Mobil Lab 1. Lærervejledning

Transkript

1 Mobil Lab 1 Lærervejledning I traileren finder du i alt fire forskellige øvelser: 1. Isoleret kasse temperatur, luftfugtighed og effekt: Eleverne skal beregne deres basale energiomsætning i en isoleret kasse ved at måle temperaturændring og luftfugtighed samt måle hvordan sammensætningen af ilt og kuldioxid ændres. 2. Kondicykel ilt, åndedræt og energi: Eleverne kan her beregne iltforbrug ved forskellig belastning ved at måle iltkoncentrationen i udåndingsluften samt lungeventilationen. 3. Cykelrace puls, effekt og hastighed: Eleverne kan her cykle om kap i et virtuelt landskab og opleve, hvordan kroppen reagerer forskelligt på belastningen. 4. GPS position, bevægelse og puls: Eleverne bliver her udstyret med hvert sit gps- og pulsur og sendt ud på tur for at løse forskellige opgaver. Der findes i alt 5 skærme til denne arbejdsstationen og 10 GPS ure.

2 De fire øvelser i traileren tager ikke lige lang tid, og grupperne arbejder selvfølgelig i deres eget tempo. Det gør logistikken til en udfordring. I øvelsen cykelrace skal to grupper konkurrere fra hver sin arbejdsstation, derudover findes kan der i øvelsen GPS være flere hold afsted på én gang. Disse to øvelser er noget mere tidkrævende end de to andre. Hvis man arbejder med seks grupper (A-F), kan en tidsplan se ud som følger: Gruppe 1. periode 2. periode 3. periode 4. periode 5. periode 6. periode Gruppe A Gruppe B Gruppe C Kondicykel Isoleret kasse Gruppe D Isoleret kasse Kondicykel GPS 1 GPS 1 Kondicykel Isoleret kasse GPS 2 GPS 2 Isoleret kasse Kondicykel Gruppe E GPS 1 GPS 1 Kondicykel Isoleret kasse Gruppe F GPS 2 GPS 2 Isoleret kasse Kondicykel Perioder kan fx have en varighed på minimum 30 minutter GPS 1 GPS 1 GPS 2 GPS 2

3 1 - Isolerede kasse temperatur, luftfugtighed og effekt Eleverne skal beregne deres basale energiomsætning i en isoleret kasse ved at måle temperaturændring og luftfugtighed samt måle hvordan sammensætningen af ilt og kuldioxid ændres. Kroppen kan komme af med varmeenergi på fire måder: fordampning af sved, strålingsvarme, konvektion (opvarmning af forbipasserende luft) og varmeledning (ved direkte kontakt med omgivelserne). I fysik vil man være påpasselig med at pointere at varme er energi som går mellem steder med forskellig temperatur. Varme går altid fra det sted med højest temperatur (personen) til et sted med lavere temperatur (den isolerede kasse). I den isolerede kasse kan vi estimere strålingsvarme, konvektion og varmeledning fra forsøgspersonen ved at måle den resulterende temperaturstigning og sammenligne den med temperaturstigningen, vi får ved at varme kassen op med lyspærer med kendt effekt. Kassen er kalibreret, og i øvelsesvejledningen, som eleverne skal følge på den trykfølsomme skærm, er der en kalibreringskurve i form af effekt som funktion af slut-temperaturen. Fordampning af sved er en endoterm (=energikrævende) proces. Så længe den relative luftfugtigheden er mindre end 100 %, vil kroppen afgive energi til omgivelserne ved fordampning. I termofysikken, kaldes dette for fordampningsvarme (Lf). Fordampningsvarmen er temperaturafhængig, men ved kropstemperatur er den 2,4 kj/g for vand. Vand: H 2 O(l) -> H 2 O(g), L f = 2,4 kj/g I øvelsesvejledningen, som eleverne skal følge på den trykfølsomme skærm, bliver massen af fordampet vand automatisk beregnet, og det samme gør den energi og effekt det fordampede vand tilsvarer. Koncentrationen af ilt og kuldioxid i kasse vil samtidig ændre sig som følge af cellernes respiration: C 6 H 12 O O 2 -> 6 CO H 2 O + energi Iltindholdet falder, mens kuldioxidindholdet stiger så længe forsøgspersonen respirerer i kassen.

4 Forhold, man skal være specielt opmærksom på 1. Døren ind til kassen må under ingen omstændigheder blokeres. Dog er der en nødudgang i top-pladen. Denne plade er ikke fastmonteret, men kan i nødstilfælde løftes af personen inde i kassen. Det er vigtigt, at man bagefter er omhyggelig med genplacering af låget, sådan at beklædningen på indersiden ikke kommer i klemme. 2. Hvis indetemperaturen i traileren er lav når man starter, vil det tage noget tid inden kassen er varmet op. De første målinger vil derfor give nogle lave slut-temperaturer i forhold til de forhold, kalibreringskurven er lavet under. 3. Kuldioxid-sensoren kan indstilles på to måleintervaller. Den bør sættes på den største skala. Udåndingsluft indeholder forholdsvis høje koncentrationer af CO 2. Tekniske forhold ved sensorer, herunder kalibrering Det er normalt ikke nødvendigt at kalibrere sensorerne. Hvis eleverne reagerer på for høje/ lave værdier i kassen, kan det skyldes, at der er gammel luft inde i dem. Man skal altså ikke forvente at det er 20,9 % O 2 og 400 ppm CO 2 når målingerne starter. Hvis man alligevel skulle få brug for at kalibrere, gøres således: Kuldioxid-sensoren benytter infrarød stråling til måling af CO 2 -koncentrationen og skal derfor have tid til at varme op ca. 1½ minut. Vi ser ofte at CO 2 -niveauet inde i lokaler med mange mennesker kan komme op på ppm. Derfor bør kalibreringen foretages om morgenen, inden traileren er taget i brug. Sensoren kalibreres til 380 ppm ved at trykke på Cal-knappen med fx en papirklip på selve sensoren. Den røde diode blinker, mens kalibreringen er i gang. Vær opmærksom på, at det kan være vanskeligt at kalibrere, hvis temperaturen er for lav. Ilt-sensoren kalibreres til 20,9 % ved at trykke på Cal-knappen i 3 sekunder. Ilt-sensoren baserer sig på opløsning af ilt i en elektrolyt, og man skal derfor være klar over, at kalibreringen er temperaturafhængig. Til forsøget skal anvendes en fugtighedssensor. Den skal normalt ikke kalibreres. Fugtighedssensoren måler relativ fugtighed i øvelsesvejledningen bliver dette omregnet til absolut fugtighed.

5 2 - Kondicykel ilt, åndedræt og energi Eleverne kan her beregne iltforbrug ved forskellig belastning ved at måle iltkoncentrationen i udåndingsluften samt lungeventilationen. Ved ånding trækkes der nyt luft ned i lungerne. Fra luften i lungerne diffunderer ilt (O 2 ) over i blodet og kuldioxid (CO 2 ) fra blodet over i lungerne. Med blodet transporteres ilten ud til kroppens celler - bl.a. kroppens muskelceller. Ude i cellerne anvendes ilten til cellernes respiration: C 6 H 12 O O 2 -> 6 CO H 2 O + energi Energien benyttes bl.a. til musklernes arbejde. Jo mere musklerne skal arbejde, jo mere energi skal der frigøres i forbindelse med muskelcellernes respiration - og jo mere kuldioxid og vand produceres der. Kuldioxiden og vandet afgives til blodet og transporteres til lungerne, hvor kuldioxiden og en del af vandet afgives til omgivelserne. Ved at måle på iltforbruget kan vi derfor beregne energiforbruget i kroppen. Iltforbruget beregnes ved at måleforskellen i iltkoncentrationen i indog udåndingsluften, samt lungeventilationen. Vi har et konstant hvile-stofskifte. Når vi kun yder en lille effekt (fx 25 W) vil hvilestofskiftet udgøre en relativ stor andel af det totale stofskifte. Denne andel synker ved øget effekt. Under normale forhold vil indholdet af CO 2 og O 2 i udåndingsluften ligge nogenlunde konstant, uafhængig af muskelarbejdet. Kroppen vil kompensere for det forøgede iltforbrug ved at forøge åndedrætsfrekvensen og åndedrætsdybden. Forhold, man skal være specielt opmærksom på 1. Det kan være svært at få masken til at forblive tilkoblet trevejsventilen, hvis eleverne/ kondicyklen ikke er placeret rigtigt i forhold til slangen/stativet. Reguler kondicyklens placering sådan at slanges træk på masken ikke bliver for kraftigt. Det er også vigtigt, at masken er tør når den sætte på, ellers kan den let glide af. 2. Hvis displayet på kondicyklen ikke virker, skal man lige tjekke om kondicyklen er tilsluttet 230 V. 3. Kuldioxid-sensoren kan indstilles på to måleintervaller. Den bør sættes på den største skala (udåndingsluft indeholder forholdsvis høje koncentrationer af CO 2 ).

6 Tekniske forhold ved sensorer, herunder kalibrering Det er normalt ikke nødvendigt at kalibrere sensorerne. Hvis eleverne reagerer på for høje/ lave værdier i kassen, kan det skyldes, at der er gammel luft inde i dem. Man skal altså ikke forvente at det er 20,9 % O 2 og 400 ppm CO 2 når målingerne starter. Hvis man alligevel skulle få brug for at kalibrere, gøres således: Kuldioxid-sensoren benytter infrarød stråling til måling af CO 2 -koncentrationen og skal derfor have tid til at varme op ca. 1½ minut. Vi ser ofte at CO 2 -niveauet inde i lokaler med mange mennesker kan komme op på ppm. Derfor bør kalibreringen foretages om morgenen inden traileren er taget i brug. Sensoren kalibreres til 380 ppm ved at trykke på Cal-knappen med fx en papirklip på selve sensoren. Den røde diode blinker mens kalibreringen pågår. Vær opmærksom på, at det kan være vanskeligt at kalibrere hvis temperaturen er for lav. Ilt-sensoren kalibreres til 20,9 % ved at trykke på Cal-knappen i 3 sekunder. Ilt-sensoren baserer sig på opløsning af ilt i en elektrolyt, og man skal derfor være klar over, at kalibreringen er temperaturafhængig. Nærmere oplysninger om hvordan de enkelte sensorer virker og hvordan de kalibreres, kan findes i brugsanvisninger bagerst i mappen. Rengøring og hygiejne Så snart en elev er færdig med øvelsen, skal åndingsmasken klargøres til næste elev. Proceduren er som følger (og fremgår af opslag inde i traileren). Der skiftes mellem to masker. 1. Afmonter masken fra ventilen. Klik nettet af masken Monter den nye maske på ventilen. Klik nettet fast på masken Begge masker skal afleveres tørre og rengjorte. 2. Øverste del af ventilen sprayes med sprit. Aftør med papirserviet (pas på, der ikke falder noget ud). 3. Åndingsmasken skal udskiftes med en ren udgave. 4. Tag den nye maske op af baljen med sæbevand, og skyl den af under rindende vand. 5. Spray maskens inderside med sprit, og dup den tør med papirserviet. 6. Skyl den brugte maske under rindende vand. Placer den herefter i baljen med sæbevand. Ventil Maske Net

7 3 - Cykelrace puls, effekt og hastighed Eleverne kan her cykle om kap i en virtuel verden og opleve, hvordan kroppen reagerer forskelligt på belastningen. I den virtuelle cykeltrainer skal to hold cykle om kap. De skal cykle identiske ruter, og bagefter sammenligne resultaterne: Hvem kom først i mål? Hvem havde den største effekt, den højeste fart og den højeste/laveste puls? Jo mere kroppen skal arbejde, jo mere energi skal der frigøres i forbindelse med muskelcellernes respiration. Til det skal der bruges ilt. Jo mere ilt der skal transporteres til musklerne, jo hurtigere vil hjertet slå pulsfrekvensen stiger. En veltrænet person har et større slagvolumen (den mængde blod, hjertet pumper pr. slag) end en utrænet person. Derfor kan han nøjes med en lavere pulsfrekvens end en utrænet person, selvom han skal have den samme mængde ilt ud til musklerne og dermed selvom han skal levere det samme arbejde. Den virtuelle cykeltrainer måler det arbejde, som udføres, når man cykler, og dette omsættes til en virtuel bevægelse. Bagefter kan effekten (arbejde pr. sekund) aflæses, og det samme kan den hastighed, som ville svare til denne effekt på den pågældende stigning (jo stejlere bakke, jo mere effekt skal du levere for at holde den samme fart). Proceduren for, hvordan man indstiller computeren, er beskrevet i manualerne som findes ved cyklerne. Analyse af data Eleverne kan efterfølgende analysere deres data ved at følge instruktionerne i manualen. Tilbage på skolen, bør kurverne kunne give gode muligheder for at diskutere sammenhæng mellem effekt, puls, stigning og hastighed. Rengøring og hygiejne For at sikre god hygiejne, bør pulsbæltet desinficeres ved hjælp af sprit på sprayflaske og vatrondeller der findes ved arbejdsstationen. Det skal gøres mellem hver bruger.

8 4 - GPS - position, bevægelse og puls Eleverne bliver her udstyret med hvert sit gps- og pulsur og sendt ud på tur for at løse forskellige opgaver. Her skal eleverne ud på et orienteringsløb. De udstyres med et GPS-/puls-ur, så data om deres puls, geografiske koordinater, hastighed og højde over havoverfladen bliver registreret og gemt. Efterfølgende skal disse data overføres til en computer, hvor ruten bliver aftegnet på et satellit-billede, og de øvrige opsamlede data repræsenteret i grafiske fremstillinger. Præsentationen på computeren giver mulighed for, at elever lettere kan overskue og efterfølgende analysere og fortolke geografiske data. Til øvelsen hører 2 x 5 GPS-/pulsure, så to grupper (max 5 elever) kan arbejde samtidigt. Der er dog kun 5 pc ere til rådighed, så grupperne skal arbejde forskudt ca. 30 minutter imellem.

9 GPS-/pulsur GPS/pulsuret modtager signaler fra både en pulssensor og en række GPS-satellitter. Data fra GPS-/pulsuret kan efterfølgende overføres til en computer og studeres nærmere. GPS-signalerne gør at uret kan beregne: Position Højde over havoverflade Hastighed Pulssensor Til måling af pulsen anvendes en brystspændt pulsmåler. Pulsmåleren indeholder en trådløs sender med en rækkevidde på ca. 1-2 meter. Hver pulssensor er kodet til at sende signaler til et bestemt GPS-/pulsur. Sørg for at eleverne anvender ure og pulssensorer, som passer sammen. Før brystspændet placeres, fugtes elektroderne med saltvand (eller vand). Placer brystspændet lige under brystet. Man får de mest nøjagtige målinger hvis elektroderne har direkte hudkontakt. Overførsel til computer Når man har gennemført en rute, overføres data til computeren. Dette sker automatisk. De opsamlede data overføres til en tjeneste på internettet. Til behandling af indsamlede data anvendes hvor de opsamlede data af geografiske koordinater giver mulighed for at afbilde den afviklede rute på et kort ved hjælp af tjenester fra GoogleEarth (Denne side åbner automatisk, når computerne startes). Samtidigt bliver data om tid, hastighed, højde over havoverfladen og pulsfrekvens illustreret i forhold til, hvor på ruten de forskellige data er opsamlet.

10 Knapper til afspilning af data fra ruten Indstilling af afspilningshastighed Afbildning af to varibler som kurver Valg af variabler som skal vises Valg mellem tid eller distance på y-aksen Zoom af kort/satellitbilledet Visning af øvrige variabler som bjælkediagram Visning af rute Valg mellem visning af kort, satellit eller hybrid af disse eller kort med højdekurver

11 Insero Science Academy, Chr. M. Østergaardsvej 4A, 8700 Horsens