Φ.E.4 Α΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ "ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ-ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ" επεξεργασία απαντήσεων από τον φυσικό ΜΙΧΑΗΛ Π. ΜΙΧΑΗΛ Αναδημοσίευση: Λάμπρος Αδάμ www.lam-lab.com adamlscp@gmail.com

1. Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
103
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
α. Παρατηρώ, Πληροφορούµαι, Ενδιαφέροµαι
6. Οι άνθρωποι προσπαθούν να εκτιµήσουν κατά προσέγγιση ή να
µετρήσουν µε ακρίβεια τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος, των διαφόρων
σωµάτων ή και τη θερµοκρασία του σώµατός τους.
Πολλές φορές η µέτρηση της θερµοκρασίας είναι πολύ σηµαντική για την
υγεία µας, την κατάσταση των τροφίµων ή τη λειτουργία συσκευών και
µηχανών.
Σχολίασε σε ποια από τις παραπάνω περιπτώσεις γίνεται κατά προσέγγιση
εκτίµηση της θερµοκρασίας και σε ποια γίνεται ακριβής µέτρηση;
Απάντηση:
Γνωρίζουµε ότι τη θερµοκρασία µπορούµε να τη µετρήσουµε υποκειµενικά µε
την αίσθηση της αφής. Ακόµη όµως τη θερµοκρασία µπορούµε να τη µετρήσουµε
αντικειµενικά µε τα θερµόµετρα.
Στην περίπτωση της εικόνας αριστερά γίνεται µέτρηση –µε ακρίβεια– της
θερµοκρασίας µε χρήση θερµοµέτρου, ενώ στην περίπτωση της εικόνας δεξιά
έχουµε εκτίµηση –κατά προσέγγιση– της θερµοκρασίας µε επαφή του χεριού
(συγκρίνοντας τη θερµοκρασία του ανθρωπίνου σώµατος µε την εκτιµώµενη και
βασιζόµενοι στην εµπειρία µας). H κατά προσέγγιση εκτίµηση της θερµοκρασίας µε
το σώµα µας, είναι µια υποκειµενική εκτίµηση της θερµοκρασίας.

2. 104 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
β. Συζητώ, Αναρωτιέµαι, Υποθέτω
Συζήτησε µε τους συµµαθητές σου για το αν οι µετρήσεις της
θερµοκρασίας είναι πάντα ακριβείς. Μια λανθασµένη µέτρηση της
θερµοκρασίας είναι δυνατόν να οφείλεται στο θερµόµετρο που
χρησιµοποιούµε ή στον τρόπο µε τον οποίο µετράµε. Γράψε τις υποθέσεις.
Απάντηση:
Όµως, και οι µετρήσεις της θερµοκρασίας µε θερµόµετρο δεν είναι πάντα ακριβείς.
Μια λανθασµένη µέτρηση της θερµοκρασίας είναι δυνατόν να οφείλεται στο
θερµόµετρο που χρησιµοποιούµε ή στον τρόπο µε τον οποίο µετράµε.
Το θερµόµετρο µπορεί να δυσλειτουργεί λόγω:
• κακής κατασκευής του π.χ το υγρό (οινόπνευµα) που περιέχει να µη
διατέλλεται ελεύθερα ή
• λόγω κακής βαθµονόµησής του, δηλαδή οι ενδείξεις του µπορεί να µην
είναι στις σωστές θέσεις ή η χάραξη της κλίµακάς του να είναι λανθασµένη
(πχ. οι γραµµές να µην ισαπέχουν κτλ.). Γνωρίζουµε για παράδειγµα ότι το
0 της κλίµακας Κελσίου (Celsius) αντιστοιχεί στη θερµοκρασία πήξης του
νερού, ενώ το 100 της κλίµακας αντιστοιχεί στη θερµοκρασία βρασµού του
νερού. Αν αυτές οι θερµοκρασίες δεν υπολογίστηκαν µε απόλυτη ακρίβεια
τότε είναι δυνατόν και η βαθµονόµηση του θερµοµέτρου µας να απέτυχε.
γ. Ενεργώ, Πειραµατίζοµαι
6. Με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σας, οργανώστε πειράµατα
για την επιβεβαίωση ή διάψευση των υποθέσεων και συγκεντρώστε τα
απαραίτητα υλικά.
Υλικά / Όργανα:
• θερµόµετρο οινοπνεύµατος (µε περιοχή τιµών από -10 0
C έως 120 0
C),
• πυρίµαχο δοχείο (πυρέξ),
• χαρτί,
• διαφανής αυτοκόλλητη πλαστική ταινία,
• νερό,
• παγάκια,
• ηλεκτρικό µάτι θέρµανσης.
Πείραµα 1
Βαθµονόµησε µόνος σου το θερµόµετρο το οποίο θα χρησιµοποιήσεις στη
συνέχεια:
Κάλυψε τις ενδείξεις του θερµοµέτρου µε ένα λευκό χαρτί.

3. Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
105
Κόλλησε επάνω του µια διαφανή, αυτοκόλλητη πλαστική ταινία.
Ρίξε αρκετά παγάκια στο πυρίµαχο δοχείο το οποίο περιέχει νερό.
Βύθισε το θερµόµετρο στο νερό µε τα παγάκια, όπως φαίνεται στη διπλανή
εικόνα, κοντά στην επιφάνεια του νερού.
Μετά από µερικά λεπτά, παρατήρησε σε ποιο σηµείο έχει σταθεροποιηθεί η στάθµη
της στήλης του οινοπνεύµατος.
Γράψε στο αντίστοιχο σηµείο τους χαρτιού την ένδειξη 0 0
C.
Τοποθέτησε το πυρίµαχο δοχείο το οποίο περιέχει µικρή ποσότητα νερού επάνω
στο ηλεκτρικό µάτι.
Άναψε το µάτι, ώστε να αρχίσει να θερµαίνεται το νερό. Όταν διαπιστώσεις ότι στο
νερό δηµιουργούνται σε όλη τη µάζα του φυσαλίδες και από την επιφάνειά του
βγαίνουν υδρατµοί, τότε το νερό βράζει.
Κρατώντας το θερµόµετρο µέσα στο νερό, παρατήρησε σε ποιο σηµείο
σταθεροποιείται η στάθµη της στήλης του οινοπνεύµατος. Γράψε στο αντίστοιχο
σηµείο τους χαρτιού την ένδειξη 100 0
C.
Αποµάκρυνε το θερµόµετρο από το νερό και σβήσε το µάτι.
Σηµείωσε στο χαρτί µε το οποίο έχεις καλύψει το θερµόµετρο 100 µικρές
γραµµές, που απέχουν ίση απόσταση µεταξύ τους, από την τιµή 0 0
C έως την τιµή
100 0
C που έχεις γράψει.
Τώρα έχεις ένα "βαθµονοµηµένο" από εσένα θερµόµετρο. Βαθµονόµηση γίνεται
και σε άλλα όργανα µέτρησης. Συζήτησε µε τους συµµαθητές σου και µε τον/την
καθηγητή/τριά σου.
Απάντηση:
Πείραµα 1 (για τον έλεγχο του θερµοµέτρου)
Οι µαθητές θα πρέπει να προσέξουν ώστε να τοποθετήσουν το θερµόµετρο µέσα
στο νερό που βράζει µε κλίση για να αποφεύγεται –κατά το δυνατό– η υγροποίηση
των ατµών επάνω στο πλαστικό κάλυµµα του θερµοµέτρου.
Στο τέλος της βαθµονόµησης καλό είναι οι µαθητές να συγκρίνουν τη
βαθµονόµησή τους µε αυτή του κατασκευαστή του θερµοµέτρου, ώστε να
αναρωτηθούν για τα πιθανά σφάλµα στη βαθµονόµησή τους.
Για την µέτρηση της θερµοκρασίας της πήξης και του βρασµού του νερού είναι πιο
σωστό να χρησιµοποιήσουµε απεσταγµένο (χωρίς άλατα) νερό.
Στο συγκεκριµένο πείραµα πρέπει να επιµείνουµε όχι στην ακριβή βαθµονόµηση
και διόρθωση του θερµοµέτρου, αλλά στη διερεύνηση του τρόπου και της
διαδικασίας της βαθµονόµησης.
Πείραµα 2

4. 106 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
Κρέµασε το θερµόµετρο σε έναν τοίχο της τάξης σου.
Ζήτησε από τέσσερις συµµαθητές σου να µετρήσουν τη θερµοκρασία, ο ένας µετά
τον άλλο, µε τον τρόπο που φαίνεται στις παρακάτω εικόνες:
ο πρώτος, πλησιάζοντας πάρα πολύ το πρόσωπό του στο θερµόµετρο και
αγγίζοντάς το
ο δεύτερος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας οριζόντια
ο τρίτος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας από ψηλά
ο τέταρτος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας από χαµηλά, και χωρίς να λέει την
τιµή που διάβασε ο καθένας στους άλλους:
Τι παρατηρείς συγκρίνοντας τις τέσσερις τιµές; Συµπίπτουν ή διαφέρουν µεταξύ
τους; Αν διαφέρουν, ποια θεωρείς ότι είναι η πιο ακριβής και γιατί;
Απάντηση:
Ο 1ος
µαθητής δε διαβάζει σωστά την ένδειξη του θερµοµέτρου επειδή βρίσκεται
πολύ κοντά στο θερµόµετρο και επηρεάζει τις ενδείξεις του µε την αναπνοή του
αλλά και µε το χέρι του που απρόσεκτα ακουµπά σε αυτό.
Στην 3η
και 4η
εικόνα έχουµε σφάλµα παράλλαξης, λόγω της µη σωστής οπτικής
γωνίας (γωνία µέτρησης) οπότε ο 3ος
και ο 4ος
µαθητής δεν διαβάζουν σωστά τις
ενδείξεις του θερµοµέτρου.
Στην 2η
εικόνα ο µαθητής - παρατηρητής κοιτάζει το θερµόµετρο κάθετα προς
αυτό. Τότε η γωνία µέτρησης είναι 90 µοιρών (900
) και είναι η περίπτωση που
διαβάζουµε τη σωστή ένδειξη του θερµοµέτρου.
δ. Συµπεραίνω, Καταγράφω
6. Με βάση τις ενέργειές σου στο πείραµα 1 και τις συζητήσεις που
ακολούθησαν, γράψε τα συµπεράσµατά σου για τη σκοπιµότητα, µερικές
φορές, και τον τρόπο βαθµονόµησης των οργάνων µέτρησης.
Απάντηση:
Από το Πείραµα 1

5. Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
107
Στο 10
πείραµα οι λανθασµένες τιµές οφείλονται στο θερµόµετρο. Έτσι οι
µετρήσεις µας είναι δυνατό να είναι λανθασµένες, λόγω:
• κακής κατασκευής ή κακής βαθµονόµησης του θερµοµέτρου που
χρησιµοποιείται. Η κακή βαθµονόµηση µπορεί να οφείλεται στο µη σωστό
υπολογισµό των τιµών αναφοράς (φυσικές σταθερές), όπως η θερµοκρασία
πήξης και βρασµού του νερού.
• Επίσης µπορεί να µην έχει γίνει σωστός έλεγχος των θερµοµέτρων και να
µην έγιναν οι απαραίτητες διορθώσεις.
7. Με βάση παρατηρήσεις σου στο πείραµα 2, γράψε τα συµπεράσµατά
σου µε µορφή οδηγιών για το πώς πρέπει να γίνεται µια µέτρηση
θερµοκρασίας.
Από το Πείραµα 2
Φαίνεται όµως πως οι µετρήσεις θερµοκρασίας είναι δυνατό να δίνουν
λανθασµένες τιµές της και λόγω κακής µέτρησης από εµάς.
Θα πρέπι λοιπόν όταν διαβάζουµε την ένδειξη ενός θερµοµέτρου να προσέξουµε:
• Την απόσταση από το θερµόµετρο και
• τη γωνία ανάγνωσης της ένδειξης του θερµοµέτρου.
Συγκεκριµένα θα πρέπει:
- η απόσταση παρατήρησης να είναι τέτοια ώστε η τιµή του θερµοµέτρου να µην
επηρεάζεται από την αναπνοή µας ή από το άγγιγµά µας,
- η παρατήρηση να γίνεται κάθετα προς το θερµόµετρο (η γωνία παρατήρησης σε
σχέση µε το θερµόµετρο να είναι 900
).
Ε. Εφαρµόζω, Εξηγώ, Γενικεύω
3. Συγκέντρωσε εικόνες και πληροφορίες για τη µέτρηση της
θερµοκρασίας µε άλλα όργανα και άλλους τρόπους.
Απάντηση:
• Υδραργυρικό θερµόµετρο: Χρησιµοποιείται ως µέσο ένδειξης η διαστολή -
συστολή του υδραργύρου. Πρέπει να χρησιµοποιείται µε µεγάλη προσοχή, γιατί ο
υδράργυρος είναι επικίνδυνος για την υγεία µας, αν σπάσει το θερµόµετρο.
• Οινοπνευµατικό θερµόµετρο ή Θερµόµετρο υγρού: Είναι του ίδιου τύπου µε το
υδραργυρικό θερµόµετρο. Απλά αντικαθίσταται ο υδράργυρος µε άλλο υγρό
(αιθυλική αλκοόλη ή πεντάνιο µε κάποια χρωστική ουσία, επειδή αυτά είναι
διαφανή), αν προορίζονται για µετρήσεις χαµηλών θερµοκρασιών.
Και τα δυο παραπάνω είδη θερµοµέτρων λειτουργούν µε βάση τη διαστολή ή
συστολή των υλικών, όταν θερµαίνονται ή ψύχονται, όπως διαπιστώθηκε µε το
πείραµα 1.
Άλλα θερµόµετρα λειτουργούν µετρώντας την ηλεκτρική αγωγιµότητα- αντίσταση
ενός µετάλλου (κοινά ψηφιακά θερµόµετρα) ή την πυκνότητα ενός υγρού
(θερµόµετρο Γαλιλαίου).
Τα ψηφιακά θερµόµετρα έχουν έναν αισθητήρα thermoresistor (θερµίστορ). Η
αντίσταση του θερµίστορ αλλάζει ανάλογα µε τη θερµοκρασία. Ένας

6. 108 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
µικροϋπολογιστής µετρά την αντίσταση(ρεύµα) και τη µετατρέπει σε µια
θερµοκρασία, που εµφανίζεται ως ένδειξη πάνω στην οθόνη του θερµοµέτρου.
Το θερµόµετρο του Γαλιλαίου αποτελείται από ένα κλειστό γυάλινο σωλήνα µε
χρωµατιστό νερό µέσα στο οποίο βρίσκονται µικρές γυάλινες µπαλίτσες µε καθεµιά
τους να φέρει ένα µεταλλικό δίσκο. Το υγρό του σωλήνα έχει πυκνότητα ρ(T) που
µειώνεται όταν η θερµοκρασία αυξάνει. Οι µπαλίτσες έχουν ίσους όγκους αλλά
διαφορετικές µάζες που ρυθµίζονται µε συγκεκριµένο τρόπο (για παράδειγµα από
την ποσότητα του υγρού που περιέχουν). Οι γυάλινες µπαλίτσες µέσα στο υγρό
του σωλήνα ανεβαίνουν ή κατεβαίνουν ανάλογα µε τη θερµοκρασία και έτσι
έχουµε την αντίστοιχη ένδειξη.
Κάτω από κάθε µπαλίτσα κρέµεται ένας δίσκος στον οποίο αναγράφεται µια
θερµοκρασία. Για ένα συνηθισµένο µοντέλο βρίσκουµε έντεκα µπαλίτσες που
δείχνουν θερµοκρασίες µεταξύ 17 °C και 27 °C.
Η µέτρηση της θερµοκρασίας µπορεί να γίνει και µε τη µέτρηση της ακτινοβολίας
που εκπέµπουν τα σώµατα λόγω της θερµοκρασίας τους, µε τη χρήση υπέρυθρων
αισθητήρων (πυρόµετρα, θερµοκάµερες κ.α.).
4. Παρατήρησε την παρακάτω εικόνα
για την οποία έχει χρησιµοποιηθεί µια
"θερµοκάµερα", η οποία είναι µια από τις
πλέον σύγχρονες τεχνολογίες µέτρησης
της θερµοκρασίας. Συγκέντρωσε εικόνες
και πληροφορίες για τη λειτουργία της,
τις δυνατότητές της και τις εφαρµογές
της. Πρότεινε εξειδικευµένες εφαρµογές
της στα πειράµατα φυσικών επιστηµών.
Απάντηση:
Είναι γνωστό ότι τα σώµατα που χρίσκονται σε θερµοκρασία µεγαλύτερη από αυτή
του απόλυτου µηδενός εκπέµπουν ακτινοβολία. Η ακτινοβολία που εκπέµπεται από
τα σώµατα σε θερµοκρασία περιβάλλοντος είναι υπέρυθρη. Τα σώµατα αρχίζουν να
εκπέµπουν ορατή ακτινοβολία σε θερµοκρασίες µεγαλύτερες από 800 Κ.
Αυτή η ακτινοβολία δεν µπορεί να ανιχνευτεί µε γυµνό µάτι αλλά απαιτούνται οι
λεγόµενες θερµογραφικές ή υπέρυθρες κάµερες.
Μια θερµογραφική ή υπέρυθρη κάµερα ή κάµερα θερµικής απεικόνισης είναι µια
συσκευή που σχηµατίζει µια εικόνα χρησιµοποιώντας την υπέρυθρη ακτινοβολία,
παρόµοια µε µια κοινή φωτογραφική µηχανή που σχηµατίζει µια εικόνα
χρησιµοποιώντας το ορατό φως. Αντί για µήκη κύµατος 450-750 νανοµέτρα (nm)
της κάµερας που λειτουργεί µε ορατό φως, οι θερµογραφικές κάµερες λειτουργούν
σε µήκη κύµατος 14.000 νανοµέτρα (nm) δηλαδή στην περιοχή της υπέρυθρης
ακτινοβολίας.
Με τη θερµοκάµερα µπορούµε να µετρήσουµε µε µεγάλη ακρίβεια τη θερµοκρασία
από απόσταση, καθώς και τη θερµοκρασία διαφόρων περιοχών ενός αντικειµένου.

7. Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Φυσικός
109
Το εύρος των θερµοκρασιών που µπορεί να ανιχνεύσει µια υπέρυθρη κάµερα είναι
από -20 0
C έως 1500 0
C. Έχει επίσης την ικανότητα να διακρίνει θερµοκρασιακές
διαφορές µικρότερες από 0,02 0
C.
Η υπέρυθρη κάµερα µπορεί να λειτουργήσει ακόµη και στο σκοτάδι.
Μερικές εφαρµογές της θερµογραφίας είναι:
• Η διαπίστωση διαρροών σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, µετασχηµατιστές,
εναέριες γραµµές µεταφοράς, καλώδια ηλεκτρικούς κινητήρες ακόµη και
στους ηλεκτρικούς πίνακες των σπιτιών.
• Ακόµη οι θερµικές κάµερες χρησιµοποιούνται σε δοµικά κατασκευές όπως
κτίρια, πόρτες, παράθυρα κ.λπ. για τον εντοπισµό θερµικών απωλειών από
τυχόν ατέλειες στη µόνωση του κτιρίου.
• Επίσης µε µετρήσεις µε εφαρµογή της θερµογραφίας σε γέφυρες είναι
δυνατό να εντοπιστούν τυχόν ρωγµές ακόµη και υγρασία που µπορούν να
οδηγήσουν στην πτώση της γέφυρας.
• Παρόµοια η θερµογραφία χρησιµοποιείται στην αεροναυπηγική για τον
εντοπισµό διαβρώσεων στα µεταλλικά εξαρτήµατα ενός αεροπλάνου.
• Ακόµη έχουµε εφαρµογή της µεθόδου στην ιατρική, π.χ στη διάγνωση
καρδιοπαθειών µέσω µέτρησης της θερµοκρασίας των προβληµατικών
αθηρωµατικών πλακών που είναι επικίνδυνες για πρόκληση εµφράγµατος.
• Χρησιµοποιείται από τους επιστήµονες για τη µέτρηση της θερµοκρασίας
των ζώων (π.χ λιονταριών στη σαβάνα) συγκρίνοντάς την µε τη
θερµοκρασία του χώµατος µε σκοπό τη διάσωσή τους.
• Στον έλεγχο δεξαµενών πυρηνικών αντιδραστήρων για τη διαπίστωση
πιθανών διαρροών.
• Χρησιµοποιείται για τη µέτρηση θερµοκρασίας ατόµων από µακριά (για
διάσωση, για καταπολέµηση της εξάπλωσης ιών κ.α.)
• για τη µέτρηση της θερµοκρασίας εξαρτηµάτων µηχανών σε ώρα
λειτουργίας,
• για την ανίχνευση διαρροών πετρελαίου καθώς και
• τον εντοπισµό παγόβουνων.
Τέλος σε ένα εργαστήριο η θερµοκάµερα µπορεί να εντοπίσει περιοχές
διαφορετικής θερµοκρασίας σε πειράµατα τριβής στερεών σωµάτων, ηλεκτρικών
κυκλωµάτων, χηµικών αντιδράσεων κτλ.