Frågeställning

Hur tror du att temperaturen i ett rum påverkas av att det finns människor i rummet? Hur påverkas människokroppens temperatur av att det är hög temperatur i rummet?

Materiel

1 kammare på ungefär 1 kubikmeter: stor låda, bås, toalett eller städskrubb. Är volymen större tar experimentet mycket längre tid. Andra effekter påverkar då också, t.ex. värmeledning, luftombyte o.s.v. 1 digital termometer som mäter temperaturen i kammaren. T.ex. kan en digital termometer för inne- och utetemperatur användas. 1 termometer för kroppsbruk(kontakt), eller termometer som inte kräver kroppskontakt. Med IR-kamera mäts temperaturen vid ögonkanten mot näsan. (medial canthus)

Vid användning av låda. Ställ lådan på golvet på ett sådant sätt att lådan har väggar och tak. Skär ut längs två kanter på en kortsida så att den uppkomna luckan kan fällas upp och man kan krypa in i lådan, och fälla ner luckan och stänga.

Experiment

I stället för att direkt mäta i ett klassrum med elever mäter vi i ett litet rum, en kammare, och med endast en människa. Försök sedan dra slutsatser om vad som händer i ett helt klassrum med elever.

• Avläs temperaturen i kammaren. Mät personens temperatur.

• Låt en person sätta sig inne i kammaren. Studera temperaturökningen i kammaren; sitt inte så länge att luften känns obehaglig. Anteckna temperaturökning och tid som personen varit i kammaren. Mät personens temperatur.

• Vädra ut kammaren så temperaturen sjunker tillbaka till rumstemperaturen. Väggarna måste också få lite tid på sig.

• Upprepa laborationen igen, men låt personen, samma som tidigare, hoppa hopprep, göra armhävningar eller springa upp och ner i en trappa innan personen placerar sig i kammaren igen. Mät som tidigare.

Uppföljning

• Vilken temperatur (cirka) har din kropp? Vid vila och vid ansträngning (t.ex. hopprep)? (IR-kameran kanske inte ger korrekt temperatur men den mäter ändringar korrekt.)

• Varifrån kommer energin som ökar temperaturen i luften i lådan? Vad hade hänt med temperaturen om du placerat ett värmeljus i lådan i stället för din kropp? Vad förbränner lågan, vad förbränner din kropp?

Kan kräva kunskaper om förbränning.

• Vad händer med temperaturen i ett rum med volymen 200 kubikmeter fyllt med 30 människor (ett vanligt klassrum)?

Kan lösas på flera sätt: rent algebraiskt, grafiskt, aritmetiskt med tabell. Antagande om proportionalitet.

• Hur kan din kropp hålla sin temperatur konstant fastän temperaturen hos luften i klimatkammaren inte är konstant?

Denna fråga kan kräva förkunskaper om ledning, strålning, avdunstning, konvektion, svettning med mera om den ska besvaras lite djupare.

Se till att ventilationen kan stängas av eller blockeras tillfälligt om bås, toalett eller liknande används. Beräkningar som kopplar temperaturändringar i luften till värmekapacitivitet för luft och kroppens effekt ger inte korrekt resultat för kroppens energiomsättning.

Med kroppens temperatur avses en inre temperatur, inte yttemperatur.

Avsikten med experimentet är att fokusera på kroppens förbränning. Följs senare upp av koldioxidproduktion. Annat experiment som gör liknande kan ersätta detta experiment.

Frågeställning

Vilka faktorer styr effekten som kan erhållas från en solcell?

Material

En solcell större än 1 kvadratdecimeter. Ställning som kan hålla solcellen fast i olika vinklar. Enklast om solcellen kan roteras kring en axel. Voltmeter, amperemeter eller wattmeter. Tjockt svart papper. Helt ogenomskinligt. En liten tavla att redogöra för resultat på.

Alega har solceller som ger 2 V och 0,5 A. 11,58,2 cm. 87,50 kr. De har också plastspeglar 108 cm för 30 kr.

Experiment

Rikta en solcell mot solen, använd gärna ett stativ eller hållare.

1. Mät spänning och ström från solcellen, eller effekt. Ändra solcellens vinkel i förhållande till solen; vad blir det för effekt beroende på vinkel? Konstruera en graf som illustration. Resultatet betyder mycket för hur solceller kan användas.


2. Använd ett tjockt svart papper för att täcka solcellen i olika omfattning. Börja med att täcka en liten andel (ange i procent) och täck mer och mer. Hur beror effekten på hur stor andel som är täckt? Rita en graf för att illustrera. Resultatet betyder mycket för hur solceller ska skötas.




3. Även om solcellen är direkt riktad mot solen så blir effekten från solen mindre ju lägre solen står: Varför är det så? Jordens atmosfär är överdriven i bilden.

Uppföljning

• Vilka faktorer är viktiga vid användning av solceller för att få största möjliga effekt?

Mängden ljus, vinkeln mot solen, mängden absorption i atmosfären. Att solcellens yta är ren. Jämn belysning.

• Varför ska en solcell helst se svart ut? *Att den ser svart ut innebär att den absorberat allt ljus(i det synliga området).*

• Hur kan man få ännu mer solljus på solcellen utan att göra själva solcellen större? *Genom att reflektera solljus från omgivningen. Dock finns det ett maximum så effektivast är det vid låg belysning. Även om man reflekterar ljus till solcellen så är det viktigt att den blir jämnt belyst, svagaste flödet bestämmer strömmen.*

• Angående första experimentet med solcell. Var på Jorden är det bäst? Hur högt stiger solen som högst under vintern i Sverige? Vilken årstid är det i Sverige på bilden? Rita läget för Jorden ett halvår senare. Vad innebär norra och södra vändkretsarna för solceller; de ligger cirka 23,5 grader norr respektive söder om ekvatorn?

I Sverige är det sommar, på södra halvklotet vinter. Solen stiger vid Malmös Latitud ca 10 grader över horisonten. Se även https://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/vad-ar-ett-solbanediagram-1.31981

Frågeställningar

Hur mycket energi kan man få från en elektrisk generator?

Materiel

En enkel handdriven generator. Något att mäta spänning och ström med. En stor och en liten resistor, t.ex. 1 Megaohm och 10 Ohm.

Värdena är inte så noga. Undvik dock att kortsluta generatorn. I stället för 1 Megaohm kan man använda endast voltmetern som har stort inre motstånd. Har inte varit med om att något går i sönder vid kortslutning över generatorns poler men…

För att kunna hålla konstant varvtal kan man använda en metronom. Metronomer finns som applikation för mobiltelefoner. Apparna ’Physcis Toolbox Sensor Suite’ och ’Phyphox’ kan också användas.

Använd gärna ’Physics Toolbox Sensor Suite’ från Vieyra Software. Den använder mobiltelefonens närhetssensor (Proximeter) och man väljer ’pendulum mode’. Låt veven passera sensorn så räknar den tiden mellan passager. Programmet phyphox är också bra och fungerar på ett liknande sätt. Båda är gratis.

Experiment

• Veva generatorn runt med olika varvtal (rpm) och undersök vilken effekt som erhålls.

• Variera resistansen från stor (ingen belastning, väldigt liten effekt) till liten (stor belastning, relativt större effekt). Vilken effekt erhålls?

Uppföljning

• Hur känns det att veva vid stor (liten resistans) respektive liten (stor resistans) belastning? Varför är det så? *Trögare vid stor belastning.*

• Måste en generator rotera fort, varv per minut, för att ge mycket elektrisk energi? *Nej. Ett lugnt vevande med stor belastning kan ge högre effekt (mer energi) än ett snabbt vevande med liten belastning. Praktiskt brukar man diskutera vridmoment.*

• Vilka faktorer bestämmer hur mycket energi man kan få ut ur generatorn? *Antal varv per minut och vridmoment.*

• Energi kan varken skapas eller förintas. Varifrån kommer den elektriska energin som generatorn levererar? *Från din egen rörelse.*

• I ett vindkraftverk driver vinden generatorn. Måste ett vindkraftverk snurra fort för att ge mycket elektrisk energi? *Nej.*

• Vad driver generatorn i ett kärnkraftverk? *T.ex. ånga som passerar en turbin kopplad till en generator. Ångan skapas av upphettning av t.ex. vatten. Finns många konstruktioner men det viktigaste är att det ändå påminner om vattenkraftverk och vindkraftverk.*

Vid ett lugnt men inte långsamt vevande, 1 Megaohm, erhölls 6 V och 6 mikroampere, d.v.s. 36 mikrowatt. Vid 1 Ohm erhölls 0,7 V och 0,4 mA vilket är cirka 0,3 mW.

Frågeställningar

Vilka faktorer avgör vilken energi som kan omvandlas med hjälp av ett vindkraftverk?

Materiel

Ett vindkraftverk av enkel konstruktion. Vingar är utbytbara och vinkeln kan regleras. Ett enkelt vindkraftverk kan byggas med delar från slöjd och hobby företag, t.ex. Panduro. Elektrisk motor från…?

Experiment

Flera olika konstellationer av vindkraftverk kan användas. Antalet vingar kan varieras, t.ex. 2 eller 6. Vingarnas längd kan variera, korta respektive långa vingar. Även vingarnas vinkel mot vinden kan varieras. Vinden kan varieras genom att det på vissa fläktar finns olika rotationshastigheter på fläkten. Vinden kan också varieras genom att avståndet till fläkten varieras. Observera att det är vanligt att fläktar har en platta i mitten precis framför fläktens rotationsaxel, den måste plockas bort.

• Vindstyrka. Mät spänningen från vindkraftverket beroende på avståndet från fläkten. Detta simulerar olika vindstyrkor. När fungerar detta vindkraftverk bäst?

• För vilken vinkel på bladen fungerar den bäst? Vinklarna behöver inte mätas noga utan kan begränsas till mellan(45º), blad nästan parallella med vinden(10-20º) och blad nästan tvärställda(70-80º).

• För hur många blad fungerar vindkraftverket bäst? Undersök 2 eller 6 blad. Bladen måste sitta symmetriskt. 

• Vi undersöker inte korta blad mot långa blad eftersom det förutsätter att vinden blåser jämnt över bladen om de ska kunna jämföras. För det behöver man ofta speciella fläktar. 

• Naturligtvis kan långa blad fungera bäst vid en viss vinkel och en viss vindhastighet medan vid en annan vinkel fungerar de bättre vid en annan vindhastighet. O.s.v. 

Kombinationerna är många.

• Vart tar luften i vinden vägen? Före vindkraftverket rör sig luften fort, den har mycket rörelseenergi. Säg att all rörelseenergi kunde överföras till vingarna då skulle luften stå stilla efter vingarna, och den inkommande luften skulle då ’krocka’ med luften som står stilla (den efter vingarna). Räknar man på detta visar det sig att endast maximalt 60% kan överföras till vingarna.  Vart tar luften i vinden vägen efter den passerat vingarna? Känn efter med handen för att se om det är någon skillnad på var det blåser före och efter vindkraftverket.

Vinden går åt sidorna. Om man håller handen framför vindkraftverket men sidan om vingarna och för handen från nära fläkten till precis efter vingarna på vindkraftverket så känner man efter vindkraftverket att det blåser mer på handen. Handen ska föras längs en linje utanför själva luftströmmen från fläkten till bakom(och sidan om) vindkraftverket.

• Hitta på fler saker att undersöka.

Uppföljning

Kan du ge argument för att det är problem med ytterligheterna?

• Varför är tvärställda blad dåligt?; varför är blad parallella med vinden dåligt? 

I det andra fallet släpps vinden förbi utan att kunna utöva en kraft, åt sidan, på vingarna. I det första fallet genereras inte någon sidkraft som kan rotera vingarna kring generatoraxeln.

• Varför är få blad dåligt?; varför är många blad dåligt? (lika breda blad) 

Få blad innebär att mycket luft passerar förbi utan att växelverka med vingarna. Många blad innebär att luften saktas ner och mycket turbulens skapas.

• Varför kan väldigt höga vindstyrkor vara ett problem? 

Vingarna kan gå sönder, de kan också rotera för fort för konstruktionen i generatorn.

• Kommer inte att fråga om varför låga vindstyrkor är ett problem.

• Vindkraftverk roterar i regel med samma fart oavsett hur det blåser. Hur lyckas man det? Olika utväxlingsmekanismer. 

Finns flera olika tekniska lösningar. Se också laborationen om generator för att inse att det viktiga är inte hur fort vingarna roterar.

• Hur uppkommer vindar? 

Olika temperaturer gör att luft börjar röra på sig. Vindar är konvektion.

Vindkraftverk är ofta konstruerade för att ge maximal effekt vid cirka 15 m/s. Vingarnas hastighet kan regleras genom att bladen vrids så att de vänder olika stora ytor mot vinden. En annan metod, för fixa blad, är att de är designade så att vid tillräckligt höga hastigheter skapar vingarna turbulens.

Frågeställningar

Hur flyttas energi med hjälp av luft?

Material

Ca 15-20 värmeljus placerade i ring. Fransat silkespapper eller liknande för att detektera luftström.

Experiment

• Placera värmeljusen i en ring och tänd dem.

• Observera förändringen hos värmeljusen. Ha gärna ett enstaka värmeljus en bit sidan om för att kunna jämföra och se förändringen.

• Placera t.ex. fransat silkespapper i mitten av ringen en bit ovanför ljusen och observera vad som händer. Se upp det är varmt!

Uppföljning.

• Hur tolkar du förändringen hos värmeljusen?

• Vad händer med det fransade silkespapperet? Hur tolkar du det?

Resultatet bör se ut som på bilden nedan.

Lågorna är riktade in mot mitten av cirkeln. Detta orsakas av att luften strömmar på grund av upphettningen. Silkespapperet kommer att fladdra pga luftströmmen.

Frågeställningar

Hur bra är olika material på att leda värme.

Materiel

En skål. Hett vatten. En träsked, en metallsked och en plastsked. Kanske något av glas eller valfritt. En IR-kamera. Föremålen som man ska mäta på med IR-kameran ska ha en tejpbit som är svart på det område där mätningen ska ske. Detta på grund av att emissiviteten kan variera kraftigt, speciellt kan metaller ha ett annat värde än t.ex. trä.

Experiment

• Placera skedarna i en skål, låt dem luta mot kanten.

• Mät temperaturen hos skedarna med hjälp av IR-kameran.

• Koka vatten i en vattenkokare.

• Häll vattnet i skålen med skedar.

• Låt stå en minut eller två.

• Titta på eller ta foto av uppställningen så temperaturen på de olika föremålen kan bestämmas. Det räcker med att avgöra ordningen mellan dem avseende temperatur, noggrann mätning behövs ej. Du kan också känna på föremålen.

Uppföljning

• Vilken ordning har de testade materialen i fråga om värmeledning?

• Vilket material ska man använda för att få så låg värmeledning som möjligt?

• Är glas en bättre eller sämre värmeledare än trä? Vad innebär detta för ett fönster i ett hus? En del hus har metall runt fönstret, vad innebär det för värmeledningen?

• Se i listan över värmeledningsförmåga för några material. Stämmer de med din mätning?Ibland betecknas värmeledningsförmågan med (lambda).

Se figur för typiska exempel på temperaturer och variationer. Silversked 41,8 ºC, träkniv 30,2 ºC, metallsked 36,8 ºC och plastsked 26,0 ºC.

I denna figur syns problematiken med emissiviteten. För silverkniven, längst till vänster, verkar det som att temperaturen är lägre längre ner mot det heta vattnet och högre temperatur överst på den svarta tejpen. För träkniven, nummer två i raden, har däremot en högre temperatur närmare det heta vattnet.

Observera också att kameran ändrar skalan.

Bilden nedan visar de fyra föremålen på en bänk. Områden med ’hög temperatur’ på silver och metallskeden är reflektioner från taklampor, inte en högre temperatur.

Experiment med IR-kamera

 1. En kopp med kallt vatten och en med varmt vatten ser lika ut för våra ögon men hur ser IR-kameran dem? Vilken kopp avger mest energi i form av strålning? Ljusa färger (vit-gul) är hög temperatur och mörka färger (mörkblå-svart) är låg temperatur.

Om vi tittar på bilden av katten ser vi ett exempel på en skala. Vit-gul har högst temperatur, därefter rött och lägst är de mörka färgerna blå-svart.

 2. Undersök om följande föremål är *genomskinliga* (kan du se koppen med varmt vatten genom materialet) för IR-strålning:

     a) Glasskiva. *I regel ej genomskinlig. Finns olika glassorter.*
     b) Träskiva.
     c) Plastskiva. *I regel ej genomskinlig. Finns olika plastsorter.*
     d) Aluminiumfolie. *Försök hålla ytan slät. Ej genomskinlig.*
     e) Svart sopsäck. (Stoppa in din arm, kan man räkna fingrarna?) *Plasten är genomskinlig.*
     f) Solskydd för bilfönster. *T.ex. Biltema har plast för både uv och IR. Ej genomskinlig? (kan vara delvis genomskinlig, anges ofta i någon procentsats).*
     g) Valfritt. *T.ex. papper är ej genomskinligt.*

Man kan även i detta sammanhang ställa frågan om något av föremålen reflekterar IR-strålning.

 3. Om man tittar på en människokropp med hjälp av en IR-kamera kan man se hur temperaturen varierar. Sjukdomar kan detekteras med en IR-kamera. Var har du högst respektive lägst temperatur på din kropps hud? 

 4. Om du har en mobiltelefon undersök om den kan detektera ljuset från en fjärrkontroll (IR-diod) med hjälp av mobilens kamera.

 5. Undersök er skola.

     a) Var förlorar ert skolhus sin energi?
     b) Var är det speciellt varmt i er skola? Var är det kallt?
     c) Kan IR-kameran se om elementen är på?
     d) Kaffeautomat, fläktar, fönster, lampor...

Information

Föremål med hög temperatur lyser: järn i en smältugn lyser rött, solen är 6000 °C på ytan och lyser vitt för våra ögon. ’Yta’ är inte ett korrekt begrepp.

Föremål med temperaturen 1300 °C lyser för våra ögon med en bländande vit färg; glasögon som skyddar mot ultraviolett (UV) strålning behövs. Vid 950 °C är föremål röda mot orange, och nedåt 500 °C svagt mörkt röda. Vid lägre temperaturer strålar föremål fortfarande men med ljus som inte är synligt för våra ögon. Ett föremål vid rumstemperatur, ca 20 °C, sänder inte ut någon strålning som människan kan se; strålningen som sänds ut ligger i det infraröda (IR) området och längre våglängder, se figur 1.

Alla föremål avger således elektromagnetisk strålning oavsett temperatur. Universum har en temperatur på cirka -270 °C, denna strålning kallas för den kosmiska bakgrundsstrålningen och är i mikrovågsområdet.

Med hjälp av en IR-kamera kan vi detektera den infraröda strålningen från föremål i vår omgivning. Eftersom även osynlig infraröd ’färg’, beror på temperaturen kan vi bestämma föremålets temperatur genom att observera ’IR-färgen’ med hjälp av IR-kameran.

Kamerans funktion

Eftersom vi inte kan se ’IR-färgerna’ ändrar IR-kameran dem till för oss synliga färger, en slags kod. I regel väljer kameran ljusare färger (ljusröd-gul-vit) för högre temperaturer och mörkare färger (mörkblå-svart) för lägre.

Ibland ändrar kameran sin skala beroende på hur stora skillnader i temperatur det är i bilden; då stannar den en stund och kalibrerar om skalan. Temperaturen som anges av kameran gäller för bildens mitt. Kameran har 2 linser så den tar en vanlig bild i det synliga området, letar upp kanter i den bilden och lägger sedan kanterna på IR-bilden; detta för att du lättare ska kunna hitta föremålen.

En IR-kamera detekterar elektromagnetiska vågor, typiskt, vilket är längre våglängder än synligt ljus som är. Se figur 1.

Kameran detekterar IR-strålning inom ett viss våglängdsområde som sedan avbildas på ett för våra ögon synligt våglängdsområde (färger som vi kan se). Elektromagnetiska vågor med våglängder fråntill kallas för Infraröda vågor.

En tankeväckande fråga i sammanhanget. Kan användas som uppföljning/fördjupning:

Från en järnbit med temperaturen 1300 °C kommer så mycket UV-strålning att vi måste skydda våra ögon med UV-skydd. Från solen som är 6000 °C borde det komma mycket stora mängder UV-strålning. Trots det kan vi se ett kort ögonblick på solen utan att ögonen blir förstörda, hur kan det vara så?

Svarsförslag: UV-strålningen absorberas av atmosfären. Ozon absorberar mer än 99% av UVC och cirka 90% av UVB och 50% av UVA. Enligt NASA skulle Jordens yta steriliseras om inte atmosfären absorberade UV-strålningen.

Bilder från en IR-kamera. I bilden nedan framgår skalan för färg. Temperaturen mäts i mitten av bilden. Kameran mäter temperatur genom att mäta spektrat i det infraröda området. Den luras lätt av reflektioner. Den utgår också från att kroppen som man mäter på är en absolut svart kropp. En absolut svart kropp är en kropp som absorberar all infallande strålning, i detta fall i det område som kameran mäter, d.v.s. absolut svart i det infraröda området. Emissiviteten, , brukar vara inställd på 0,95. Metaller och reflekterande ytor är ett problem men man kan måla föremålet svart eller sätta svart tejp där man ska mäta. Dock inte glansig svart färg. Kameran genererar två bilder, en i IR och en i synligt. Kanter beräknas från bilden i synligt och överlagras på IR-bilden. Detta kan ändras. Parallaxfel kan uppstå, linserna sitter ovanför varandra.

Glaskärl med varmt respektive kallt vatten.