Zahřívání povrchů různých barev zářením

Pokus číslo: 1653

Cíl pokusu
Ukážeme, že různé části papírové čtvrtky se vlivem dopadu viditelného světla a infračerveného záření zahřívají různě rychle v závislosti na tom, jakou barvou jsou opatřeny.
Teorie
Interakce těles s elektromagnetickým zářením je dominantně ovlivněna vlastnostmi povrchů těchto těles – právě struktura povrchu rozhoduje o tom, zda je dopadající záření materiálem pohlceno (absorbováno), či nikoliv. Tak například zlidověl poznatek, že černé oblečení se za slunečného dne zahřívá více než tričko bílé, protože pohlcuje více záření.

V našem experimentu nahradíme Slunce lampičkou s klasickou žárovkou a oblečení čtvrtkou papíru s různobarevnými pruhy. Naším cílem bude sledovat, která barevná oblast se díky žárovce zahřeje nejvýrazněji. Přitom je třeba si uvědomit, že na růstu teploty povrchu se – stejně jako v případě slunečného dne – podílí nejenom dopad viditelného světla, ale také dopad infračerveného záření. Zahřívání, který pozorujeme, je výsledkem společného působení těchto dvou vlivů.
Pomůcky
Termovizní kamera, čtvrtka s vytištěnými pruhy různých barev (viz obrázek níže), klasická žárovka (v tomto experimentu s výkonem 40 W).
Postup
Položíme čtvrtku s barevnými pruhy na stůl a ze vzdálenosti řádově desítek centimetrů na ni svítíme klasickou žárovkou (viz video v následující sekci). Termovizní kamerou pozorujeme, jakým způsobem se mění teplota jednotlivých barevných proužků.
Vzorový výsledek
Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Je patrné, že významněji se zahřívají pouze dva nejtmavší odstíny, zatímco plochy ostatních barev nárůst teploty téměř nevykazují.

Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 21 °C až 28 °C, emisivita ε = 0,95.
Technické poznámky
Pozor! Budete-li tisknout barevnou čtvrtku na inkoustové či laserové tiskárně, nedělejte to bezprostředně před předváděním pokusu. Čerstvě potištěný papír je obvykle ještě navlhlý barvami, které se pozvolna odpařují a tím barevný povrch ochlazují. Tento rušivý efekt pak může měření významně znevěrohodnit.
Metodické poznámky
- Z fyzikálního úhlu pohledu je vlastně zavádějící hovořit o tom, že povrch předmětu má nějakou barvu, a proto pohlcuje nebo odráží daný druh záření. Tuto myšlenku bychom měli totiž formulovat spíše obráceně – povrchy vždy nějakou část záření pohlcují, nějakou část odrážejí, a právě složení odraženého viditelného záření vzbuzuje v našem oku vjem, který označujeme jako barva. Barva tedy není příčinou odrážení/pohlcování záření, ale jeho důsledkem.
- Při vytváření barevných pruhů je vhodné umístit tmavé, nejvíce se zahřívající pruhy na okraje čtvrtky. Pokud je umístíme doprostřed, riskujeme oprávněné reakce žáků, že tyto barvy se zahřívají nejvýrazněji jednoduše proto, že jsou žárovce nejblíže. Pokud zvolíme uspořádání jako ve vzorovém videu, nemůže se tato argumentace objevit.
- Během pilotování této úlohy se ukázalo, že vizualizace pomocí termovizní kamery svádí k jedné relativně časté dezinterpretaci – totiž představě, že barevný proužek se chová téměř jako proužek kovu, jako tepelný vodič. Jinak řečeno, postupné zahřívání proužku si někteří žáci představovali jako vedení tepla proužkem, nikoliv postupné přijímání energie zářením. Tuto miskoncepci můžeme snadno vyvrátit tak, že jednu polovinu délky proužků zastíníme nějakou překážkou (viz video níže).
  
  Pokud by proužky fungovaly na principu vedení tepla, neměla by překážka nic ovlivnit, nijak vedení nenarušuje. Protože ve stíněné oblasti ale k zahřívání žádných proužků nedochází, prokázali jsme tak, že jde skutečně o přenos energie výhradně zářením.
Základy práce s termovizní kamerou – odkaz na PDF
Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.