, raccogliendosi nell'aceto causa l'effervescenza. Man mano che si forma, l'anidride carbonica sale nel matraccio e si raccoglie nel palloncino, gonfiandolo. 2) La naftalina che balla
Cosa fare: Porre in un becker da 600 ml, 2 cucchiaini pieni di bicarbonato di sodio, aggiungere 250 ml diacqua, colorante e le palline di naftalina. Prima di aggiungere l’aceto, le palline rimangono sul fondo del contenitore, dopo l’aggiunta di 40 ml di aceto salgono in superficie, ridiscendono, risalgono e così via. La naftalina (C10H8) ha una densità leggermente superiore a quella dell’acqua e pertanto va a fondo. L’aceto, contenendo acido acetico, ha reazione acida; il bicarbonato di sodio dà reazione basica. Nella reazione che avviene tra acido acetico e bicarbonato di sodio, si forma anidride carbonica, le cui bollicine tendono a disporsi in gran numero sulla superficie delle palline di naftalina e le trascinano come salvagenti. Una volta che le palline hanno raggiunto la superficie, le bollicine di anidride carbonica, a contatto con l’aria si rompono e rapidamente le palline ridiscendono. Incontrando altre bolle di anidride carbonica risalgono e il saliscendi si ripete fino a quando lo sviluppo di anidride carbonica è sufficiente a farle salire. CURIOSITA’: la naftalina è una sostanza cristallina, volatile, di odore pungente, insolubile in acqua. E’ usata come antitarme, nei lubrificanti, nelle resine e come solvente. E’ chiamata anche "catrame canforato”.
3) Il palloncino che si gonfia con l’idrogeno
Cosa accade: L'alluminato di sodio è formato immergendo alluminio (se polverizzato la reazione è molto più veloce) in una soluzione di soda caustica ad una temperatura vicina al punto di ebollizione. La reazione che si viene a creare è la seguente: 2 NaOH + 2 Al + 2H2O + 2 NaAlO2 + 3 H2 quindi il processo è accompagnato da un'ingente produzione di idrogeno. Alla fine della dissoluzione dell'alluminio, la soluzione viene fatta raffreddare, quindi si viene a creare una ingente massa solida di alluminato contenente circa 70% dei prodotti utilizzati. Il resto, nel migliore dei casi, è composto dall'acqua e dell'idrogeno liberato. Cosa fare: In una beuta si introducono 100 cc di una soluzione al 20% di NaOH (l’idrossido di sodio lo trovi nei supermercati sotto il nome di “Mr Muscolo” in granuli, il famoso disgorgante concentrato) e dell’alluminio (va benissimo la comune carta alluminio usata in cucina). Bisogna porre attenzione a non toccare con le mani l’idrossido di sodio perché è una base fortemente caustica! Tanto più bisogna evitare di far cadere la soluzione su scarpe e su vestiti (rimarranno macchiati!). Se si utilizza il famoso disgorgante, si abbia cura di far sciogliere bene i granuli: solo dopo di ciò si possono introdurre i pezzetti di carta alluminio. L’alluminio reagirà immediatamente e violentemente con la soluzione di idrossido di sodio tanto da sviluppare una notevole quantità di calore (reazione esotermica: non tenere la beuta in mano!). A questo punto la reazione libera un copioso volume di idrogeno e di vapor acqueo: ponendo una campana di vetro capovolta sull’imbocco della beuta, si imprigionerà buona parte del gas volatile. Basta distanziare la campana dalla beuta (avendo cura di tenerla sempre capovolta) ed accostarvi sotto un fiammifero acceso per poter ammirare la grande fiammata che avverrà al suo interno (combustione dell’idrogeno). Attenzione: non bisogna eccedere nella quantità di idrogeno che si intende imprigionare all’interno della campana di vetro (proporzionale al tempo di sovrapposizione della campana sulla beuta), poiché c’è il rischio di deflagrazione del volume di idrogeno innescato dalla fiamma che manderà in pezzi la campana di vetro! Cosa fare 2: Avendo a disposizione una provetta ed un palloncino, è possibile gonfiare di idrogeno quest’ultimo. Basta applicare il palloncino all’imbocco della provetta soltanto dopo aver riempito la provetta, con la soluzione di NaOH, il palloncino, con palline di alluminio: in tal modo le palline di alluminio cadranno nella soluzione di idrossido di sodio sviluppando immediatamente il gas. Se si introducesse l’alluminio nella provetta prima ancora di applicarvi il palloncino, non si farebbe in tempo ad effettuare quest’ultima operazione poiché la reazione si innescherebbe con un impeto pericoloso per le mani (fuoriuscita abbondante di sostanza caustica).
4) Inchiostro simpatico
Materiali: un limone, un foglio di carta bianca, un pennellino Cosa fare: spremere il limone in una ciotolina, intingere il pennello e scrivere sul foglio un messaggio segreto. Lasciar asciugare l" inchiostro e aspettare che lo scritto scompaia. Far passare il foglio sulla fiamma di una candela senza farlo bruciare. Lo scritto ricompare ed è perfettamente leggibile Cosa accade: l’acido citrico, generalmente incolore in soluzione acquosa, si ossida scaldandolo e assume quindi una colorazione bruna.
Pressione atmosferica e vuoto: exp 5-7
5) Legge di Stevino
Cosa accade: l'acqua zampilla dai fori con una curva differente secondo l’altezza a cui essi sono posizionati il che indica che la pressione interna a livello del foro è maggiore di quella esterna. Infatti, all'esterno c'è solo la pressione atmosferica, mentre all'interno della bottiglietta l'acqua che sta a una certa profondità h risente, per ogni immaginaria unità di superficie S, della forza-peso della colonna di acqua che le sta sopra, più la forza dovuta alla pressione dell'aria che agisce al livello superiore dell'acqua. Legge di Stevino: la pressione in un fluido cresce con la profondità e quindi tutti i punti del fluido che stanno allo stesso livello hanno la stessa pressione, mentre, abbassandosi di un certo livello h, la pressione aumenta come la forza-peso della colonna di fluido sovrastante. L'aumento di pressione con la profondità è molto importante per attività come l'immersione subacquea: infatti, a circa 10 m di profondità, la pressione è già il doppio della pressione atmosferica, perché la forza-peso di una colonna d’acqua alta 10 m esercita una pressione pari circa alla pressione atmosferica, a 20 m di profondità la pressione è pari a 3 "atmosfere", ecc.
6) Pompa da vuoto
Un palloncino si gonfia da solo e le bottigliette si stappano da sole Cosa fare: Inserite in una campana di vetro un palloncino leggermente gonfiato. Si aspiri l'aria dalla campana per mezzo di una pompa da vuoto e…il palloncino si gonfia. Cosa accade: Appena la pressione esterna al palloncino cala a causa dll’aria aspirata mediante la pompa, il volume di gas interno al palloncino (appena gonfio) aumenta. E’ una dimostrazione della legge di Boyle (1662): per una data quantità di gas, mantenendo costante la temperatura, il volume cambia in modo inversamente proporzionale alla pressione. La legge può dunque essere espressa con la seguente equazione: p·V = costante. La stessa cosa vale per le bottigliette tappate all’interno della campana che si stappano nel momento in cui viene fatto il vuoto all’interno.
7) Candela che si spegne
Cosa fare: Versare nella vaschetta dell’acqua fino ad un’altezza di 2-3 cm dal fondo (circa 250 cc). Appoggiare sulla superficie dell’acqua la candelina ed accenderla. Capovolgervi sopra il bicchiere (prima aspettare un po’ col bicchiere capovolto per fare in modo che tutta l’aria si scaldi) e osservare il fenomeno: la fiamma si riduce a poco a poco fino a spegnersi mentre sale il livello dell’acqua nella bottiglia. Cosa accade: Questo esperimento consente di verificare due importanti aspetti della combustione, ovvero della reazione chimica in cui un “combustibile” ha una reazione chimica con un “comburente” e come risultato si ha produzione di calore, oltre ai prodotti della combustione. In genere, il comburente è l’ossigeno che sta nell’aria. Il fuoco non è altro che una delle manifestazioni della combustione che in questo esperimento avviene tra il materiale di cui è fatto la candela (una sostanza detta paraffina, la cui formula è C25H52) e l’ossigeno dell’aria: C25H52 + 38O2 ---> 25CO2 + 26H2O + 16800 kJ/mol La reazione quindi consuma l’ossigeno dell’aria per produrre anidride carbonica e acqua che vengono rilasciati sotto forma di gas ed una gran quantità di energia che viene rilasciata sotto forma di luce e di calore. In questa esperienza, la salita dell’acqua all’interno della bottiglia è dovuta alla diminuzione della pressione che si crea nella bottiglia rispetto a quelle esterna. Infatti, mentre prima il gas all’interno si dilata a causa dell’aumento della temperatura (fiamma accesa), quando la fiamma si spegne interviene il raffreddamento del gas interno che ne causa una contrazione e quindi una diminuzione della pressione. Così l’acqua viene spinta all’interno del bicchiere per compensare il calo di pressione che si verifica all’interno del recipiente. Inoltre: rifare l’esperimento con il becker riscaldato, ma senza la candela all’interno. L’effetto è lo stesso e si conferma che è la variazione di temperature (e quindi l’espansione e/o la contrazione del gas) a giocare il ruolo fondamentale e non il consumo d’ossigeno.
Tensioattivi,tensione superficiale e capillarità: exp 8-10
8) Tensioattivi: pepe
Materiali: bacinella – detersivo per piatti –pepe. Cosa fare: Versare del pepe in una bacinella con dell’acqua. Versare poi qualche goccia di sapone nella bacinella. Osservazioni: Il pepe galleggia sulla superficie dell’acqua con una distribuzione omogenea. 
Quando introduciamo uno stecchino con sulla punta una goccia di sapone, la presenza del tensioattivo abbassa la tensione superficiale rendendo la "pelle" dell’acqua, in un certo senso, più "elastica" e il pepe si allontana. Cosa accade: le molecole di sapone sulla superficie dell’acqua spingono le loro code idrofobe fuori dall’acqua (perchè a loro non piace stare nell’acqua). Al contrario, le teste idrofile rimangono nell’acqua e separano le molecole d’acqua le une dalle altre. Questo fa diminuire la tensione superficiale perchè la distanza fra le molecole d’acqua aumenta.
Quando introduciamo uno stecchino con sulla punta una goccia di sapone, la presenza del tensioattivo abbassa la tensione superficiale rendendo la "pelle" dell’acqua, in un certo senso, più "elastica" e il pepe si allontana. Cosa accade: le molecole di sapone sulla superficie dell’acqua spingono le loro code idrofobe fuori dall’acqua (perchè a loro non piace stare nell’acqua). Al contrario, le teste idrofile rimangono nell’acqua e separano le molecole d’acqua le une dalle altre. Questo fa diminuire la tensione superficiale perchè la distanza fra le molecole d’acqua aumenta. 9) Il fiore che sboccia
Cosa fare: si ritaglia il foglio di carta a forma di fiore; poi, dopo aver piegato verso l'interno i "petali", si appoggia il fiore di carta sull'acqua. Dopo un po’ di tempo si osserva che piano piano il fiore si apre, proprio come se sbocciasse!
Cosa accade: l'acqua penetra per capillarità nei piccoli spazi che ci sono tra le fibre della carta e la gonfia, di conseguenza le piegature si distendono facendo sbocciare il fiore. La capillarità è un fenomeno che permette all'acqua di salire in tubicini molto sottili.
Questo fenomeno è spiegato dall'esistenza di forze di attrazione tra le molecole dell'acqua e le pareti del tubicino: tali forze sono dette forze di adesione.Anche tra una molecola d'acqua e l'altra esistono forze di attrazione dette forze di coesione. Quando l'acqua è contenuta in un tubo dal diametro grande, il numero delle molecole d'acqua a contatto con il vetro è relativamente piccolo. Quando invece si tratta di un tubo capillare, il numero di molecole dell'acqua a contatto con il vetro è molto piu' grande, quindi prevalgono le forze di adesione sulle forze di coesione. L'acqua sale per un certo tratto lungo il tubo di vetro, mentre la superficie del liquido non si presenta piana ma curva, con la concavita' verso l'alto. Infatti, la tensione superficiale, che tende a mantenere unita la superficie, fa sì che tutto il liquido sia di conseguenza tirato leggermente verso l’alto. Il contrario accade per quei liquidi, come il mercurio, nei quali le forze di coesione prevalgono su quelle di adesione.
Effetto dei tensioattivi: aggiungete una piccola quantità di detersivo all'acqua e rifate la misura. Confrontate la variazione di altezza della colonna d'acqua. Potrete notare che anche piccole quantità di detersivo producono effetti elevati sul livello raggiunto dall'acqua nel capillare. In presenza dei tensioattivi, la tensione superficiale è praticamente diminuita per cui le forze di coesione sono ancora minori rispetto al caso di assenza sapone. Prevalgono quindi quelle di adesione che rendono “più rapida” la risalita.
Cosa fare: si ritaglia il foglio di carta a forma di fiore; poi, dopo aver piegato verso l'interno i "petali", si appoggia il fiore di carta sull'acqua. Dopo un po’ di tempo si osserva che piano piano il fiore si apre, proprio come se sbocciasse!
Cosa accade: l'acqua penetra per capillarità nei piccoli spazi che ci sono tra le fibre della carta e la gonfia, di conseguenza le piegature si distendono facendo sbocciare il fiore. La capillarità è un fenomeno che permette all'acqua di salire in tubicini molto sottili.
Questo fenomeno è spiegato dall'esistenza di forze di attrazione tra le molecole dell'acqua e le pareti del tubicino: tali forze sono dette forze di adesione.Anche tra una molecola d'acqua e l'altra esistono forze di attrazione dette forze di coesione. Quando l'acqua è contenuta in un tubo dal diametro grande, il numero delle molecole d'acqua a contatto con il vetro è relativamente piccolo. Quando invece si tratta di un tubo capillare, il numero di molecole dell'acqua a contatto con il vetro è molto piu' grande, quindi prevalgono le forze di adesione sulle forze di coesione. L'acqua sale per un certo tratto lungo il tubo di vetro, mentre la superficie del liquido non si presenta piana ma curva, con la concavita' verso l'alto. Infatti, la tensione superficiale, che tende a mantenere unita la superficie, fa sì che tutto il liquido sia di conseguenza tirato leggermente verso l’alto. Il contrario accade per quei liquidi, come il mercurio, nei quali le forze di coesione prevalgono su quelle di adesione.Effetto dei tensioattivi: aggiungete una piccola quantità di detersivo all'acqua e rifate la misura. Confrontate la variazione di altezza della colonna d'acqua. Potrete notare che anche piccole quantità di detersivo producono effetti elevati sul livello raggiunto dall'acqua nel capillare. In presenza dei tensioattivi, la tensione superficiale è praticamente diminuita per cui le forze di coesione sono ancora minori rispetto al caso di assenza sapone. Prevalgono quindi quelle di adesione che rendono “più rapida” la risalita.
Esperimento 2
Materiali: Un gambo di sedano con foglie (meglio se bianco), un becher da 250 ml, acqua, colorante per alimenti
Cosa fare: Preparare nel becker del liquido colorato sciogliendo in acqua un colorante per alimenti o inchiostro. Mettere il gambo di sedano e il fiore nell’acqua colorata e attendere 24 ore (lo prepariamo dalla mattina e proviamo. Poi lo lasciamo lì, sulla scrivania degli esperimenti, e lo spieghiamo).
Cosa osservare: Il fusto e le foglie del sedano si colorano.
Cosa accade: L’acqua è risalita per capillarità lungo i vasi legnosi, cioè lungo i canaletti attraverso cui in natura le sostanze nutritive assorbite dal terreno e disciolte nell’acqua si distribuiscono lungo tutta la pianta.
10) Le gocce infinite
Quand’è che un qualcosa di pieno si può dire veramente “pieno”? Con l’acqua, molto di più di quello che si pensi. Ad un bicchiere d’acqua colmo fino all’orlo è possible aggiungere tantissime altre gocce con una pipetta. Infatti, a causa della forte tensione superficiale, questo liquido può ammucchiarsi al di sopra del bordo di un bicchiere senza traboccare (menisco convesso). Se riempite un bicchiere a metà, l’acqua tende ad aderire strettamente ai lati e potete vedere un altro tipo di menisco sotto forma di superficie concava. Un bicchiere, dunque, non è veramente pieno fino a che la prima goccia non trabocca dal suo orlo. Ciò accade quando la forza di gravità riesce a vincere i legami fra le molecole d’acqua e… splash!
Densità: exp 11-13
11) L’uovo che galleggia
Materiale: Un uovo, due bicchieri e del sale
Cosa fare: Riempiamo due bicchieri di acqua e in uno di questi sciogliamoci almeno sette o più cucchiaini di sale. Se si immerge l’uovo nel bicchiere con acqua dolce, l’uovo affonda, mentre in quello con il sale l’uovo galleggia e sembra così più leggero. Densità: Avete notato che la mammina, quando vi fa la cioccolata, versa pian piano sempre più cioccolato nel latte. Il risultato che la mammina produce è, oltre ad una cioccolata più buona, anche una miscela più densa. Ma cosa significa aumentare la densità? Per renderla semplice, significa che se potessimo contare il numero di particelle di cacao contenute in un mm cubo di miscela (latte + cioccolato) ogni volta che la mammina ne aggiunge un po’ ci troveremmo un numero sempre maggiore di particelle cacao.
Cosa accade: Tutti i corpi immersi in un liquido (ma anche in un fluido) ricevono una spinta dal basso verso l’alto che dipende dalla densità del liquido. Tanto maggiore è la densità del liquido in cui è immerso il corpo tanto è maggiore è la spinta che il corpo stesso ne riceve. Tale spinta, o meglio forza, è detta “di Archimede” dal nome del suo scopritore. Ecco allora che l’uovo nell’acqua salata, riceve una spinta verso l’alto maggiore che nell’acqua dolce. Evviva ! Ora ho capito perché è più facile restare a galla quando sono al mare, piuttosto che in piscina.
12) Acqua e alcohol differente densità dei fluidi
Cosa fare: riempire sino al bordo un bicchiere con acqua ed uno con vino. Mettere un pezzo di vetro sul bicchiere di acqua e rovesciarlo (l’acqua non esce). Mettere il vetrino sulla bocca del bicchiere di vino. Scostare il vetrino in modo che i bicchieri siano in comunicazione.
Cosa accade: I due liquidi hanno densità leggermente differenti (acqua: 1Kg/cm3, alcohol: 0.8 Kg/cm3). A causa della tensione superficiale di ciascun liquido, pur scostando il vetro di separazione tra i due bicchieri, non si ha fuoriuscita di liquido. Per via della diversa densità, il liquido più “pesante” (l’acqua) tende ad andare verso il basso. Se il vetro viene scostato solo di poco, si ottiene un flusso laminare e non turbolento e si evita che i due liquidi si mischino.
Ottica: exp 13-16
13) Parole a galla
Cosa fare: Scrivere una parola sul fondo di un contenitore opaco. Allontanarsi sino a non poterla leggere perché coperta dal bordo del contenitore. Aggiungere dell’acqua. La parola apparirà sulla superficie dell’acqua.
Cosa accade: Aggiungendo acqua nel contenitore, i raggi luminosi che dal fondo arrivano all’occhio dell’osservatore vengono deviati a causa della differenza tra indice di rifrazione dell’aria (n1=1,00) e dell’acqua (n2=1,33). Passando da un mezzo con indice di rifrazione superiore ad uno con indice di rifrazione inferiore il raggio luminoso viene deviato come nel disegno e quindi è come se la parola venisse a galla (guardare il punto di partenza della raggio che proviene dalla superficie dell’acqua).
Materiali: Un gambo di sedano con foglie (meglio se bianco), un becher da 250 ml, acqua, colorante per alimenti
Cosa fare: Preparare nel becker del liquido colorato sciogliendo in acqua un colorante per alimenti o inchiostro. Mettere il gambo di sedano e il fiore nell’acqua colorata e attendere 24 ore (lo prepariamo dalla mattina e proviamo. Poi lo lasciamo lì, sulla scrivania degli esperimenti, e lo spieghiamo).
Cosa osservare: Il fusto e le foglie del sedano si colorano.
Cosa accade: L’acqua è risalita per capillarità lungo i vasi legnosi, cioè lungo i canaletti attraverso cui in natura le sostanze nutritive assorbite dal terreno e disciolte nell’acqua si distribuiscono lungo tutta la pianta.
10) Le gocce infinite
Quand’è che un qualcosa di pieno si può dire veramente “pieno”? Con l’acqua, molto di più di quello che si pensi. Ad un bicchiere d’acqua colmo fino all’orlo è possible aggiungere tantissime altre gocce con una pipetta. Infatti, a causa della forte tensione superficiale, questo liquido può ammucchiarsi al di sopra del bordo di un bicchiere senza traboccare (menisco convesso). Se riempite un bicchiere a metà, l’acqua tende ad aderire strettamente ai lati e potete vedere un altro tipo di menisco sotto forma di superficie concava. Un bicchiere, dunque, non è veramente pieno fino a che la prima goccia non trabocca dal suo orlo. Ciò accade quando la forza di gravità riesce a vincere i legami fra le molecole d’acqua e… splash!
Densità: exp 11-13
11) L’uovo che galleggia
Materiale: Un uovo, due bicchieri e del sale
Cosa fare: Riempiamo due bicchieri di acqua e in uno di questi sciogliamoci almeno sette o più cucchiaini di sale. Se si immerge l’uovo nel bicchiere con acqua dolce, l’uovo affonda, mentre in quello con il sale l’uovo galleggia e sembra così più leggero. Densità: Avete notato che la mammina, quando vi fa la cioccolata, versa pian piano sempre più cioccolato nel latte. Il risultato che la mammina produce è, oltre ad una cioccolata più buona, anche una miscela più densa. Ma cosa significa aumentare la densità? Per renderla semplice, significa che se potessimo contare il numero di particelle di cacao contenute in un mm cubo di miscela (latte + cioccolato) ogni volta che la mammina ne aggiunge un po’ ci troveremmo un numero sempre maggiore di particelle cacao.
Cosa accade: Tutti i corpi immersi in un liquido (ma anche in un fluido) ricevono una spinta dal basso verso l’alto che dipende dalla densità del liquido. Tanto maggiore è la densità del liquido in cui è immerso il corpo tanto è maggiore è la spinta che il corpo stesso ne riceve. Tale spinta, o meglio forza, è detta “di Archimede” dal nome del suo scopritore. Ecco allora che l’uovo nell’acqua salata, riceve una spinta verso l’alto maggiore che nell’acqua dolce. Evviva ! Ora ho capito perché è più facile restare a galla quando sono al mare, piuttosto che in piscina.
12) Acqua e alcohol differente densità dei fluidi
Cosa fare: riempire sino al bordo un bicchiere con acqua ed uno con vino. Mettere un pezzo di vetro sul bicchiere di acqua e rovesciarlo (l’acqua non esce). Mettere il vetrino sulla bocca del bicchiere di vino. Scostare il vetrino in modo che i bicchieri siano in comunicazione.
Cosa accade: I due liquidi hanno densità leggermente differenti (acqua: 1Kg/cm3, alcohol: 0.8 Kg/cm3). A causa della tensione superficiale di ciascun liquido, pur scostando il vetro di separazione tra i due bicchieri, non si ha fuoriuscita di liquido. Per via della diversa densità, il liquido più “pesante” (l’acqua) tende ad andare verso il basso. Se il vetro viene scostato solo di poco, si ottiene un flusso laminare e non turbolento e si evita che i due liquidi si mischino.
Ottica: exp 13-16
13) Parole a galla
Cosa fare: Scrivere una parola sul fondo di un contenitore opaco. Allontanarsi sino a non poterla leggere perché coperta dal bordo del contenitore. Aggiungere dell’acqua. La parola apparirà sulla superficie dell’acqua.
Cosa accade: Aggiungendo acqua nel contenitore, i raggi luminosi che dal fondo arrivano all’occhio dell’osservatore vengono deviati a causa della differenza tra indice di rifrazione dell’aria (n1=1,00) e dell’acqua (n2=1,33). Passando da un mezzo con indice di rifrazione superiore ad uno con indice di rifrazione inferiore il raggio luminoso viene deviato come nel disegno e quindi è come se la parola venisse a galla (guardare il punto di partenza della raggio che proviene dalla superficie dell’acqua).
14) Tramonto rosso – acqua & latte
Cosa fare: Aggiungete, goccia a goccia, il latte! Quando l'acqua è trasparente, il raggio luminoso è praticamente invisibile. A mano a mano che si aggiunge latte e l'acqua diventa più opaca, il raggio di luce diventa più chiaramente definito. Infatti, un oggetto risulta visibile solamente se riflette parte della luce che lo colpisce in direzione del nostro occhio. Con due o tre cucchiaini di latte per litro d'acqua, si nota che cambia colore lungo il percorso. Vicino alla sorgente luminosa appare bianco, tendente al blu, mentre il suo colore diventa progressivamente più giallo, poi arancione ed infine rossastro allontanandosene. Aumentando ancora la concentrazione di latte, si può notare che il colore cambia più rapidamente.
Cosa accade: La luce bianca emessa dal sole o dalle lampade di uso comune è la sovrapposizione di tutti i colori del visibile, dal rosso al violetto. Le onde elettromagnetiche corrispondenti ai diversi colori si differenziano soltanto per la diversa lunghezza d'onda, cioè la distanza fra due creste successive (minore nella luce blu di quasi il doppio rispetto a quella rossa). Le molecole di gas che compongono l'atmosfera assorbono e riemettono la luce solare diffondendola in tutte le direzioni. La luce blu viene diffusa molto più efficacemente della luce rossa. La luce bianca, attraversando la vaschetta, incontra le goccioline di grasso del latte che la diffondono, cioè la sparpagliano in tutte le direzioni. Il colore blu viene diffuso molto di più dei colori giallo, arancione e rosso e quindi, a differenza di questi, non riesce a raggiungere il fondo della vaschetta.
Cosa fare: Aggiungete, goccia a goccia, il latte! Quando l'acqua è trasparente, il raggio luminoso è praticamente invisibile. A mano a mano che si aggiunge latte e l'acqua diventa più opaca, il raggio di luce diventa più chiaramente definito. Infatti, un oggetto risulta visibile solamente se riflette parte della luce che lo colpisce in direzione del nostro occhio. Con due o tre cucchiaini di latte per litro d'acqua, si nota che cambia colore lungo il percorso. Vicino alla sorgente luminosa appare bianco, tendente al blu, mentre il suo colore diventa progressivamente più giallo, poi arancione ed infine rossastro allontanandosene. Aumentando ancora la concentrazione di latte, si può notare che il colore cambia più rapidamente.
Cosa accade: La luce bianca emessa dal sole o dalle lampade di uso comune è la sovrapposizione di tutti i colori del visibile, dal rosso al violetto. Le onde elettromagnetiche corrispondenti ai diversi colori si differenziano soltanto per la diversa lunghezza d'onda, cioè la distanza fra due creste successive (minore nella luce blu di quasi il doppio rispetto a quella rossa). Le molecole di gas che compongono l'atmosfera assorbono e riemettono la luce solare diffondendola in tutte le direzioni. La luce blu viene diffusa molto più efficacemente della luce rossa. La luce bianca, attraversando la vaschetta, incontra le goccioline di grasso del latte che la diffondono, cioè la sparpagliano in tutte le direzioni. Il colore blu viene diffuso molto di più dei colori giallo, arancione e rosso e quindi, a differenza di questi, non riesce a raggiungere il fondo della vaschetta.
15) Disco di Benham
Cosa fare: Variare la veloctià del disco e anche, se possibile, il verso di rotazione. A me funziona a 90-150-200-290 Hz.
Cosa accade: Nella retina sono presenti 3 tipi di coni (L per il rosso, M per il verde e S per il blu) con tempi di latenza e periodi di persistenza differenti (quelli per il blu hanno tempi di latenza maggiori e quindi sono più lenti nel rispondere ma la loro risposta è più duratura). Quando si guarda il disco con gli occhi stimolati alternativamente da bianco e nero, tutti i coni sono stimolati ma, dato i loro diversi tempi di risposta e persistenza, si origina la sensazione del colore. I colori variano lung oil disco perchè gli archi posti a differenti distanze hanno lunghezze differenti e quindi causano stimali differenti.
16) Misura di oggetti microscopici a partire dal diagramma di diffrazione
Il fenomeno della diffrazione consiste nell’interazione tra un’onda e una fenditura. Le conclusioni della teoria di Fraunhofer valgono anche nel caso di un oggetto (“negativo di una fenditura”) e non di una fenditura.
Come si vede dallo schema, quando un fascio incontra un corpo (grigio) si genera un’onda detta diffratta le cui caratteristiche dipendono dalla radiazione incidente e dall’oggetto. L’onda diffratta ha un massimo di intensità in corrispondenza del centro dell’oggetto o della fenditura (la curva in rosso rappresenta l’intensità dell’onda diffratta nei diversi punti dello spazio: allontanandosi dal centro diminuisce per poi riaumentare periodicamente come una sinusoide smorzata). Ciò vuol dire che se si interpone uno schermo lungo il cammino dell’onda diffratta, si osserverà la sua proiezione su di un piano (parte sinistra dello schema) e quindi si osserverà un serie di trattini (quello corrispondente al centro dell’oggetto è il più intenso) la cui dimensione e separazione reciproca dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente, dalle dimensioni dell’oggetto e dalla distanza oggetto-schermo. Un globulo rosso ha una dimensione media di ~ 7 μm, un capello di ~ 20 μm e un filo di rame (quello da me usato) ~ 800 μm.
Fenomeni Vari: exp 17-21
17) Palloncino che non scoppia – palloncino ignifugo.
Il palloncino riempito d’acqua non scoppia perché la gomma nel punto di contatto con la fiamma non raggiunge la temperatura necessaria alla combustione o alla fusione. Il calore della fiamma arriva facilmente all’interno del palloncino perché le sue pareti sono molto sottili. Con l’aria all’interno, il calore non viene dissipato lontano dal punto di contatto con la fiamma, mentre l’acqua, che ha una capacità termica elevata (Cp=4.1813 Jg-1K-1) rispetto all’aria (1.0035 Jg-1K-1) riesce ad assorbire il calore (viene dissipato lontano dal punto di contatto) e quindi il palloncino non si scalda.
18) Radiometro di Crookes
Cosa fare: Variare la veloctià del disco e anche, se possibile, il verso di rotazione. A me funziona a 90-150-200-290 Hz.
Cosa accade: Nella retina sono presenti 3 tipi di coni (L per il rosso, M per il verde e S per il blu) con tempi di latenza e periodi di persistenza differenti (quelli per il blu hanno tempi di latenza maggiori e quindi sono più lenti nel rispondere ma la loro risposta è più duratura). Quando si guarda il disco con gli occhi stimolati alternativamente da bianco e nero, tutti i coni sono stimolati ma, dato i loro diversi tempi di risposta e persistenza, si origina la sensazione del colore. I colori variano lung oil disco perchè gli archi posti a differenti distanze hanno lunghezze differenti e quindi causano stimali differenti.
16) Misura di oggetti microscopici a partire dal diagramma di diffrazione
Il fenomeno della diffrazione consiste nell’interazione tra un’onda e una fenditura. Le conclusioni della teoria di Fraunhofer valgono anche nel caso di un oggetto (“negativo di una fenditura”) e non di una fenditura.
Come si vede dallo schema, quando un fascio incontra un corpo (grigio) si genera un’onda detta diffratta le cui caratteristiche dipendono dalla radiazione incidente e dall’oggetto. L’onda diffratta ha un massimo di intensità in corrispondenza del centro dell’oggetto o della fenditura (la curva in rosso rappresenta l’intensità dell’onda diffratta nei diversi punti dello spazio: allontanandosi dal centro diminuisce per poi riaumentare periodicamente come una sinusoide smorzata). Ciò vuol dire che se si interpone uno schermo lungo il cammino dell’onda diffratta, si osserverà la sua proiezione su di un piano (parte sinistra dello schema) e quindi si osserverà un serie di trattini (quello corrispondente al centro dell’oggetto è il più intenso) la cui dimensione e separazione reciproca dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente, dalle dimensioni dell’oggetto e dalla distanza oggetto-schermo. Un globulo rosso ha una dimensione media di ~ 7 μm, un capello di ~ 20 μm e un filo di rame (quello da me usato) ~ 800 μm.Fenomeni Vari: exp 17-21
17) Palloncino che non scoppia – palloncino ignifugo.
Il palloncino riempito d’acqua non scoppia perché la gomma nel punto di contatto con la fiamma non raggiunge la temperatura necessaria alla combustione o alla fusione. Il calore della fiamma arriva facilmente all’interno del palloncino perché le sue pareti sono molto sottili. Con l’aria all’interno, il calore non viene dissipato lontano dal punto di contatto con la fiamma, mentre l’acqua, che ha una capacità termica elevata (Cp=4.1813 Jg-1K-1) rispetto all’aria (1.0035 Jg-1K-1) riesce ad assorbire il calore (viene dissipato lontano dal punto di contatto) e quindi il palloncino non si scalda.
18) Radiometro di Crookes
Il radiometro, o motore solare, consiste in un bulbo di vetro ermetico, contenente un vuoto parziale. Al suo interno c'è una serie di pale montate su di un fuso con una faccia nera e l’altra riflettente. Le pale ruotano se esposte alla luce, con una velocità proporzionale all’intensità della radiazione e in un verso tale che le pale nere sembrano “spinte” dalla radiazione.
- spiegazione 1. Pressione di radiazione: La pressione di radiazione è stata introdotta teoricamente da Maxwell nel 1871 il quale dimostrò che la radiazione e.m. assorbita da un corpo comounica una q.d.m. che ha effettivamente le dimensioni di una pressione (cioè forza per unità di superficie) e quindi la radiazione e.m. esercita una pressione sul corpo su cui incide. Tale fenomeno induce però una pressione che è vari ordini di grandezza inferiore rispetto a quella necessaria per mettere in moto le pale. Inoltre, con tale descrizione la rotazione dovrebbe avvenire in senso inverso. Solo con vuoto spinto la pressione di radiazione diventa efficace.
- spiegazione 2. Riscaldamento del gas: Per effetto della radiazione le pale si scaldano (più le nere che le altre) ma ciò da solo origine a trasferimento di calore da queste al gas. Questo fenomeno indurrebbe la rotazione del sistema solo se il cammino libero medio delle molecule del gas (qualche mm) fosse uguale alla separazione tra le pale.
- spiegazione 3. Evaporazione molecule pale nere: L’evaporazione delle molecule dalla superficie delle pale nere è un effetto reale ma non sufficiente ad indurne il movimento perchè all’aumentare del vuoto dovrebbe aumentare la velocità di rotazione (verrebbe favorita l’evaporazione) come invece non accade.
- Spiegazione reale. Scorrimento Termico: Dimostrato sperimentalmente nel 1879 da Reynold, tale fenomeno consiste nella “traspirazione termica” ai bordi delle pale dalla zona calda alla zona fredda. Si esercita, quindi, una forza dalla pala nera a quella riflettente e uno scorrimento del gas che le circonda in senso opposto.
19) Maizena
La miscela di amido di mais e acqua, forma un fluido non newtoniano o dilatante: cioè la sua viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato (equivalentemente, ha un tempo di risposta lungo alla deformazione.). Esercitando una forza sul fluido, si crea una resistenza allo scorrimento delle sue molecole, le quali alla fine si fermano come se appartenessero a un solido. Se giriamo con un cucchiaino l’acqua contenuta in un bicchiere, questa continua a girare perché l’acqua è un fluido di tipo newtoniano. Aggiungendo l’amido, se il movimento è lento, nulla cambia, mentre girando vorticosamente, si incontra una resistenza sempre maggiore, e il fluido si addensa, fino a sembrare quasi solido. Molte soluzioni polimeriche sono fluidi non newtoniani.
20) L’ago attraverso il palloncino
Questo esperimento prevede di bucare un palloncino con uno spillo (che quindi scoppia) e poi di mettere un po’ di nastro adesivo sulla superficie del palloncino, bucarlo con lo spillo attraverso il nastro e vedere che non si scoppia più.
Cosa accade: La gomma del palloncino contiene lunghe catene polimeriche intrecciate tra loro e ciò conferisce elasticità al materiale. Gonfiando il palloncino le catene vengono stirate, in modo più accentuato nella metà del palloncino che alle sue estremità. Se si buca il palloncino nelle zone più spesse, con uno spillo (meglio se sottile e lubrificato), la punta dello spillo allontana le catene senza che il palloncino scoppi. Rimuovendo lo spillo si può sentire il flusso d’aria verso l’esterno. Al contrario se si da un colpo secco le catene non hanno il tempo di spostarsi delicatamente per la sciar passare lo spillo e una volta creato lo strappo il flusso dell’aria verso l’esterno fa scoppiare il palloncino
21) Energia solare
Pannello solare collegato a una ventola e ad un “ciclista” (lampada da tavolo).
Il pannello solare è il dispositivo elementare alla base di ogni sistema fotovoltaico per la produzione di elettricità. Esso permette di ottenere energia elettrica dalla radiazione solare sfruttando le proprietà dei semiconduttori, materiali che a bassa temperatura si comportano come un isolante, ma possono comportarsi da conduttori elettrici in determinate condizioni, ad es. a temperature maggiori, in seguito all’assorbimento di radiazione elettromagnetica (ad. es. assorbimento di luce), o in seguito all’aggiunta di altri materiali al loro interno (drogaggio).
Se la luce del sole che irradia la cella ha energia maggiore di quella del gap di energia del materiale, essa viene assorbita sotto forma di fotoni che cedono energia agli elettroni i quali, così eccitati, passano dalla banda di valenza a quella di conduzione lasciando una lacuna al loro posto.
Le celle solari utilizzate in questi esperimenti sono fatte di silicio (Si) policristallino(opportunamente “drogato”); Questo è il materiale semiconduttore più largamente usato per i dispositivi fotovoltaici. Nel processo di drogaggio, vengono inserite nella struttura cristallina del Si delle impurità (atomi di boro e fosforo), si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica. Quando i fotoni della luce solare colpisconola cella, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi di silicio; gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che "incanalano" un flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.
- spiegazione 1. Pressione di radiazione: La pressione di radiazione è stata introdotta teoricamente da Maxwell nel 1871 il quale dimostrò che la radiazione e.m. assorbita da un corpo comounica una q.d.m. che ha effettivamente le dimensioni di una pressione (cioè forza per unità di superficie) e quindi la radiazione e.m. esercita una pressione sul corpo su cui incide. Tale fenomeno induce però una pressione che è vari ordini di grandezza inferiore rispetto a quella necessaria per mettere in moto le pale. Inoltre, con tale descrizione la rotazione dovrebbe avvenire in senso inverso. Solo con vuoto spinto la pressione di radiazione diventa efficace.
- spiegazione 2. Riscaldamento del gas: Per effetto della radiazione le pale si scaldano (più le nere che le altre) ma ciò da solo origine a trasferimento di calore da queste al gas. Questo fenomeno indurrebbe la rotazione del sistema solo se il cammino libero medio delle molecule del gas (qualche mm) fosse uguale alla separazione tra le pale.
- spiegazione 3. Evaporazione molecule pale nere: L’evaporazione delle molecule dalla superficie delle pale nere è un effetto reale ma non sufficiente ad indurne il movimento perchè all’aumentare del vuoto dovrebbe aumentare la velocità di rotazione (verrebbe favorita l’evaporazione) come invece non accade.
- Spiegazione reale. Scorrimento Termico: Dimostrato sperimentalmente nel 1879 da Reynold, tale fenomeno consiste nella “traspirazione termica” ai bordi delle pale dalla zona calda alla zona fredda. Si esercita, quindi, una forza dalla pala nera a quella riflettente e uno scorrimento del gas che le circonda in senso opposto.
19) Maizena
La miscela di amido di mais e acqua, forma un fluido non newtoniano o dilatante: cioè la sua viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato (equivalentemente, ha un tempo di risposta lungo alla deformazione.). Esercitando una forza sul fluido, si crea una resistenza allo scorrimento delle sue molecole, le quali alla fine si fermano come se appartenessero a un solido. Se giriamo con un cucchiaino l’acqua contenuta in un bicchiere, questa continua a girare perché l’acqua è un fluido di tipo newtoniano. Aggiungendo l’amido, se il movimento è lento, nulla cambia, mentre girando vorticosamente, si incontra una resistenza sempre maggiore, e il fluido si addensa, fino a sembrare quasi solido. Molte soluzioni polimeriche sono fluidi non newtoniani.
20) L’ago attraverso il palloncino
Questo esperimento prevede di bucare un palloncino con uno spillo (che quindi scoppia) e poi di mettere un po’ di nastro adesivo sulla superficie del palloncino, bucarlo con lo spillo attraverso il nastro e vedere che non si scoppia più.
Cosa accade: La gomma del palloncino contiene lunghe catene polimeriche intrecciate tra loro e ciò conferisce elasticità al materiale. Gonfiando il palloncino le catene vengono stirate, in modo più accentuato nella metà del palloncino che alle sue estremità. Se si buca il palloncino nelle zone più spesse, con uno spillo (meglio se sottile e lubrificato), la punta dello spillo allontana le catene senza che il palloncino scoppi. Rimuovendo lo spillo si può sentire il flusso d’aria verso l’esterno. Al contrario se si da un colpo secco le catene non hanno il tempo di spostarsi delicatamente per la sciar passare lo spillo e una volta creato lo strappo il flusso dell’aria verso l’esterno fa scoppiare il palloncino
21) Energia solare
Pannello solare collegato a una ventola e ad un “ciclista” (lampada da tavolo).
Il pannello solare è il dispositivo elementare alla base di ogni sistema fotovoltaico per la produzione di elettricità. Esso permette di ottenere energia elettrica dalla radiazione solare sfruttando le proprietà dei semiconduttori, materiali che a bassa temperatura si comportano come un isolante, ma possono comportarsi da conduttori elettrici in determinate condizioni, ad es. a temperature maggiori, in seguito all’assorbimento di radiazione elettromagnetica (ad. es. assorbimento di luce), o in seguito all’aggiunta di altri materiali al loro interno (drogaggio).
Se la luce del sole che irradia la cella ha energia maggiore di quella del gap di energia del materiale, essa viene assorbita sotto forma di fotoni che cedono energia agli elettroni i quali, così eccitati, passano dalla banda di valenza a quella di conduzione lasciando una lacuna al loro posto.Le celle solari utilizzate in questi esperimenti sono fatte di silicio (Si) policristallino(opportunamente “drogato”); Questo è il materiale semiconduttore più largamente usato per i dispositivi fotovoltaici. Nel processo di drogaggio, vengono inserite nella struttura cristallina del Si delle impurità (atomi di boro e fosforo), si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica. Quando i fotoni della luce solare colpisconola cella, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi di silicio; gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che "incanalano" un flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.
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