Finale 2018 tirsdag 27. februar 9-12

Transkript

1 E U S O D A N M A R K Den Europæiske Unions Science Olympiade DM i Science Task 2 Det arbejdende menneske Finale 2018 tirsdag 27. februar 9-12 Opgave 1 Opgave 2 Opgave 3 17 point 25 point 28 point

2 Opgave 1. Point: 17 Kroppen som arbejdende maskine Figur 1.1. Cykelryttere på hårdt fysisk arbejde i Pyrenæerne. Indledning I forbindelse med fysisk arbejde har det stor betydning, at kroppens iltoptagelsesevne og ilttransportevne er stor. Iltoptagelsesevnen afhænger dels af lungernes effektivitet i forhold til at levere ilten fra luften, dels af blodets evne til at optage ilten over lungernes indre overflade. Ilttransportevnen afhænger af blodkredsløbets evne til at levere og fordele blodet og dermed fordele ilten effektivt til de arbejdende muskelceller. Der er grundlæggende to former for fysisk arbejde: udholdenhedskrævende arbejde og styrkekrævende arbejde. Udholdenhedskrævende arbejde er længerevarende og kræver en konstant iltforsyning, mens styrkekrævende arbejde normalt er kortvarigt og mindre afhængig af iltforsyning. Overordnet set har vi to typer af muskelceller. Røde muskelceller er specialiserede i udholdenhedskrævende arbejde, og hvide muskelceller er specialiserede i styrkekrævende arbejde. Muskelceller kaldes også muskelfibre. Blodets evne til at optage ilt afhænger af blodets mængde af røde blodlegemer med det iltbærende protein hæmoglobin. Denne værdi måles som hæmatokritværdien. Hæmatokritværdien angiver volumen af røde blodlegemer i procent af blodvolumen. Produktionen af røde blodlegemer reguleres af hormonet EPO, som produceres i nyrerne. For kvinder ligger værdien på 35-45%, hos mænd på 40-50%. Blodkredsløbets evne til at levere og fordele blodet afhænger af tætheden af kapillærer i musklen, samt af hjertets evne til at pumpe blodet rundt. Muskelcellernes evne til at udføre et arbejde afhænger af, om de er i stand til at frigøre den nødvendige energi i form af ATP til sammentrækningen, og det er afhængig af, om de er i stand til omsætte de energigivende næringsstoffer i hele arbejdets varighedsperiode. 2

3 Opgaven I skal bestemme hæmatokritværdien for to af gruppens medlemmer samt bestemme antallet af røde blodlegemer pr. mm 3 ved hjælp af et tællekammer. Materialer: Sæbedispenser Engangshåndklæde 2 stk fingerprikkere En tot vat 2 stk plaster 1 ark bordpapir Afspritningsservietter 2 stk kapillærrør til hæmatokritbestemmelse 1 stk voksplade til lukning af kapillærrør 3 stk plastrør med 10 ml fysiologisk saltvand (0,9 % NaCl-opløsning) 2 stk tomme 10 ml plastrør 2 stk engangspipetter, plast 1 stk mikroskop 1 stk Thoma tællekammer med planslebne dækglas 1 stk lineal 1 stk centrifuge med indsats til kapillærrør 1 stk tusch Fremgangsmåde: A. Bestemmelse af hæmatokrit Der skal laves 2 prøver til bestemmelse af hæmatokrit-værdien, dvs. to personer i gruppen skal levere en dråbe blod hver. Desuden skal der udtages en dråbe blod fra begge forsøgspersoner til bestemmelse af antallet af røde blodlegemer ved tælling i et tællekammer. Begge prøver tages ved samme lejlighed. Dæk bordet med et stykke bordpapir. Find en fingerprikker, en afspritningsserviet og et kapillærrør frem og læg det på bordpapiret. Vask og tør hænderne grundigt. Sprit en fingerspids f.eks. ringfingeren af fra spidsen til og med fingerled nummer to. Prik hul på siden af fingeren med fingerprikkeren, og massér en dråbe blod frem. Lad kapillærrøret suge blod op, til et pænt stykke af dette er fyldt. Hold for den øverste ende af røret med pegfingeren, mens den anden ende stikkes ned i vokspladen, så en voksprop lukker kapillærrøret. Placer en lille klump voks i bunden af eppendorfrøret og stik det lukkede kapillærrørs voks-ende ned i 3

4 voksklumpen. Saml en frisk dråbe blod op og overfør den hurtigt til et af plastrørene med fysiologisk saltvand. Mærk plastrøret, så I ved fra hvem prøven stammer. Desinficer fingeren igen, og hold evt. et stykke vat på prikkestedet, til blødningen stopper. Sæt evt. et plaster på. Gentag for forsøgsperson 2. Placer kapillærrørene i eppendorfrør og sæt dem i centrifugen (sørg for at centrifugen er afbalanceret). Luk centrifugen og tænd. Lad den køre i 10 minutter ved rpm (omdrejninger pr minut). Ved centrifugeringen adskilles blodets bestanddele i overensstemmelse med deres densitet. Tag de centrifugerede kapillærrør op. Lav en tegning af kapillærrøret, og marker de forskellige udfældningszoner på tegningen. Angiv hvad de enkelte zoner i kapillærrøret indeholder. Tegn og marker i svararkets boks 1.1 For begge prøver: Mål længden af blodprøven i kapillærrøret efter centrifugering. Noter længden af blodprøve i millimeter i svararkets boks 1.2. Mål længden af blodprøvens indhold af røde blodlegemer i kapillærrøret efter centrifugering. Noter længden af blodprøvens indhold af røde blodlegemer i millimeter i svararkets boks 1.2. Udregn blodprøvens hæmatokritværdi. Noter hæmatokritværdien i svararkets boks 1.3. og angiv udregninger. B. Bestemmelse af antallet af røde blodlegemer vha. et tællekammer. Fugt tællekammerets to kanter til venstre og højre for midterfelterne, og læg et planslebet dækglas på, fastgør det med klemmerne, se figur 1.a. Når det ligger rigtigt vil der dannes farvede ringe, Newtonringe, hvor dækglasset har kontakt med objektglasset, se figur 1.b. Ryst den ene prøve med 10 ml fortyndet blod og læg med en frisk engangspipette en dråbe op ad dækglassets kant, således at dråben trækkes ind under dækglasset og fylder et af midterfelterne. Søg med 10x objektivet efter streginddelingens øverste venstre kvadrat. 4

5 Skift til 40x objektivet. Hvis cellerne ligger så tæt at de ikke kan tælles, laves en fortynding af prøven. Cellekammeret er opdelt i 16 felter, som igen er inddelt i små kvadrater. De 16 felter er markeret med røde grænselinjer på figur 2. Tæl cellerne i 10 af de 16 felter. De 10 felter er markeret med kryds på figur 2. Hvis en celle rører ved den nederste eller den højre grænselinje, skal den tælles med, men ikke hvis den ligger på den øverste eller venstre. Det er altså kun de blå celler på figur 3, som tælles med. Skyl tællekammeret forsigtigt under rindende vand indtil dækglasset løsner sig. Tør begge dele omhyggeligt af. Gentag ovenstående med den anden blodprøve. 5

6 Noter i svararkets boks 1.4 antallet fra hvert af felterne. Beregn antallet af røde blodlegemer pr mm 3 i de to blodprøver, idet én dråbe blod kan antages at have volumenet 0,05 ml. Noter resultaterne i svararkets boks 1.5. I figur 1.4 er vist resultater af en undersøgelse af professionelle, mandlige cykelrytteres hæmatokritværdier. Hvor mange af disse kan mistænkes for EPO-doping og bør undersøges nærmere? Noter resultaterne i svararkets boks 1.6. Figur 1.4 6

7 Røde og hvide muskelceller adskiller sig på en række punkter med hensyn til sammensætning. Angiv ved afkrydsning, hvorvidt nedenstående forhold gør sig gældende for røde eller for hvide muskelceller. Kun et kryds pr. række. Højt indhold af ATP Røde muskelceller Hvide muskelceller Mange mitokondrier Højt indhold af myoglobin Højt indhold af glykogen Høj koncentration af enzymer til aerob energifrigørelse Mange kapillærer pr. rumfangsenhed væv Høj koncentration af enzymer til anaerob energifrigørelse Overfør markeringerne til skemaet i svararkets boks 1.7. Eliteidrætsudøvere, der lever af deres krops evne til at udføre et fysisk arbejde, har en muskelcellefordeling, der passer til netop den idræt, de udfører. Angiv ved afkrydsning, hvordan fordelingen af muskelceller er hos personer, der er eliteudøvere inden for følgende idrætter: Kun et kryds pr. række. Idrætsgren Overvægt af røde muskelceller Overvægt af hvide muskelceller Orienteringsløb Vægtløftning badminton Sprint Vægtløftning Landevejscykling Håndbold Marathonløb 7

8 Dette afslutter opgave 1. Overfør markeringerne til skemaet i svararkets boks

9 Opgave 2. Point: 25 Mælkesyre Mælkesyre er et stof, der kendes fra syrnede mælkeprodukter som yoghurt, ost, creme fraiche og lignende. Det dannes, når visse bakteriearter omsætter mælkesukker som et led i deres stofskifte, og dette medfører, at mælken syrner og ændrer konsistens. Man kan følge syrningen af mælk ved at måle mælkesyremængden i produktet som funktion af tiden efter, der er sat bakteriekulturer til mælken. I vores muskler kan der dannes mælkesyre, når vi udfører fysisk arbejde og iltforsyningen ikke er tilstrækkelig. I dette tilfælde omsættes glukose til mælkesyre uden iltforbrug, og der frigives energi til arbejdet. Hvis man skal undersøge, om en person har haft tilstrækkeligt ilt til at udføre et arbejde, kan man undersøge en blodprøve fra personen og se, hvor meget mælkesyre personen har i blodet. Er der kun ganske små mængder mælkesyre i blodet, har iltforsyningen været tilstrækkelig, og hvis ikke har været tilfældet, er mælkesyrekoncentrationen forøget. Mælkesyre har bruttoformlen C3H6O3. Figur 2.1. Muskelsmerter ved dannelse af mælkesyre ved for lavt iltindhold i musklen under omsætning af glukose. 9

10 Materialer: 100 ml 0,0100 M NaOH(aq) Bromthymolblåt 2 stk. engangspipetter, 2 ml Ukendt prøve mærket Blodprøve 20,00 ml fuldpipette 1 stk. pipettebold 1 stk. stativ på fod 1 stk. buretteholder 1 stk. 50 ml burette 1 stk. 250 ml bægerglas, mærket affald 3 stk. 100 ml bægerglas 1 stk. magnetomrører 1 stk. magnet 1 stk. sprøjteflaske med demineraliseret vand Molekylbyggesæt fra MolyMod 2 stk. manilamærker med snor Pen Bilag med side 34 i Databog Fysik Kemi (siden med alle syre-baseindikatorerne) Fremgangsmåde: Mælkesyre dannes som nævnt, når glukose omsættes i musklerne uden ilt. I mælkesyre er der en sekundær hydroxygruppe: -OH og en carboxylsyregruppe: -COOH som karakteristiske grupper. Byg en model af mælkesyre ved hjælp af molekylbyggesættet, skriv jeres holdnummer på manilamærket, bind det fast til modellen og aflever den til vagterne. I skal nu bestemme mælkesyrekoncentrationen i en ukendt prøve Blodprøve ved titrering med NaOH. Opskriv reaktionsskemaet på strukturformel for reaktionen mellem mælkesyre og NaOH i svararkets boks 2.2. Spænd buretten op i stativet, fyld den med NaOH og nulstil buretten. Afpipetter 20,00 ml Blodprøve og overfør dette til et 100 ml bægerglas. Tilsæt 6 dråber bromthymolblåt samt magneten og anbring bægerglasset på magnetomrøreren. Titrer nu Blodprøve med NaOH til farveomslag. 10

11 Noter anvendt volumen af 0,0100 M NaOH i svararkets boks 2.3. Beregn koncentrationen af mælkesyre i Blodprøve ud fra titreringsresultatet. Noter svaret i svararkets boks 2.4. Hvis titreringen af mælkesyre med NaOH følges ved hjælp af et ph-meter, og ph afbildes som funktion af det tilsatte volumen NaOH, får man en titrerkurve med dette udseende: 14,00 TITRERKURVE MÆLKESYRE 12,00 10,00 8,00 ph 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Figur 2.2: Titrerkurve for titrering af 0,01 M mælkesyre med 0,0100 M NaOH Forklar, hvorfor bromthymolblåt kan anvendes til at indikere ækvivalenspunktet ved en kolorimetrisk titrering af mælkesyre. Noter svaret i svararkets boks 2.5. VOLUMEN 0,0100 M NAOH(aq)/mL 11

12 Kan bromcresolgrønt og phenolrødt anvendes til denne titrering? Noter svarene i svararkets boks 2.6. Marker ækvivalenspunktet for titrerkurven, som er afbildet i svararkets boks 2.7. Noter svaret i svararkets boks 2.7. Hvilke molekyler og ioner indeholder væsken i titrerkolben efter tilsætning af 10,00 ml 0,0100 M NaOH på figur 2.2? Noter svaret i svararkets boks 2.8. Hvilke molekyler og ioner indeholder væsken i titrerkolben ved ækvivalenspunktet på figur 2.2? Noter svaret i svararkets boks 2.9. Når man skal illustrere molekylers opbygning og deres omdannelse og reaktioner, anvender man normalt formler og reaktionsskemaer. Hvis man skal vise detaljer i molekylernes opbygning, vil man tegne strukturformler, der viser de enkelte atomers placering i molekylet. Eller man kan anvende molekylmodeller. På figur 2.3 ses en strukturformel for glukose, hvor atomernes placering kan ses. C H 2 OH H C C H OH H O H C HO C C OH Figur 2.3.: Modeltegning af glukosemolekyle H OH 12

13 Byg en model af glukose ved hjælp af molekylbyggesættet, skriv jeres holdnummer på manilamærket, bind det fast til modellen og aflever den til vagterne. Dette afslutter opgave 2. 13

14 Opgave 3 Point: 28 Fjedres egenskaber Fjedre møder vi mange steder i hverdagen: fjedre i din seng, i bilens affjedringssystem, mekaniske ure, i relæet, og også cykler har fjederophæng til at absorbere de stød, som vejen kan give. At vælge den rette fjeder til cyklers ophæng kræver viden om fjederens egenskaber. I denne øvelse undersøges en fjeders egenskaber. Opgaven: Først skal I bestemme en fjeders stivhed (udtrykt ved fjederkonstanten, k). Derefter skal I undersøge fjederens svingningstid (T). Materialer: 1 stk stativ med muffe og tværstang 1 stk fjeder 1 sæt slidslodder 1 stk vægt 1 stk målebånd 1 stk stopur 3 stk millimeterpapir 14

15 Fremgangsmåde: 3.1. Bestemmelse af en fjeders stivhed. Ophæng fjederen vha. stativmaterialet og mål fjederens længde. Fjederens længde uden belastning kaldes l 0. Noter l 0 i tabellen i boks 3.1 på svararket. Hæng slidslodstangen uden lodder i fjederen og mål fjederens længde. Sæt derefter ekstra lodder på stangen og mål igen fjederens længde. Der skal i alt måles 6 sammenhørende værdier mellem på den ene side massen af loddestativ plus lodder, m, og på den anden side længden af fjederen, l. Noter måleresultaterne i tabellen i boks 3.1 på svararket. Beregn for hver af de 6 målinger fjederens forlængelse Dl = l - l 0. Noter resultaterne i tabellen i boks 3.1 på svararket. Afbild massen af loddet som funktion af fjederens forlængelse på et millimeterpapir. Grafen benævnes Graf 3.1 og vedlægges svararket. Vedlæg Graf 3.1 til svararket. Indtegn en ret linje på grafen og bestem hældningskoefficienten. Skriv beregninger og svar i boks 3.2 på svararket. Der gælder følgende sammenhæng mellem den trækkende kraft på fjederen og forlængelsen af fjederen: F = kx hvor F er den trækkende kraft og k er en karakteristisk konstant for fjederen, der kaldes fjederkonstanten og er et udtryk for fjederens stivhed, og x er fjederens forlængelse. I dette tilfælde er den trækkende kraft på fjederen lig med tyngdekraften, som er givet ved F tyngde = mg, 15

16 hvor m er massen og g er tyngdeaccelerationen som er lig med 9,82 N/kg. Benyt hældningskoefficienten til at bestemme fjederkonstanten. Skriv beregninger og resultat i boks 3.3 på svararket Bestemmelse af en fjeders svingningstid. Start igen med kun at hænge slidslodstangen uden lodder i fjederen. Fjederen sættes i svingninger ved at trække fjederen lodret ned. Fjederens svingningstid T er defineret som den tid, det tager fjederen at udføre en hel svingning, dvs. fra samme sted til samme sted. For at undgå for stor usikkerhed i bestemmelsen af svingningstiden måles 10 svingningstider. Dette skal gøres to gange, og er der for stor forskel på de to målinger, skal det gøres en gang mere. Noter de to målinger i tabellen i boks 3.4 på svararket. Bestem gennemsnittet af de to målinger og bestem dernæst svingningstiden. Noter resultaterne i tabellen i boks 3.4 på svararket. Der skal herefter måles 6 sammenhørende værdier mellem masse og svingningstid. Noter resultaterne i tabellen i boks 3.4 på svararket. Afbild svingningstiden som funktion af massen på et millimeterpapir. Grafen benævnes Graf 3.2 og skal vedlægges til svararket. Vedlæg Graf 3.2 til svararket. Afgør ud fra Graf 3.2, hvilken af følgende matematiske sammenhænge der gælder mellem svingningstiden, T, og loddets masse, m. T = a m T = a m & T = a m T = a 1 m 16

17 hvor a er en konstant. Sæt X ved den valgte sammenhæng i boks 3.5 på svararket. Lav et variabelskift på x-aksen og tegn en ny graf, der bekræfter den valgte sammenhæng. Skriv variabelskiftet og de nye x-værdier i tabellen i boks 3.6 på svararket. Grafen benævnes Graf 3.3 og vedlægges svararket Vedlæg graf 3.3 til svararket. Bestem konstanten a i den valgte sammenhæng. Skriv beregning og resultat i boks 3.7 på svararket. Beregn ud fra sammenhængen, hvad massen skal være for at få en svingningstid på 30 s. Skriv beregning og resultat i boks 3.8 på svararket. Dette afslutter opgave 3. 17

18 18