Termometro ad acqua colorata

Cosa imparerà

• Che i liquidi si dilatano quando si scaldano e si contraggono quando si raffreddano, e che alcuni (l'alcol) si dilatano molto più di altri (l'acqua).
• Che un tubo stretto «amplifica» una variazione di volume minuscola (0,14 ml per grado) fino a trasformarla in millimetri visibili.
• Come si tara uno strumento con due punti di riferimento e una proporzione (scala lineare).
• Che un termometro ci mette un po' a «mettersi alla temperatura» e che al sole misura il proprio riscaldamento, non quello dell'aria.

Prepara prima

• Stampa la scala B al 100 % e verifica con un righello che dal segno 0 al segno 150 ci siano 150 mm.
• Togli l'etichetta dalla bottiglia (acqua tiepida) per vedere bene il liquido.
• Lascia l'acqua e l'alcol 1 ora nella stessa stanza perché siano a temperatura ambiente.
• Fora il tappo prima della sessione se i bambini sono piccoli.
• Prepara un posto all'ombra e lontano dai termosifoni dove lasciare il termometro.

Materiali e attrezzi

• Bottiglietta di plastica con tappo a vite — 1
  330 ml (acqua o bibita), liscia e trasparente, tappo standard da 28–30 mm
• Cannuccia trasparente — 1 (+1 di ricambio)
  dritta, Ø esterno 6 mm (interno ≈ 5,5 mm), lunga almeno 210 mm
• Alcol da farmacia — 165 ml
  etilico a 96° o isopropilico al 70 % (di farmacia)
• Acqua del rubinetto — 165 ml + 2 l per il bagno di taratura
  a temperatura ambiente
• Colorante alimentare — 4–5 gocce
  rosso o blu, liquido
• Plastilina — 1 pallina di Ø 20 mm
  morbida, non secca
• Carta e cartone per la scala — 1 foglio A4 + 1 striscia di cartone di 30 × 170 mm
  carta da stampante; cartoncino sottile delle scatole di cereali
• Nastro adesivo trasparente — 30 cm
  per fissare la scala alla cannuccia
• Termometro di riferimento — 1
  uno qualsiasi di casa: da ambiente, da cucina o digitale per la febbre (quest'ultimo misura l'acqua tra 32 e 42 °C)

Attrezzi

• Punteruolo o chiodo da 3 mm — fare il foro iniziale al centro del tappo adulto
• Forbici a punta — allargare il foro ruotandole fino a 6 mm e ritagliare la scala adulto
• Imbuto e caraffa graduata — misurare 165 + 165 ml e riempire la bottiglia
• Contagocce o siringa senza ago — regolare il livello del liquido nella cannuccia
• Pentola o bacinella da 3–5 l — bagno d'acqua per la taratura
• Righello — misurare le altezze nella cannuccia
• Colla stick — incollare la scala di carta B sul supporto di cartone A

Pezzi e sagome

• A · Supporto della scala ×1 — cartoncino sottile (scatola di cereali)
• B · Scala millimetrata ×1 — carta
• C · Centratore del foro del tappo ×1 — carta
• D · Cannuccia ×1 — cannuccia trasparente Ø 6 mm

Passo passo

1. Segna il centro del tappo

   Ritaglia il centratore C, mettilo sopra il tappo e segna il centro con un pennarello. Verifica anche che la cannuccia misuri almeno 210 mm e traccia una linea a 60 mm da un'estremità.

2. Fora il tappo adulto

   Appoggia il tappo su una tavoletta e foralo sul segno con un punteruolo o un chiodo da 3 mm. Infila la punta di un paio di forbici e ruotale finché il foro misura 6 mm: la cannuccia deve entrare stretta, senza gioco.

   Verifica: Tieni il tappo capovolto con la cannuccia infilata: non deve cadere.
   Trucco: Prova con la cannuccia ogni mezzo giro: meglio che entri giusta che lenta.

3. Infila la cannuccia e sigillala

   Infila la cannuccia nel foro da fuori fino alla linea dei 60 mm (quella parte resta dentro la bottiglia). Circonda la cannuccia con un anello di plastilina di Ø 20 mm e schiaccialo bene contro il tappo e la cannuccia.

   Verifica: Soffia piano nella cannuccia chiudendo il lato di sotto con il dito: non deve uscire aria dalla plastilina.

4. Prepara il liquido adulto

   In una caraffa mescola 165 ml d'acqua e 165 ml di alcol da farmacia. Aggiungi 4–5 gocce di colorante e mescola. Il miscuglio deve avere un colore intenso per vederlo bene dentro la cannuccia.

   Trucco: Fallo in un posto ventilato e lontano da fiamme: l'alcol è infiammabile.

5. Riempi la bottiglia fino all'orlo

   Con l'imbuto, riempi la bottiglia da 330 ml finché il liquido tocca il bordo dell'imboccatura. Dai dei colpetti alla bottiglia con il dito perché salgano le bolle e riempi di nuovo fino all'orlo.

   Verifica: Guardando di lato, il liquido deve formare una piccola «cupola» sull'imboccatura.

6. Avvita il tappo piano

   Metti il tappo con la cannuccia e avvitalo molto piano sopra un piatto. Il liquido in eccesso sale nella cannuccia. Stringi il tappo del tutto; se il liquido arriva a traboccare dall'alto, fermati, togline un po' con il contagocce e continua.

   Verifica: Sotto il tappo non deve restare nessuna bolla d'aria (guarda dal basso). Se c'è, svita, riempi e ripeti.

7. Regola il livello iniziale

   Con il liquido a temperatura ambiente, porta il livello a circa 50–60 mm sopra il tappo. Se è più alto, togli liquido dall'alto della cannuccia con il contagocce; se è più basso, aggiungi gocce dalla cannuccia.

   Trucco: A 50–60 mm avrai margine per misurare da ≈ 10 °C fino a ≈ 35 °C con i 150 mm di cannuccia.

8. Monta la scala

   Incolla la scala B sul supporto di cartone A con la colla stick, con il bordo inferiore di B (lo 0) esattamente sulla piega di A. Piega indietro la linguetta da 10 mm, mettila sul tappo dietro la cannuccia e fissa la striscia alla cannuccia con due pezzi di nastro (in alto e a metà altezza).

   Verifica: Lo 0 della scala (la piega) deve essere esattamente all'altezza del bordo superiore del tappo, senza spazio.

9. Primo punto di taratura: la stanza

   Lascia il termometro 45 minuti all'ombra, accanto a un termometro di casa, senza toccare la bottiglia. Segna sulla scala, con una tacca, l'altezza del liquido e scrivi accanto la temperatura del termometro di riferimento (per esempio, 19 °C).

   Trucco: Non afferrare la bottiglia per leggere: il calore della mano e la stretta fanno salire il liquido. Prendilo per il tappo.

10. Secondo punto: il bagno tiepido

    Riempi una pentola con acqua 8–10 °C più calda della stanza (circa 28–30 °C, tiepida al tatto). Immergi la bottiglia fino alla spalla, aspetta 20 minuti mescolando ogni tanto e misura l'acqua con il termometro di riferimento. Segna la nuova altezza e scrivi quella temperatura.

    Verifica: Il liquido deve essere salito di circa 5–7 mm per ogni grado di differenza. Se è salito meno di 2 mm per grado, dentro c'è aria o il miscuglio ha poco alcol.

11. Distribuisci i gradi

    Misura con il righello la distanza tra i due segni e dividila per la differenza di temperatura: così ottieni i millimetri per grado (≈ 6). Traccia una tacca per ogni grado tra i segni e continua con la stessa distanza verso l'alto e verso il basso.

    Trucco: Esempio: 19 °C a 54 mm e 28 °C a 108 mm → 54 mm / 9 °C = 6 mm per grado.

12. Verifica il tuo termometro

    Il giorno dopo, lascia il tuo termometro e quello di riferimento insieme in un altro punto della casa per 45 minuti e confronta le due letture. Se differiscono di più di 2 °C, ripeti la taratura.

Funziona? La prova

Metti il termometro tarato accanto a uno di riferimento in una stanza, all'ombra, e leggilo ogni 30 minuti per una mattina. Poi portalo in un posto più fresco (ingresso, terrazzo all'ombra) e aspetta 45 minuti.

Cosa deve succedere: Le letture coincidono con il termometro di riferimento con un errore di ±1–2 °C. Una variazione di 3 °C nella stanza sposta il liquido di circa 18 mm. Se si tiene la bottiglia in mano per 1 minuto, il liquido sale di diversi millimetri (e scende quando la si lascia).

Se qualcosa non va

• Il liquido non sale nella cannuccia quando avviti — La bottiglia non era piena fino all'orlo o l'aria esce dalla plastilina. Soluzione: Riempi fino a formare una cupola sull'imboccatura e schiaccia di nuovo la plastilina contro il tappo e la cannuccia.
• Il livello sale e scende tantissimo quando tocchi la bottiglia — Dentro c'è una bolla d'aria (l'aria si dilata 15 volte più del liquido) oppure stai stringendo la bottiglia. Soluzione: Svita, riempi fino all'orlo senza bolle e leggi la bottiglia senza toccarla.
• Si muove appena con il calore — Solo acqua (si dilata quasi quanto la bottiglia) o cannuccia molto grossa. Soluzione: Usa il miscuglio 1:1 con alcol e una cannuccia di Ø 6 mm o più sottile.
• Il livello scende a poco a poco nel corso dei giorni — L'alcol evapora dalla punta aperta della cannuccia. Soluzione: Chiudi la punta della cannuccia con un pezzetto di pellicola trasparente bucata con uno spillo (lascia passare l'aria ma frena l'evaporazione).
• Il liquido trabocca dall'alto — Livello iniziale troppo alto oppure il termometro è stato messo al sole. Soluzione: Togli 1–2 ml con il contagocce e ripeti la taratura. Non lasciarlo al sole diretto.
• Il liquido sparisce dentro il tappo — Fa più freddo della temperatura più bassa della scala. Soluzione: Aggiungi gocce dalla cannuccia per alzare il livello e ritara, oppure usa il termometro solo al chiuso.

Sicurezza

• L'alcol è infiammabile: lo mescola un adulto, lontano da fiamme, candele e fornelli accesi. Tieni il termometro lontano da termosifoni e stufe.
• L'alcol è tossico se bevuto: metti sulla bottiglia l'etichetta «NON BERE» e non lasciarla alla portata dei bambini piccoli.
• Il punteruolo o il chiodo li usa un adulto, con il tappo appoggiato su una tavoletta, mai in mano.
• Alla fine, svuota il miscuglio nello scarico con abbondante acqua; non riutilizzarlo per bere né per cucinare.
• Se usi il termometro fuori in inverno, il miscuglio con alcol non gela fino a ≈ −20 °C, ma l'acqua da sola sì: a 0 °C può far scoppiare la bottiglia.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando qualcosa si scalda, le sue particelle minuscole si muovono più in fretta e si spingono tra loro, così hanno bisogno di un po' più di spazio. Il liquido della bottiglia cresce un pochino quando si scalda, ma siccome la bottiglia è piena, l'unico posto libero è la cannuccia: il liquido sale lì dentro. Quando si raffredda, le particelle si calmano, occupano meno spazio e il liquido scende. L'alcol è più «irrequieto» dell'acqua, per questo con l'alcol il termometro si muove di più.

Per l'adulto

All'aumentare della temperatura, l'agitazione termica aumenta la distanza media tra le molecole e il liquido si dilata secondo ΔV = β·V·ΔT. A 20 °C, β(acqua) ≈ 2,1 × 10⁻⁴ °C⁻¹ e β(etanolo) ≈ 1,1 × 10⁻³ °C⁻¹; un miscuglio 1:1 è intorno a 6–7 × 10⁻⁴ °C⁻¹. Anche il recipiente si dilata: il PET ha un coefficiente cubico ≈ 2 × 10⁻⁴ °C⁻¹, praticamente uguale a quello dell'acqua, per questo un termometro ad acqua in una bottiglia di plastica quasi non si muove. Con il miscuglio, la dilatazione apparente è ≈ 4 × 10⁻⁴ °C⁻¹; in 330 ml corrisponde a ≈ 0,14 ml per grado, che in una cannuccia di 5,5 mm di diametro interno (23,8 mm²) sono ≈ 6 mm/°C. È lo stesso principio del termometro ad alcol: serbatoio grande + capillare stretto. La scala è lineare perché β varia poco tra 10 e 35 °C; si tara con due punti fissi (nei termometri veri, 0 °C e 100 °C). La costante di tempo è lunga (≈ 15 min in acqua, > 30 min in aria) a causa della massa termica di 330 g di liquido. Se resta aria intrappolata, lo strumento diventa un termoscopio a gas (β dell'aria ≈ 3,4 × 10⁻³ °C⁻¹), molto più sensibile ma anche sensibile alla pressione atmosferica, come il termoscopio di Galileo (1593).

• dilatazione: aumento di dimensioni di un materiale quando si scalda.
• contrazione: diminuzione di dimensioni quando si raffredda.
• tarare: confrontare uno strumento con un altro affidabile per mettere i numeri giusti sulla sua scala.
• capillare: tubo molto stretto; al suo interno, una piccola variazione di volume si vede come una grande salita.
• equilibrio termico: quando due cose a contatto raggiungono la stessa temperatura e smettono di cambiare.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto fora il tappo, mescola l'alcol e riempie la bottiglia. Il bambino mette la plastilina, avvita piano guardando salire il liquido e fa le tacche sulla scala. Usa solo le parole «più freddo/più caldo», senza gradi.
• 8–10 anni: Fanno tutti i passaggi tranne il punteruolo e l'alcol. Lascia che calcolino i millimetri per grado con la proporzione e leggano il termometro ogni ora.
• 11–12 anni: Lascia che confrontino acqua, miscuglio e solo alcol, misurino la sensibilità in mm/°C di ciascuno e calcolino il coefficiente di dilatazione apparente (ΔV = sezione × salita). Sfida: stimare l'errore del loro termometro rispetto a quello di riferimento.

In gruppo o in classe

Squadre di 3, un termometro per squadra (bottiglie uguali da 330 ml). L'adulto prepara prima 2 l di miscuglio acqua-alcol colorato in una bottiglia grande con etichetta e fora tutti i tappi. Sessione 1 (45 min): montaggio e primo punto di taratura, lasciando i termometri insieme su un tavolo con un termometro di riferimento. Sessione 2 (30 min): bagno tiepido comune in una bacinella grande con termometro e distribuzione dei gradi. Poi ogni squadra mette il suo termometro in un punto diverso della scuola (aula, corridoio, finestra, cortile all'ombra) e si confrontano le letture.

Sfide

• Fai il termometro più sensibile della classe: che cosa cambieresti (bottiglia più grande, cannuccia più sottile, più alcol)? Misura i suoi mm/°C.
• Costruisci una «capannina meteorologica» di cartone bianco con fessure per misurare la temperatura esterna senza che le batta il sole.
• Usa una bottiglietta di vetro e confronta la sua sensibilità con quella della bottiglia di plastica. Perché cambia?
• Fai una scala in gradi Fahrenheit accanto a quella in Celsius (°F = °C × 1,8 + 32).

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