Lämmön johtuminen lämpökameralla
Tutkimuskysymys: Mikä tutkittavista materiaaleista johtaa lämpöä tehokkaimmin, ja miten sen voi päätellä lämpökameralla mitatuista lämpötiloista?
Lämpökamera näyttää kappaleiden lämpötilat kuvana, joten sillä voi seurata, miten lämpö etenee kappaleessa ajan kuluessa. Tässä tutkimuksessa lämmität samanmuotoisten eri materiaaleista tehtyjen kappaleiden toista päätä samalla tavalla ja päättelet mittauksista, missä materiaalissa lämpö etenee tehokkaimmin. Lämpökamera on kuitenkin mittalaite, jonka lukemaan vaikuttaa muukin kuin lämpötila, joten selvität myös, milloin sen lukemaan voi luottaa. Mittaa, piirrä ja päättele itse: tämä sivu kertoo, mitä tutkitaan, ja tukee sinua niin paljon kuin valitsemasi työtapa lupaa.
Tässä tutkimuksessa opit
- valitsemaan mitattavan suureen, jonka avulla ilmiötä voi vertailla eri kappaleissa
- vakioimaan koejärjestelyn niin, että kappaleiden välillä muuttuu vain tutkittava tekijä
- arvioimaan, miten mittalaitteen toimintaperiaate vaikuttaa tulosten luotettavuuteen
Vaativuus
- Materiaalien vertailu: fysiikka F1 · koe E2
- Lämpötila kappaleen eri kohdissa ja tasapainotila: fysiikka F2 · koe E2
F1–F3 kertoo, kuinka vaativaa fysiikkaa työ tarvitsee, E1–E3 kuinka vaativa mittaus ja analyysi on. Tuen määrän valitset itse alla.
Tässä työssä tarvitset näitä tietoja ja taitoja
Fysiikan tiedot
- välttämätön Lämmön siirtyminen, energiatasapaino ja ilmastonmuutos (FY3)Lämmön johtuminen ja lämpösäteily sekä energiatasapaino ovat tutkimuksen fysiikka.
- hyödyllinen Aineen lämpeneminen ja jäähtyminen: $Q = cm\Delta T$ (FY3)Kappaleen lämpeneminen vaatii energiaa, joten lämpötilan nousuun vaikuttaa johtumisen lisäksi aineen ominaislämpökapasiteetti.
- hyödyllinen Lämpösäteily ja pinnan emissiivisyys (FY7: Sähkömagneettinen säteily, spektri ja mustan kappaleen säteily)Lämpökamera päättelee lämpötilan pinnan lähettämästä säteilystä; lyhyt selitys on tällä sivulla kohdassa Teoriaa lyhyesti.
Kokeelliset taidot
- välttämätön Mittaaminen ja mittauksen luotettavuus (FY1)Mittausepävarmuuden arvioiminen ja satunnaisten ja systemaattisten virheiden erottaminen.
- hyödyllinen Graafinen esitys ja suoran sovittaminen (FY1)Mittaustulosten esittäminen kuvaajana.
- hyödyllinen Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointi (FY1)Oman tutkimuksen suunnittelu ja työselostuksen rakenne.
TVT-taidot
- välttämätön Lämpökameran käyttö: kuvan tallentaminen ja yksittäisen kohdan lämpötilan lukeminen kuvasta (käytä lämpökameran omaa käyttöohjetta)Kaikki mittaustulokset luetaan lämpökameran kuvista.
- hyödyllinen Kuvaajan piirtäminen ohjelmalla (Graphical Analysis Pro) (ohje: Mittauspisteiden kuvaaja)Usean materiaalin tulokset on helpointa vertailla samassa kuvaajassa.
Välineet
- lämpökamera ja jalusta
- samanmuotoisia ja samankokoisia sauvoja tai liuskoja eri materiaaleista, esimerkiksi kuparia, alumiinia, terästä, puuta ja muovia
- lämmönlähde: kattila tai muu astia kuumaa vettä ja vedenkeitin
- lämpöä eristävä kansi tai pidike, joka pitää kappaleet yhtä syvällä vedessä
- samanlaista mattapintaista teippiä tai maalia kappaleiden pintoihin
- lämpömittari veden lämpötilaa varten
- ajanottoväline
- viivoitin tai mittanauha
- suojakäsineet tai pihdit kuumien kappaleiden käsittelyyn
Turvallisuus
- Kuuma vesi ja kuumat kappaleet voivat aiheuttaa palovamman. Älä kosketa lämmitettyjä kappaleita paljain käsin, vaan käytä suojakäsineitä tai pihtejä.
- Aseta kuuman veden astia tukevasti pöydän keskelle, jottei se kaadu, ja käsittele vedenkeitintä opettajan ohjeiden mukaan.
- Jos lämpökamerassa on laserosoitin, älä suuntaa sitä kenenkään silmiin.
Tutkimustehtävä
Selvitettävä: missä järjestyksessä lämpö etenee tutkittavissa materiaaleissa tehokkaimmasta heikoimpaan, mihin mitattuun suureeseen vertailu perustuu ja kuinka varmasti järjestys erottuu mittausepävarmuuden rajoissa.
Päätät itse: suureen, jonka avulla vertailet materiaaleja, tavan, jolla lämmität kappaleita samalla tavalla, kohdat, joista luet lämpötilat, mittausten ajankohdat ja kokonaiskeston, toistot, kuvaajan sekä tavan, jolla arvioit epävarmuuden. Ohjatussa ja osittain ohjatussa työtavassa sivu antaa näihin tukea, itsenäisessä työtavassa perustelet valintasi itse.
Itsenäinen työtapa. Laajennus, lämpötila kappaleen eri kohdissa ja tasapainotila, kuuluu työhösi: vertaa, saatko sen avulla saman materiaalien järjestyksen kuin päämittauksesta.
Ennusta
Kirjoita ennusteesi vihkoon tai työselostuksen hypoteesiksi ennen kuin luet eteenpäin ja ennen kuin mittaat:
- Missä järjestyksessä arvelet lämmön etenevän tutkittavissa materiaaleissa nopeimmasta hitaimpaan? Erottuvatko eri metallit toisistaan selvästi?
- Kaksi yhtä lämmintä kappaletta kuvataan lämpökameralla. Toinen on kiiltävää metallia, toinen on päällystetty mattapintaisella teipillä. Näyttääkö kamera molemmille saman lämpötilan?
- Mitä arvelet tapahtuvan kappaleen lämpötilalle kaukana lämmitetystä päästä, jos lämmitystä jatketaan hyvin pitkään? Nouseeko se lopulta lämmönlähteen lämpötilaan?
- Mikä on todennäköisesti vaikeinta pitää samana kaikille kappaleille?
Perustele ennusteesi fysiikan avulla. Palaat niihin johtopäätöksissä. Ennusteen 2 testaat mittauksen yhteydessä ja ennusteen 3 laajennuksessa.
Tutkimuskysymyksestä mitattaviksi suureiksi
Tutkimuskysymyksessä kysytään, mikä materiaali johtaa lämpöä tehokkaimmin, mutta johtumista ei voi lukea suoraan mittarista: lämpökamera näyttää vain lämpötiloja. Ennen kuin luet eteenpäin, kirjaa:
- Mikä mitattava suure kertoo, kuinka tehokkaasti lämpö etenee kappaleessa? Keksi ainakin kaksi vaihtoehtoa ja valitse niistä yksi perustellen.
- Mitä muutat, mitä mittaat ja mitä pidät vakiona?
- Mistä kohdasta kappaletta ja mihin aikaan luet lämpötilan, jotta vertailu on reilu?
Teoriaa lyhyesti
Kun kappaleen toista päätä lämmitetään, energiaa siirtyy johtumalla kappaleen läpi lämpimästä päästä kohti kylmää päätä Tarvitsetko apua? → Lämmön siirtymisen tavat. Mitä tehokkaammin aine johtaa lämpöä, sitä nopeammin lämpö etenee kauemmas lämmitetystä päästä. Kappaleen kohdan lämpötilan nousuun vaikuttaa kuitenkin johtumisen lisäksi kaksi muuta asiaa: aineen lämpeneminen vaatii energiaa, ja tarvittava energia riippuu aineen ominaislämpökapasiteetista ja massasta Tarvitsetko apua? → Aineen lämpeneminen, ja kappaleen pinnasta siirtyy lämpöä ympäröivään ilmaan. Siksi vertailu on mielekäs vain, kun kappaleet ovat samanmuotoisia ja samankokoisia, niitä lämmitetään samalla tavalla ja niiden pinnat ovat samanlaiset. Silloinkin vertailu kertoo, kuinka nopeasti lämpö etenee kussakin materiaalissa, mikä riippuu sekä aineen lämmönjohtavuudesta että sen lämpökapasiteetista.
Miten lämpökamera mittaa. Kaikki kappaleet lähettävät lämpösäteilyä, ja mitä kuumempi pinta on, sitä enemmän se säteilee. Lämpökamera ei kosketa kappaletta, vaan mittaa pinnasta tulevaa infrapunasäteilyä ja laskee siitä lämpötilan. Laskussa kamera olettaa, kuinka hyvin pinta säteilee. Tätä pinnan ominaisuutta sanotaan emissiivisyydeksi: se on luku nollan ja yhden väliltä, ja se kertoo, kuinka paljon pinta säteilee verrattuna ihanteelliseen säteilijään samassa lämpötilassa. Mattapintainen teippi, maali, puu ja useimmat muovit säteilevät hyvin, ja niiden emissiivisyys on lähellä yhtä. Kiiltävä metallipinta säteilee huonosti ja heijastaa sen sijaan ympäristöstä tulevaa säteilyä, esimerkiksi kuvaajan oman kehon säteilyä. Kiiltävän metallin kohdalla kamera voi siksi näyttää lämpötilan, joka on paljon lähempänä ympäristön lämpötilaa kuin metallin todellinen lämpötila. Kamera mittaa myös vain pinnan lämpötilaa: se ei näe esimerkiksi lasin läpi, koska lasi ei päästä kameran mittaamaa infrapunasäteilyä läpi.
Tarkista kirjauksesi tästä. Lämmön etenemistä voi vertailla esimerkiksi näillä suureilla:
- Lämpötilan nousu tietyssä kohdassa tiettynä hetkenä: lue kunkin kappaleen lämpötila $T$ samalta etäisyydeltä $x$ lämmitetystä päästä, kun lämmitys on kestänyt saman ajan, ja vertaa nousua $T - T_0$, missä $T_0$ on kappaleen lämpötila ennen lämmitystä.
- Aika tiettyyn lämpötilan nousuun: mittaa, kuinka kauan kestää, että kohta etäisyydellä $x$ lämpenee esimerkiksi viisi astetta alkulämpötilaa lämpimämmäksi.
- Lämpötila ajan funktiona: lue kunkin kappaleen lämpötila samasta kohdasta tasaisin väliajoin ja piirrä kaikki samaan kuvaajaan.
Muutettava tekijä on materiaali. Vakiona pidetään kappaleiden muoto ja koko, lämmitystapa ja lämmönlähteen lämpötila, kuinka syvällä lämmönlähteessä kappaleet ovat, kappaleiden pinta ja kameran paikka. Etäisyys $x$ mitataan kohdasta, jossa kappale tulee ulos lämmönlähteestä, esimerkiksi eristävän kannen yläpinnasta.
Kuvaaja esittää mallin muotoa, ei mittaustuloksia: samassa kohdassa lämpötila alkaa nousta vasta viiveellä, koska lämmön täytyy ensin edetä kohtaan asti. Mitä nopeammin lämpö etenee materiaalissa, sitä aikaisemmin ja nopeammin lämpötila nousee.
Suunnittele
Ennen mittaamista päätä ja kirjaa ylös, millä suureella vertailet materiaaleja, mitä pidät vakiona ja miten varmistat, että lämpökamera mittaa kaikkien kappaleiden lämpötilaa yhtä luotettavasti.
Ohjattu. Käytä samankokoisia sauvoja tai liuskoja, esimerkiksi noin $15\ \text{cm}$ – $20\ \text{cm}$ pitkiä, ja päällystä niiden vedenpinnan yläpuoliset osat samanlaisella mattapintaisella teipillä. Työnnä kappaleet eristävän kannen reikien läpi niin, että ne ovat yhtä syvällä kuumassa vedessä eivätkä kosketa toisiaan. Kiinnitä lämpökamera jalustaan niin, että kaikki kappaleet näkyvät samassa kuvassa. Tutki ainakin kolmea materiaalia, esimerkiksi kuparia, terästä ja puuta, ja lue lämpötilat yhdestä mittauskohdasta kannen yläpuolelta, esimerkiksi $x = 3\ \text{cm}$. Jos aikaa jää, voit lisätä materiaaleja tai toisen mittauskohdan. Mittaa veden lämpötila lämpömittarilla mittauksen alussa ja lopussa.
Osittain ohjattu. Vertailtava tekijä on materiaali. Päätä itse, millä suureella vertailet materiaaleja, mistä kohdista luet lämpötilat ja kuinka pitkään mittaat. Kirjaa päätöksesi perusteluineen.
Mieti ainakin näitä:
- Miten varmistat, että kaikkien kappaleiden pinnat säteilevät yhtä hyvin? Miksi pelkkä kiiltävän metallin kuvaaminen ei riitä?
- Miten tunnistat lämpökamerakuvasta kohdan, joka on etäisyydellä $x$? Voit käyttää mittakaavana esimerkiksi kappaleen tunnettua pituutta kuvassa.
- Veden lämpötila laskee mittauksen aikana. Miksi se ei haittaa vertailua, kun kaikki kappaleet ovat samassa astiassa, ja miten voit pienentää laskua?
- Kuinka kauan mittaus kestää, ja kuinka usein otat kuvan? Kokeile ennen varsinaista mittausta, kuinka nopeasti lämpö etenee nopeimmassa kappaleessa.
- Miksi lämpökameraa ei kannata pitää kädessä eikä kuvaajan pidä seistä kappaleiden takana?
- Näkyykö kappale kuvassa niin leveänä, että lukemasi kohta on kokonaan kappaleen päällä? Mitä lukemalle tapahtuu, jos kappale on kuvassa vain muutaman kuvapisteen levyinen?
- Kannen yläpuolinen lämmin ilma voi lämmittää kappaleita myös ulkopuolelta. Miten erotat sen johtumisesta, esimerkiksi huonosti johtavan kappaleen lukemista?
Mittaa
Kirjaa alkuperäiset mittaustulokset taulukkoon heti mittauksen aikana tai tallenna lämpökamerakuvat ja lue lämpötilat niistä jälkikäteen. Merkitse jokaiseen kuvaan, kuinka kauan lämmitys oli kestänyt.
Ota lämpökamerakuva heti, kun kappaleet on laskettu veteen, ja sen jälkeen minuutin välein noin kymmenen minuutin ajan. Voit käyttää esimerkiksi tällaista taulukkoa. Jos tutkit lisää materiaaleja, lisää niille omat sarakkeet.
| $t\ (\text{min})$ | $T_\text{kupari}\ ({}^\circ\text{C})$ | $T_\text{teräs}\ ({}^\circ\text{C})$ | $T_\text{puu}\ ({}^\circ\text{C})$ |
|---|---|---|---|
| $0$ | |||
| $1$ | |||
| $2$ | |||
| … |
Kun mittaus on valmis ja kappaleet ovat jäähtyneet huoneen lämpötilaan, toista mittaus niin, että kappaleiden järjestys astiassa on vaihdettu. Näin näet, johtuivatko erot materiaalista vai kappaleen paikasta astiassa tai kuvassa.
Testaa ennusteesi 2. Jätä ennen mittausta yhteen metallisauvaan lyhyt kohta ilman teippiä, mittauskohtien ulkopuolelle. Kun sauva on lämmennyt, ota kuva, jossa näkyvät sekä paljas kohta että sen vieressä oleva teipattu kohta, ja vertaa niiden lukemia. Älä koske sauvaan.
Muista mittausepävarmuus: arvioi, kuinka tarkasti luet lämpötilan kuvasta, ja kirjaa arvio ylös. Selvitä kameran ohjeesta, kuinka tarkaksi valmistaja ilmoittaa kameran lukeman. Tarvitsetko apua? → Mittaaminen ja mittauksen luotettavuus
Käsittele tulokset
Esitä tulokset kuvaajana tai kuvaajina, joista materiaalien erot näkyvät selvästi. Merkitse akseleille suureet ja yksiköt ja kerro, mitä materiaalia kukin kuvaaja tai pisteistö esittää. Tarvitsetko apua? → Graafinen esitys
Piirrä kuvaaja: pystyakselille lämpötila $T$ ja vaaka-akselille aika $t$, ja kaikki materiaalit samaan kuvaajaan eri merkein. Yhdistä saman materiaalin pisteet ohuella viivalla, jotta käyrät erottuvat toisistaan. Lue kuvaajasta lisäksi kunkin materiaalin lämpötilan nousu $T - T_0$ samana valittuna hetkenä.
Vastaa sitten:
- Missä järjestyksessä materiaalit lämpenivät? Onko järjestys sama eri mittauskohdissa ja toistoissa?
- Mitkä materiaalit erottuvat toisistaan selvästi ja mitkä eivät?
- Näkyykö lämpökamerakuvassa kohtia, joiden lukemaan et luota? Mistä ne voisivat johtua?
Kuvaajan piirtämiseen käytä Graphical Analysis Pro -ohjelmaa. Ruukkilabran ohjeet: Mittauspisteiden kuvaaja ja Taulukko ja lasketut sarakkeet. Lämpökameran käytössä noudata laitteen omaa käyttöohjetta.
Epävarmuus ja luotettavuus
Arvioi, kuinka suuri on vertailemasi suureen epävarmuus, ja päättele sen avulla, mitkä materiaalien erot ovat todellisia.
Lämpötilalukeman epävarmuuden $\Delta T$ voit arvioida esimerkiksi näin:
- Lukeman vaihtelu. Lue saman kohdan lämpötila samasta kuvasta muutaman kerran hieman eri pisteistä ja arvioi, kuinka paljon lukema vaihtelee.
- Toisto. Vertaa saman materiaalin tuloksia kahdessa toistossa. Ero kertoo, kuinka hyvin koko mittaus toistuu.
Kun vertaat lämpötilan nousua $T - T_0$, sen epävarmuus on lähtö- ja loppulukeman epävarmuuksien summa. Jos luet molemmat lukemat samasta kohdasta samalla kameralla, kameran tasovirhe eli kaikkiin lukemiin samansuuruisena vaikuttava poikkeama kumoutuu nousussa suurelta osin, joten lukeman vaihtelu on silloin tärkeämpi kuin kameran ilmoitettu tarkkuus. Kahden materiaalin tulokset eroavat selvästi, jos niiden ero on suurempi kuin niiden epävarmuuksien summa. Valmistajan ilmoittama kameran tarkkuus kuvaa lähinnä systemaattista virhettä, joka on samansuuntainen kaikilla samanlaisilla pinnoilla samassa kuvassa. Se vaikuttaa siksi enemmän yksittäisiin lämpötiloihin kuin materiaalien järjestykseen.
Pohdi sitten luotettavuutta konkreettisesti: olivatko kappaleiden pinnat, lämmitys ja paikat todella samanlaiset? Miten kappaleen pinta ja ympäristöstä heijastuva säteily ovat voineet vaikuttaa lukemiin? Olivatko virheet satunnaisia vai systemaattisia, ja muuttivatko ne kaikkien materiaalien tuloksia samaan suuntaan? Miten parantaisit mittausta?
Johtopäätökset
Vastaa tutkimuskysymykseen mittaustesi perusteella: mikä materiaali johtaa lämpöä tehokkaimmin, ja kuinka varmasti järjestys erottui epävarmuuden rajoissa? Kerro, mihin suureeseen vertailu perustui ja mitä muuta kuin lämmönjohtavuutta se saattoi mitata. Viittaa kuvaajaan, esimerkiksi "kuvaajasta 1 nähdään, että …". Vertaa tulosta ennusteeseesi: mikä osui oikeaan ja mikä ei? Ennusteeseen 3 vastaat laajennuksen avulla. Jos et tee laajennusta, kerro, mitä kuvaajasi loppuosa kertoo siitä.
Raportoi
Kirjoita työstä työselostus FY10:n työselostuspohjalla ja käy läpi sen kaikki osat. Kuvaajien ja tulosten esittämisessä auttaa ohje Kuvaajat ja tulokset työselostukseen. Tässä tutkimuksessa erityisen tärkeitä ovat nämä:
- Tutkimuskysymys ja tausta: mihin mitattavaan suureeseen materiaalien vertailu perustuu ja miksi.
- Koejärjestely ja menetelmä: mitä pidit vakiona ja miten varmistit, että lämpökamera mittasi kaikkia kappaleita yhtä luotettavasti.
- Mittaustulokset: taulukko tai tallennetut kuvat, joista lukemat on luettu, ja tieto siitä, milloin kukin kuva on otettu.
- Tulos: materiaalien järjestys ja kuvaaja, josta se näkyy.
- Luotettavuus: konkreettiset epävarmuuden lähteet, erityisesti pinnan vaikutus lämpökameran lukemaan, ja niiden vaikutuksen suunta.
Laajennus: lämpötila kappaleen eri kohdissa ja tasapainotila
Lämpökamerakuvasta näet saman hetken lämpötilan kappaleen kaikissa kohdissa yhtä aikaa. Lue yhdestä kuvasta kunkin kappaleen lämpötila useassa kohdassa ja piirrä lämpötila etäisyyden $x$ funktiona kaikille materiaaleille samaan kuvaajaan. Jatka sitten lämmitystä niin kauan, että lämpötilat eivät enää muutu, ja piirrä sama kuvaaja uudelleen.
Kun lämpötilat eivät enää muutu, kappale on energiatasapainossa: kappaleeseen johtuu lämmönlähteestä yhtä suuri teho kuin sen pinnasta siirtyy ympäröivään ilmaan Tarvitsetko apua? → Energiatasapaino. Silloin kappaleen lämpeneminen ei enää sido energiaa, joten aineen lämpökapasiteetti ei enää vaikuta lämpötiloihin. Kun kappaleiden muoto, koko ja pinta sekä lämmönlähteen ja ilman lämpötilat ovat samat, lämpötilat riippuvat vain siitä, kuinka hyvin aine johtaa lämpöä verrattuna siihen, kuinka paljon lämpöä pinnasta siirtyy ilmaan.
Vastaa: miten lämpötila muuttuu etäisyyden kasvaessa eri materiaaleissa? Saatko tasapainotilasta saman materiaalien järjestyksen kuin päämittauksesta? Miksi tasapainotilan vertailu kertoo lämmönjohtavuudesta suoremmin kuin vertailu lämmityksen alkuvaiheessa?
Vihjeitä. Tasapainotilan saavuttaminen voi kestää kauan, joten pidä veden lämpötila mahdollisimman vakiona, esimerkiksi lisäämällä kuumaa vettä tai käyttämällä suurta vesimäärää. Tasapainotilan tunnistat siitä, että peräkkäisten kuvien lukemat eivät enää muutu enempää kuin lukeman epävarmuus.
Arvioi omaa työtäsi
Arvioi työtäsi työselostuspohjan muistilistalla ja vastaa lisäksi:
- Pystyisikö toinen ryhmä toistamaan mittauksesi kuvauksesi perusteella?
- Perustuuko johtopäätöksesi kuvaajaan ja mittaustuloksiin vai siihen, mitä odotit?
- Mitä tekisit toisin, jos aloittaisit alusta?
Opettajalle
Valmistelu. Kokeile koko mittaus etukäteen koulun lämpökameralla ja kappaleilla. Kappaleiden on oltava samanmuotoisia ja samankokoisia, mieluiten täysiä sauvoja tai samanpaksuisia liuskoja. Valitse muovi, joka kestää käyttämäsi veden lämpötilan pehmenemättä, ja ilmoita opiskelijoille veden lämpötila. Valmista eristävä kansi, esimerkiksi reiällinen solumuovilevy, joka pitää kappaleet yhtä syvällä ja suojaa kameran näkymää vedenpinnalta nousevalta höyryltä. Varaa samanlaista mattapintaista teippiä tai maalia, ja tarkista, että teippi kestää veden lämpötilan. Selvitä, miten kamerasta saadaan kuvat tietokoneelle ja miten yksittäisen kohdan lämpötila luetaan kuvasta, sekä mikä on kameran valmistajan ilmoittama tarkkuus. Kokeilun perusteella näet, kuinka kauan mittaus kestää ja kuinka kauan kappaleiden jäähtyminen ennen toistoa vie; tasapainotilaa tutkiva laajennus vie selvästi pidempään kuin päämittaus. Arvio ohjatulle työtavalle: valmistelu ja teippaus noin 20 minuuttia, yksi mittauskerta noin 10 minuuttia, kappaleiden jäähtyminen ennen toistoa vielä noin 15–20 minuuttia ja lukemien lukeminen kuvista ja kuvaaja noin 30 minuuttia, eli yhteensä noin kaksi 75 minuutin oppituntia ilman työselostuksen kirjoittamista. Tarkista ajat omalla kokeilullasi.
Tavallisia virhekäsityksiä ja ongelmia.
- Kiiltäviä metallipintoja kuvataan sellaisenaan. Lukema voi olla lähellä ympäristön lämpötilaa, ja kuvassa voi näkyä heijastuneena kuvaaja itse. Ongelma on hyvä näyttää ryhmille ennen mittausta.
- Lämpökameran värejä tulkitaan lämpötiloiksi katsomatta asteikkoa. Monet kamerat skaalaavat väriasteikon automaattisesti jokaiseen kuvaan, joten sama väri voi tarkoittaa eri kuvissa eri lämpötilaa.
- Ajatellaan, että kamera näkee astian tai lasin läpi. Lasiastian seinä näkyy kuvassa omana lämpötilanaan.
- Vertailu tehdään kappaleista, jotka ovat eri syvyydellä vedessä tai eri etäisyydellä kamerasta, tai lämpötilat luetaan eri korkeuksilta.
- Lämpenemisen nopeutta pidetään suoraan lämmönjohtavuuden mittana. Lämmityksen alkuvaiheessa lämpenemiseen vaikuttaa myös aineen lämpökapasiteetti, joten mittaus vertaa lämmön etenemisen nopeutta. Laajennuksen tasapainotilassa lämpökapasiteetti ei enää vaikuta.
- Ajatellaan, että hyvä johde tuntuu kylmältä, koska se on kylmempi. Huoneenlämpöiset kappaleet ovat samassa lämpötilassa, ja ero tuntuu, koska hyvä johde johtaa lämpöä kädestä nopeammin pois.
- Veden jäähtyminen mittauksen aikana tulkitaan virheeksi, joka pilaa vertailun. Kun kappaleet ovat samassa astiassa, se vaikuttaa kaikkiin samalla tavalla, mutta tasapainotilan tutkimisessa vesi on pidettävä mahdollisimman vakiolämpöisenä.
Eriyttäminen. Ohjatussa työtavassa sivu esittää kolme vaihtoehtoista vertailusuuretta, joista opiskelija valitsee, ja antaa materiaalit, mittauskohdan, aikataulun, taulukon ja kuvaajan akselit; ohjattu mittaus on rajattu kolmeen materiaaliin ja yhteen mittauskohtaan, ja lisämateriaalit ovat valinnaisia. Osittain ohjatussa opiskelija päättää vertailusuureen, mittauskohdat ja keston. Itsenäisessä työtavassa sivu antaa tutkimuskysymyksen, välineet ja fysiikan periaatteet, mukaan lukien lämpökameran toimintaperiaatteen: opiskelija suunnittelee vertailun ja pintojen käsittelyn itse, ja laajennus kuuluu työhön. Työ sopii opintojakson alkuun tutkimuskysymyksen muuttamisen harjoitteluun, koska vertailusuureen voi valita monella perustellulla tavalla.
Turvallisuus. Kuuma vesi ja lämmenneet kappaleet voivat aiheuttaa palovammoja, ja metallisauva lämpenee myös kannen yläpuolelta. Kappaleita käsitellään suojakäsineillä tai pihdeillä, ja kuuman veden astia sijoitetaan tukevasti. Jos lämpökamerassa on laserosoitin, sitä ei suunnata kenenkään silmiin.