Laboratório virtual de radiação infravermelha: superfícies

Este laboratório virtual de radiação infravermelha corresponde à prática obrigatória do AQA GCSE Physics sobre como a natureza de uma superfície afeta o infravermelho que ela emite e absorve. Na parte A, os alunos viram cada face de um cubo de Leslie com água quente para um detector de infravermelho e registram as leituras. Na parte B, um aquecedor esquenta uma placa preto fosco e uma placa prateado brilhante, e os alunos cronometram quanto tempo um percevejo preso com cera leva para cair de cada uma. Eles terminam com um gráfico de barras da emissão, dois tempos de absorção e uma discussão sobre teste justo.

Alinhamento com o currículo

• AQA GCSE Physics (8463) 4.6.2.2 e a prática obrigatória 10: como o tipo de superfície afeta quanta radiação infravermelha ela emite e absorve. No Combined Science: Trilogy o mesmo conteúdo é o 6.6.2.2.
• Também apoia a ideia, só do curso de Physics, de que um bom absorvedor também é um bom emissor (4.6.3.1).

O Simulic não é afiliado à AQA nem endossado por ela.

Antes do laboratório (5 min)

Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:

"As quatro faces do cubo estão à mesma temperatura. Como vão se comparar as leituras do detector para preto fosco, branco fosco, prateado fosco e prateado brilhante?"

A maioria dos alunos espera que o branco emita tão pouco quanto o prateado brilhante.

Método na simulação

1. Abra a aba A. Emissão – cubo de Leslie. Deixe Temperatura ambiente em 20 °C, Água quente em 80 °C, Distância do detector em 10 cm e Velocidade em ×5.
2. Clique em Zerar detector. O rótulo do medidor muda para "zerado".
3. Escolha Preto fosco. Clique em Repor água quente, espere cerca de 5 segundos por uma leitura estável e depois clique em Registrar resultado.
4. Repita o passo 3 para Branco fosco, Prateado fosco e Prateado brilhante. Medir 4 faces automaticamente faz o mesmo por você. Todas as linhas do painel de teste justo devem ficar marcadas.
5. Abra a aba B. Absorção – percevejos e cera. Ajuste Aquecedor em 1500 W e Distância placa–aquecedor em 6 cm. Escolha ×20 se o tempo for curto. Clique em Ligar aquecedor e espere os dois percevejos caírem. A tabela registra os dois tempos.
6. Clique em Nova rodada e repita com 2000 W e 4 cm, e depois com 1000 W e 6 cm.

Face (80 °C, 10 cm, zerado)	Preto fosco	Branco fosco	Prateado fosco	Prateado brilhante
Leitura do detector (mV)
% do preto fosco	100

Aquecedor (W)	Distância (cm)	Queda do percevejo, preto fosco (s)	Queda do percevejo, prateado brilhante (s)
1500	6
2000	4
1000	6

Resultados esperados

Todas as leituras vêm da simulação, cujas emissividades e números do aquecedor são valores didáticos. O último dígito do medidor oscila cerca de 0,01 mV.

• Emissão a 80 °C e 10 cm: preto fosco 2,12 mV, branco fosco 2,01 mV, prateado fosco 0,56 mV, prateado brilhante 0,15–0,16 mV. O prateado brilhante dá cerca de 7 % da leitura do preto, e o branco fosco 95 %.
• Zerar faz diferença. Sem zerar, toda leitura carrega 0,35 mV a mais: o preto marca 2,48 e o brilhante 0,51, então o brilhante parece dar 21 % do preto em vez de 7 %.
• A água esfria cerca de 0,4 °C por minuto simulado a 80 °C. O painel de teste justo aponta uma diferença de mais de 2 °C.
• Absorção: com 1500 W e 6 cm, o percevejo preto cai depois de 23 s e o brilhante depois de 243 s, cerca de 10 vezes mais tempo. Com 2000 W e 4 cm: 14 s e 90 s. Com 1000 W e 6 cm, o percevejo preto cai depois de 32 s, mas a placa brilhante se estabiliza em 54,6 °C, logo abaixo do ponto de fusão da cera, 55 °C, então o percevejo dela nunca cai.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Como vão se comparar as leituras das quatro faces?
2. Quais grandezas precisam ficar iguais enquanto você compara as quatro faces?
3. A 80 °C e 10 cm, com o detector zerado e a água reposta, quanto o detector marca para a face preto fosco?
4. Com 1500 W e 6 cm, quantas vezes mais tempo o percevejo do prateado brilhante leva para cair que o do preto fosco?
5. Um aluno registra primeiro a face preto fosco e dez minutos depois a face prateado brilhante, sem repor a água. Por que isso não é justo, e como você melhoraria?

Respostas para o professor: (1) Preto fosco o maior, branco fosco quase tão alto, prateado fosco bem menor, prateado brilhante o menor. (2) A temperatura da água e a distância da face ao detector (e a temperatura ambiente). (3) 2,12 mV (aceite 2,05–2,16). (4) 243 ÷ 23 ≈ 10,6 (aceite 9,5–11). (5) A água esfria cerca de 4 °C, então a leitura do brilhante fica baixa demais por um motivo que não tem relação com a superfície. Reponha a água ou registre todas as faces rapidamente, confira a temperatura da água a cada vez e mantenha a distância fixa.

Erros conceituais comuns

• "Superfícies brancas são más emissoras." Nos comprimentos de onda longos do infravermelho emitido pela água morna, a tinta branca se comporta quase como a preta: 2,01 mV contra 2,12 mV. O metal brilhante é que é mau emissor.
• "O prateado brilhante não absorve nada." Ele ainda absorve cerca de um décimo da radiação do aquecedor, então o percevejo dele cai com 1500 W, só que dez vezes mais tarde.

Extensão

• Distância. Com a face preto fosco, a leitura é 4,93 mV a 5 cm, 2,12 a 10 cm e 0,65 a 20 cm. Dobrar de 10 para 20 cm deixa cerca de 31 %, e não os 25 % da lei do inverso do quadrado. Pergunte por que uma face grande perto do detector não segue a lei exatamente.
• Teste do limiar. Ache a menor potência do aquecedor a 6 cm que ainda derruba o percevejo brilhante em até 1200 s (na simulação: 1100 W, depois de cerca de 527 s). Os alunos explicam por que a temperatura da placa se estabiliza: o infravermelho absorvido equilibra o calor perdido.

Perguntas frequentes

Por que a simulação tem um botão "Zerar detector"?

Uma termopilha real sofre deriva e capta radiação da sala. Sem zerar, a face brilhante parece três vezes melhor do que é.

Os alunos podem usar o resultado do branco fosco numa prova?

Ensine primeiro o ponto cobrado na prova: o preto fosco é o melhor emissor e absorvedor, o prateado brilhante o pior. Depois use o resultado do branco para discutir o comprimento de onda, como faz a nota abaixo da simulação.

Isso substitui a prática real?

Não para a AQA: as práticas obrigatórias ainda precisam ser feitas à mão. Use a simulação para planejar, ensaiar ou analisar os resultados. Veja laboratórios virtuais vs. laboratórios reais.

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