Lærervejledninger til undervisningskasser

Transkript

1 Lærervejledninger til undervisningskasser Det er en forudsætning for et vellykket besøg af det mobile laboratorium, at eleverne har arbejdet med temaet Krop og energi og datalogning, inden laboratoriet kommer til skolen. På denne måde er de blevet klædt på til at besøge de forskellige værksteder i traileren. Det vil sige, at eleverne dels har en grundlæggende indsigt i, hvad der sker fysiologisk med kroppen, når der udføres et arbejde, og dels en indsigt i, hvad datalogning er. Det er ikke vores forventning, at eleverne udelukkende arbejder med øvelser hvor der anvendes datalogning. Øvelserne skal ses som en palet af tilbud på færdige og forholdsvis simple øvelser, som kan supplere de traditionelle aktiviteter, du som lærer normalt vil gøre brug af, når en klasse arbejder med et sådant tema. Vi har en forestilling om, at eleverne får mulighed for at arbejde med 2 3 aktiviteter, hvor de gør erfaringer med datalogning. Det er vigtigt, at eleverne får nogle grundlæggende forståelser af, hvad datalogning er: Datalogning er opsamling af data på tilsvarende måde, som hvis der anvendes traditionelle måleredskaber; her foregår det blot elektronisk så mange af processerne er automatiseret, og man kan derfor foretage mange målinger pr. sekund. At den elektroniske registrering af data giver gode muligheder for visualisering gennem kurveforløb og sammenligning mellem samtidige dataopsamlinger af forskellige parametre. At datalogning giver mulighed for at opsamle og registrere ganske små ændringer og/ eller ændringer som finder sted på meget kort tid eller over en meget lang tidsperiode. At dataloggeren ikke nødvendigvis fortæller sandheden. Som med alle andre måleredskaber kan der opstå fejl i dataindsamlingen. Ud over at få opbygget en indsigt i datalogning, er det også vigtigt, at eleverne får opbygget et grundlag for at kunne for at kunne forholde sig naturfagligt til de øvelser, de møder i det mobile laboratorium: For at kunne udføre et muskelarbejde, skal musklerne have tilført kemisk energi igennem den føde der indtages, fx glukose C 6H 12O 6. For at der kan foretages en energiomsætning, skal musklerne også have tilført ilt, og i forbindelse med respirationsprocessen produceres vand og kuldioxid, som kroppen afgiver til omgivelserne Jo mere energi der skal frigøres, jo mere ilt skal der tilføres. Dette medfører at pulsen stiger, åndingsdybden øges og åndingsfrekvensen stiger. En stor del af energien omdannes til varmeenergi og temperaturen i musklerne stiger. Varmen transporteres til huden, hvor der foregår en varmeafgivelse til omgivelserne. Fordampning af sved forøger varmeafgivelsen.

2 Iltforbruget er et indirekte udtryk for energiomsætningen. Hvis man ved, hvor stor en persons iltforbrug er, kan man også beregne, hvor meget energi der frigøres i respirationsprocessen. Det er i alt 8 øvelser i undervisningskassen med dataloggerudstyr fordelt over de 6 underemner til Krop og energi, (jvf. figur). 8. Konditest (Harvard Step Test) 8. Konditest 6. Energi i mad (Harvard Step Test) 7. Puls 5. Måling på udåndingsluft 1. Kroppens arbejde og varmeafgivelse 2. Sved 3. Sved og temperaturregulering 4. Fordampning giver afkøling Herefter følger en kort lærervejledning til de enkelte øvelser i undervisningskasserne. De er lavet sådan, at det ikke er forudsat, at de læses fortløbende; man kan fx sagtens gå direkte til øvelse 4. Af den grund vil der være nogle faglige og tekniske forklaringer, der gentages i kommentarer til de enkelte øvelser.

3 1. Kroppens arbejde og varmeafgivelse (lærer) Faglig baggrund Til musklerne sendes glukose og ilt med blodet. Her anvendes ilt og glukose til cellernes respiration: C 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi Energien benyttes bl.a. til musklernes arbejde. Jo mere, musklerne skal arbejde, jo mere energi bliver der frigjort i forbindelse med muskelcellernes respiration - og jo mere kuldioxid og vand produceres der. En del af energien bruges i forbindelse med musklernes arbejde, men i sidste ende omdannes en stor del af energien til varme. For at undgå, at kroppens temperatur stiger for meget, øges blodgennemstrømningen til huden. Blodkarrene tæt ved huden sørger for, at varmen afgives til omgivelserne. 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 (omgivelserne). I omgivelser med høj temperatur, fx i en sauna, går varmen selvfølgelig modsat vej (fra omgivelserne til personen) T 1 T 2 Q, varme Temperatur T 1 > T 2 For over 200 år siden formulerede Isaac Newton en lov vi nu kender som Newtons afkølingslov: Ændringen i et legemes temperatur er proportional med temperaturforskellen mellem legemet og omgivelserne. (Kroppens varmeeffekt øger altså med øget kropstemperatur.) Når temperaturforskellen er udjævnet, og T 1 og T 2 er blevet ens, stopper energioverførsel ved varme. Teknisk baggrund Der er ikke de store tekniske udfordringer i denne øvelse. Temperatursensorerne skal normalt ikke kalibreres, og det er heller ikke væsentligt i forsøget, om de er kalibrerede, da det er temperaturændringerne, der er interessante. Dog vil temperaturændringerne typisk være forholdsvis små, og de kan derfor umiddelbart være vanskeligt at observere på temperaturgrafen. Derfor kan det være hensigtsmæssig at skalere y-aksen, så de små temperaturændringer gøres tydeligere. Dette kan f.eks. gøres ved at autoskalere (se manual).

4 Kommentarer til spørgsmål i øvelsen Formålet med øvelsen er at eleverne bliver opmærksomme på, at kroppen afgiver varme til omgivelserne, og at når muskelarbejdet øges, så stiger varmeproduktionen i kroppen. Det kan vi observere ved, at hudens overfladetemperatur stiger. Figuren herunder viser, at temperaturen bliver højere, når forsøgspersonen har været fysisk aktiv. Lad eleverne komme med faglige bud på, hvorfor man observerer denne forskel.

5 2. Sved (lærervejledning) Øvelsen minder meget om øvelse 3 Sved og temperaturregulering, men er lidt simplere, da der ikke måles på håndfladens overfladetemperatur. Faglig baggrund Til musklerne sendes glukose og ilt med blodet. Her anvendes ilt og glukose til cellernes respiration: C 6H 12O O2 6 CO H 2O + 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. En del af energien bruges i forbindelse med musklernes arbejde og i sidste ende omdannes energien til varme. For at undgå, at kroppens temperatur stiger for meget, øges blodgennemstrømningen til huden. Blodkarrene tæt ved huden sørger for at varmen afgives til omgivelserne. Kroppen kan komme af med varmeenergi på fire måder: strålingsvarme, varmeledning (ved direkte kontakt med omgivelserne), konvektion (opvarmning af forbipasserende luft) og fordampning af sved. 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 (omgivelserne). T 1 T 2 Q, varme Temperatur T 1 > T 2 Når temperaturforskellen er udjævnet, og T 1 og T 2 er blevet ens, stopper den del af varmetransporten. Herefter er det sved der gælder! Selv om huden har den samme temperatur som omgivelserne, vil fordampning af sved forsat være en endoterm (=energikrævende) proces, så længe luftfugtigheden er mindre end 100 %. Afkøling ved fordampning kan altså sænke temperaturen under omgivelsernes temperatur. Det drager vi nytte af, når vi afkøler en flaske hvidvin på stranden ved hjælp af et fugtigt håndklæde, eller i mere højteknologiske indretninger som køleskabe og varmepumper. Fordampning kræver energi, og den modsatte proces (kondensering), frigør energi. I termofysikken, kaldes dette for fordampningsvarme (L f). Fordampningsvarmen er temperaturafhængig, men ved kropstemperatur er den 2,4 kj/g for vand. Vand: H 2O(l) H 2O(g), L f= 2,4 kj/g,

6 Teknisk baggrund Til forsøget skal anvendes en fugtighedssensor. Fugtigsensoren kan i nogle tilfælde måle både relativ og absolut fugtighed i forsøget skal man følge den relative fugtighed. Fugtighedssensoren indeholder normalt også en temperatursensor og man kan i så fald vælge også at følge temperaturændringen. Til forsøget kan også anvendes en vejr/klima-sensor, som ud over fugtighed typisk også vil måle temperatur, lufttryk, højde over vandoverfalde osv. Irrelevante målinger kan eventuelt fjernes fra dataloggerens eller computerens visning. Temperaturændringerne er forholdsvis små, og de kan umiddelbart være vanskelige at observere på temperaturgrafen. Derfor kan det være hensigtsmæssigt at skalere akserne, så de små temperaturændringer gøres tydeligere, fx ved at autoskalere. Kommentarer til spørgsmål i øvelsen Formålet med forsøget er at vise, at der forgår en fordampning af vand fra kroppens overflade. Figuren nedenunder viser, hvordan den relative luftfugtighed typisk vil stige til 100%, efter at hånden er stukket ind i posen, da vi nu har et lukket system. Luftfugtigheden i posen vil falde, umiddelbart efter at der klippes hul i posen. Samtidig vil temperaturen falde, fordi fordampningen nu igen er større end kondenseringen.

7 Variationer af forsøget Forsøget kan gentages, efter at forsøgspersonen har udført et stykke arbejde; fx løbet op og ned af trapper i 3-5 minutter. Brug en ny plastpose og kontroller, at fugtigheden er den samme som i udgangspunktet for det første forsøg og anvend de samme tidsintervaller (indførelse af hånd i pose, opklip af pose og afslutning af dataopsamling).

8 3. Sved og temperaturregulering (lærervejledning) Øvelsen minder meget om øvelse 2 Sved, men er lidt mere kompliceret, da der her også måles på håndfladens overfladetemperatur. Faglig baggrund Til musklerne sendes glukose og ilt med blodet. Her anvendes ilt og glukose til cellernes respiration: C 6H 12O O2 6 CO H 2O + 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. En del af energien bruges i forbindelse med musklernes arbejde, og i sidste ende omdannes energien til varme. For at undgå, at kroppens temperatur stiger for meget, øges blodgennemstrømningen til huden. Blodkarrene tæt ved huden sørger for, at varmen afgives til omgivelserne. Kroppen kan komme af med varmeenergi på fire måder: strålingsvarme, varmeledning (ved direkte kontakt med omgivelserne), konvektion (opvarmning af forbipasserende luft) og fordampning af sved. For at øge varmeafgivelsen til omgivelserne forøger hudens svedkirtler svedproduktionen. Fordampningen af sveden øger kroppens afgivelse af varme til omgivelserne. Hvis man befinder sig i et miljø med stor luftfugtighed, vil fordampningen af sved blive begrænset, og afkøling af huden bliver ligeledes begrænset. 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 (omgivelserne). T 1 T 2 Q, varme Temperatur T 1 > T 2

9 Når temperaturforskellen er udjævnet, og T 1 og T 2 er blevet ens, stopper den del af varmetransporten. Herefter er det sved der gælder! Selv om huden har den samme temperatur som omgivelserne, vil fordampning af sved forsat være en endoterm (=energikrævende) proces, så længe luftfugtigheden er mindre end 100 %. Afkøling ved fordampning kan altså sænke temperaturen under omgivelsernes temperatur. Det drager vi nytte af når vi afkøler en flaske hvidvin på stranden ved hjælp af et fugtigt håndklæde, eller i mere højteknologiske indretninger som køleskabe og varmepumper. Fordampning kræver energi, og den modsatte proces (kondensering), frigør energi. I termofysikken, kaldes dette for fordampningsvarme (L f). Fordampningsvarmen er temperaturafhængig, men ved kropstemperatur er den 2,4 kj/g for vand. Vand: H 2O(l) H 2O(g), L f= 2,4 kj/g, Teknisk baggrund Til forsøget skal anvendes en fugtighedssensor. Fugtighedssensoren kan i nogle tilfælde måle både relativ og absolut fugtighed i forsøget skal man følge den relative fugtighed. Fugtighedssensoren indeholder normalt også en temperatursensor, og man kan i så fald vælge også at følge temperaturændringen. Til forsøget kan også anvendes en vejr/klimasensor, som ud over fugtighed typisk også vil måle temperatur, lufttryk, højde over vandoverfalde osv. Irrelevante målinger kan eventuelt fjernes fra dataloggerens eller computerens visning. Til måling af hudtemperaturen anvendes en hurtigrespons temperatursensor. Det er vigtigt at gøre sig klart, hvilken temperaturmåling, der repræsentere lufttemperaturen, og hvilken der repræsenterer hudtemperaturen. Temperaturændringerne er forholdsvis små, og de kan være vanskelige at observere på temperaturgrafen. Derfor kan det være hensigtsmæssig at skalere akserne, så de små temperaturændringer gøres tydeligere. Kommentarer til spørgsmål i øvelsen Formålet med forsøget er at vise, at der forgår en fordampning af vand fra kroppens overflade, og at der er en sammenhæng mellem hudens overfladetemperatur og fordampningen. Når luftfugtigheden er stor, nedsættes fordampningen af sved og varmeafgivelsen mindskes. Figuren nedenunder viser hvordan den relative luftfugtighed typisk vil stige til 100%, efter at hånden er stukket ind i posen, da vi nu har et lukket system. Luftfugtigheden i posen vil falde umiddelbart efter, at der klippes hul i posen. Samtidig vil temperaturen falde, fordi fordampningen nu igen er større end kondenseringen. Endnu vigtigere ses det, at håndens overfladetemperatur stiger i takt med at

10 luftfugtigheden stiger, og når luftfugtigheden efter at der er klippet hul i posen igen falder, så falder hudtemperaturen efterfølgende. Variationer af forsøget Forsøget kan gentages efter at forsøgspersonen har udført et stykke arbejde, fx løbet op og ned af trapper i 5 minutter. Brug en ny plastpose og kontroller, at fugtigheden er den samme som i udgangspunktet for det første forsøg, og anvend de samme tidsintervaller (indførelse af hånd i pose, opklip af pose og afslutning af dataopsamling).

11 4. Fordampning giver afkøling (lærervejledning) Faglig baggrund Når en væske fordamper går fra flydende form til gasform - skal der tilføres energi. Fordampning kræver energi, og den modsatte proces (kondensering), frigør energi. I termofysikken, kaldes dette for fordampningsvarme (L f). Fordampningsvarmen er temperaturafhængig. Ved rumtemperatur er den for vand, sprit og acetone som flg: Vand: H 2O(l) H 2O(g), L f= 2,4 kj/g, Sprit: C 2H 5OH(l) C 2H 5OH(g), L f= 0,8 kj/g Acetone: CH 3COCH 3(l) CH 3COCH 3(g), L f= 0,5 kj/g Fordampningsvarmen skal jo komme et sted fra, fx fra en kogeplade, vores hud, eller fra termiske energi i væsken, der er i færd med at fordampe. I tilfældet med vand, vil temperaturen i vand, hvor der foregår en fordampning, altså falde som et resultat af, at den termiske energi i vandet bliver mindre. Det mærker vi, når vores hud er våd (efter vi fx er steget ud af badet eller går med vådt badetøj på stranden). Det er altså ikke fordi vandet er koldt i udgangspunktet, eller fordi det er god varmeleder. Det er et fænomen som skyldes fordampningsvarmen. At fordampning er energikrævende, drager vi nytte af, når vi afkøler en flaske hvidvin på stranden ved hjælp af et fugtigt håndklæde og i mere højteknologiske indretninger som køleskabe og varmepumper. Fordampningsvarme er en væsentlig del af kroppens temperaturregulering. For at undgå, at kroppens temperatur stiger for meget ved fysisk aktivitet, øges blodgennemstrømningen til huden. Blodkarrene tæt ved huden sørger for, at varmen afgives til omgivelserne. For at øge varmeafgivelsen til omgivelserne forøger hudens svedkirtler svedproduktionen. Kommentarer til spørgsmål i øvelsen Fordampning af vand er en endoterm (=energikrævende) proces. Så længe den relative luftfugtighed er mindre end 100 %, vil fordampning af vand (ved stuetemperatur) få temperaturen i vandet til at falde under omgivelsernes temperatur.

12 Variationer af forsøget Der kan anvendes andre væsker; fx sprit eller acetone. Sprit og acetone har en mindre fordampningsvarme end vand, men da de er mere flygtige (har en højere fordampningshastighed) og lavere specifik varmekapacitet, vil temperaturen i sprit og acetone falde hurtigere.

13 5. Måling på udåndingsluften (lærervejledning) Faglig baggrund 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 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi Energien benyttes bl.a. til muskelens 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. Der kan drages nogle sammenligninger mellem kroppen som energiomsætter og fx en forbrændingsmotor hvor benzin (fx C 9H 20) afbrændes. I både cellerespiration og forbrænding af benzin, bliver det dannet kuldioxid og vand som slutprodukter. C 9H O 2 9 CO H 2O benzin + ilt kuldioxid + vand Forskellen på forbrænding i kroppen og i en forbrændingsmotor, er selvfølgelig temperaturen. I kroppen kan cellerespiration foregå ved 37 C pga. tilstedeværelsen af visse enzymer. I moderne biler er der elektronisk styring af benzinindsprøjtning, sådan at der er et optimalt (støkiometriske) forhold mellem brændstoffet (benzin) og ilt. Hvis der kommer for meget benzin i forhold til ilt, vil forbrændingen være ufuldstændig. Det giver både et lavere energiudbytte og udslip af sod (uforbrændt benzin) gennem udstødningen. Nyttevirkningen i kroppen og i en forbrændingsmotor er omtrent 25 %. I tilfældet med forbrændingsmotoren, kan den indre energi i benzin nemlig ikke 100 % overføres til kinetisk energi ved arbejde. Vi vil altid, ligesom i kroppens celler, få omdannet noget af energien til varmeenergi. Brænder vi benzin i et åbent kar, altså i et åbent system, vil næsten al energien i benzinen blive omdannet til varmeenergi. Selvfølgelig er energiudbyttet det samme i de to tilfælde (i henhold til termodynamikkens 1. lov).

14 Teknisk baggrund Kuldioxidsensoren skal kalibreres før brug. Den benytter infrarød stråling til måling af CO 2-koncentrationen og skal derfor have tid til at varme op ca. 1½ minut. Da vi ofte ser, at CO 2-niveauet inde i lokaler med mange mennesker kan komme op på ppm, bør kalibreringen foretages udendørs eller i et rum, hvor der ikke er mange mennesker. Sensoren kalibreres til 400 ppm for Pasco GLX og 380 ppm for Verniers LabQuest. Vær opmærksom på, at det kan være vanskeligt at kalibrere hvis temperaturen er for lav. Hvis kuldioxid-sensoren kan indstilles på flere måleskalaer (kun Verniers sensor), skal den sættes på den største skala. Udåndingsluft indeholder forholdsvis høje koncentrationer af CO 2. Hvis der også skal anvendes iltsensor, skal denne også kalibreres. Iltsensoren kalibreres til 20,9 %. Iltsensoren baserer sig på opløsning af ilt i en elektrolyt, og man skal derfor være klar over at kalibreringen er temperaturafhængig. Pga. elektrolytten skal iltsensoren ikke opbevares i en lufttæt beholder, og den skal helst opbevares lodret. Nærmere oplysninger om, hvordan de enkelte sensorer virker og hvordan de kalibreres, kan findes i brugsanvisninger bagerst i mappen. Kommentarer til spørgsmål i øvelsen Formålet med forsøget er at vise, at jo mere energi der skal frigøres i forbindelse med respirationsprocessen, jo mere ilt forbruges der, og jo mere kuldioxid bliver der frigjort. I forsøget her, hvor eleverne måler på en udånding efter at have fortaget en dyb indånding, vil eleverne tydeligt kunne registrere denne forskel. Under normale forhold fx hvis man løber en tur vil CO 2 og O 2 indholdet i udåndingsluften ligge nogenlunde konstant - uafhængigt af muskelarbejdet. Kroppen vil kompensere for det forøgede iltforbrug ved at øge åndedrætsfrekvensen og åndedrætsdybden.

15 Efter hårdt arbejde Efter let arbejde I hvile Efter let arbejde Efter hårdt arbejde Eleverne skal blive opmærksomme på at O 2/CO 2-inholdet i atmosfæren er relativt konstant, med et indhold på henholdsvis ca 20,9 % og 380 ppm (milliontedel = 0, %). Det er denne viden, der gør at vi kan kalibrere sensorerne. Forsøget giver derfor anledning til at diskutere med eleverne, hvad det vil sige at kalibrere en sensor. I det mobile laboratorium (traileren) vil der være en forsøgsopstilling, hvor eleverne kan foretage en kontinuerlig måling på deres udåndingsluft, mens de cykler på en kondicykel. Her vil eleverne erfare at O 2- og CO 2-indholdet i deres udåndingsluft ligger nogenlunde konstant, selv om effekten øges. Men de vil også erfare, at mængden af luft som sendes igennem lungerne pr tidsenhed (lungeventilationen) forøges i takt med, at effekten øges. Variationer af forsøget Man kan lade eleverne opstille hypoteser forud for afvikling af forsøget hvad forventer de, at der vil ske? Forsøget kan også udføres ved at forsøgspersonen inden 2. udånding (i stedet for at udføre et fysisk arbejde) holder vejret i et halvt minut, og inden 3. udånding holder vejret i et minut.

16 Forsøget kan deles i to, sådan at eleverne måler på CO2 og O2 hver for sig. Forsøget kan også udføres ved at der anvendes både kuldioxidsensor, iltsensor og en fugtighedssensor. Der skal blot laves et par ekstra huller i plastposen og arrangeres, at der kan spændes flere sensorer fast på stativet.

17 6. Energi i mad (lærervejledning) Faglig baggrund Maden vi spiser dækker kroppens behov for byggemateriale og energi. Maden nedbrydes i fordøjelsessystemet til mindre enheder. Fx nedbrydes kulhydrater hovedsagligt til glukose. Glukosen transporteres fra fordøjelsessystemet over i blodbanerne, hvor det sendes rundt til kroppens øvrige celler. Her kan det indgå i cellernes respiration: C 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi Madvarer som fx knækbrød indeholder meget kulhydrat (17 kj/g), mens fx nødder indeholder meget protein (17 kj/g) og fedt (37 kj/g). I dette forsøg skal eleverne undersøge, hvilken type mad der indeholder mest energi, ved at måle hvor meget energi maden afgiver, når den brændes af. Når madvarerne brænder, omdannes energien i maden til varmeenergi. Varmeenergien opvarmer vand. Blot ved at måle temperaturstigningen i vandet, kan eleverne opleve energiindholdet i maden. Jo større temperaturstigning, jo mere energi indeholder maden. For at rangere madvarerne efter energiindhold pr masse, må eleverne i tillæg veje madvarerne inden de afbrænder dem. For nogle elever vil det måske være enklere at forstå, hvis man indvejer samme masse af de enkelte madvarer, for eksempel 1,0 g. Den energimængde der går med til at varme 1 g vand 1 C blev tidligere kaldt 1 cal (kalorie). 1 cal er 4,2 J. Det kræver altså 4,2 J at øge temperaturen i 1 g vand 1 C. Det er derfor muligt at beregne varmen (Q), som er overført fra madvaren til vandet med formelen: Q = 4,2 25,0 (Tslutt Tstart) J/grad Hvis man på forhånd bestemmer massen på madvarerne, kan man i tillæg beregne energi/masse for de enkelte madvarer. NB: Dog, vil det beregnede energiindhold pga. flere fejlkilder være mindre end det, som står opgivet i varedeklarationen: I forsøgsopstillingen vil noget af energien i madvarerne ikke gå til opvarmning af vandet, men i stedet opvarme omgivelserne. Hvor meget energi som går tabt til omgivelserne, afhænger blandt andet af afstanden mellem de brændende madvarer og bægerglasset, og hvor på bægerglasset man varmer. Det er derfor vigtig at holde afstand og position konstant. Der sker heller ikke en fuldstændig forbrænding af madvarerne. Det skyldes blandt andet manglende ilttilførsel og for lav forbrændingshastighed. Det er derfor vigtigt, at sikre så god luftcirkulation rundt om de brændende madvarer som muligt.

18 Fordampning af vand er meget energikrævende, hvilket betyder at måleresultaterne også er påvirket af vandindholdet i madvarerne. For eksempel er der % vand i brød, mens der kun er 2-5 % vand i nødder. Derfor er det vigtigt at tørre brødet på forhånd. Så er det også nemmere at antænde. Kilde: Den lille levnedsmiddeltabel, Fødevaredirektoratet Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri

19 Kilde: Den lille levnedsmiddeltabel, Fødevaredirektoratet Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri Teknisk baggrund Til forsøget skal det anvendes en rustfri temperatursensor. Temperatursensorerne skal normalt ikke kalibreres, og det er heller ikke væsentligt for forsøget, da det interessante er at finde temperaturstigningen. Variationer af forsøget Det er en god ide at lade eleverne opstille hypoteser forud for afvikling af forsøget hvad forventer de, at der vil ske? Samtidig kan man påvise, at der udvikles vanddamp i forbrændingen ved hjælp af en kold glasplade eller ved hjælp af fugtighedssensoren (lige som der også dannes vand ved respirationen i cellerne). Det er også muligt at vise, at der er kuldioxid i forbrændingsgasserne ved at anvende en CO 2sensor.

20 7. Puls (lærervejledning) Faglig baggrund 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 6H 12O O 2 6 CO H 2O + 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. Her afgives kuldioxiden og noget af vandet til omgivelserne. Jo mere ilt og kuldioxid der skal transporteres til og fra musklerne jo hurtigere vil hjertet slå. Hvor hurtigt hjertet slår, angiver vi med hjerteslagsfrekvens (pulsfrekvensen,i dagligtale bare pulsen ), angivet som antallet af slag hjertet slår pr minut. En veltrænet person har et større slagvolumen (det volumen blod, hver hjertehalvdel pumper pr. slag) end en utrænet person, og kan derfor nøjes med en lavere pulsfrekvens end en utrænet person. Sammenlignet med en elektrisk pumpe, vil en stor og kraftig pumpe kunne udføre det samme arbejde (fx at pumpe vand op fra et reservoir) med et lavere omdrejningstal end en lille pumpe. Teknisk baggrund Til måling af pulsen anvendes to pulshåndtag; et til hver hånd. Der kan også anvendes brystspændt pulsmåler, eller en pulsmåler der klipses fast til øreflip eller det tynde hudområde mellem tommelfinger og pegefinger. Det er vores erfaring, at clips-pulsmåleren er for ustabil og giver alt for tilfældige måleresultater. Derfor vil vi anbefale, at man anvender pulshåndtag eller brystspændte pulsmålere til dette forsøg. Pulshåndtagene opfanger de små elektriske signaler, der udsendes når hjertet slår. For at få gode målinger, er det vigtig at der er god kontakt mellem hænder og elektroder, fx ved at sørge for at hænderne er lidt fugtige inden målingerne sættes i gang. Man kan evt. bruge en svag saltopløsning. Puls-sensoren til GLX en lyser grønt når forbindelsen er god. Det tager nogle sekunder inden den er i stand til at beregne pulsfrekvensen. Når sensoren er klar til at samle data op, blinker den røde diode med pulsfrekvensen.

21 Kommentarer til spørgsmål i øvelsen Formålet med øvelsen er, at eleverne bliver opmærksomme på, at pulsfrekvensen blandt andet afhænger af den fysiske aktivitet. Pulsfrekvensen vil i hvile hos de fleste personer ligge mellem slag/min. Kroppen reagerer hurtigt på øget aktivitet. Af grafen kan man se, at forsøgspersonens puls øges fra 67 slag/min i hvile, til 86 slag/min ved gang i løbet af ca. 10 s. Når aktiviteten går over i løb, stiger pulsfrekvensen i dette tilfælde til 106 slag/min. Ved efterfølgende almindelig gang, tager det ca. 100 s. at nå tilbage til 86 slag/min - altså 10 gange så lang tid som pulsstigningen. Det tager også længere tid at opnå hvilepulsen ved efterfølgende hvile. Det langsomme fald i pulsen skyldes blandt andet en iltgæld som skal indhentes. Ved hvile vil pulsen som regel efter et stykke tid falde tilbage på hvilepulsniveau. Hastigheden er afhængig af forsøgspersonens kondition. Begynder at gå 2 min Begynder at løbe 1 min Hvile 3 min Hvile 1 min Begynder at gå 2 min Variationer af forsøget Man kan lade eleverne opstile hypoteser forud for afvikling af forsøget hvad forventer de, at der vil ske? Man kan vælge også at måle hudtemperaturen under forsøget. Temperatursensoren fastgøres ved hjælp af plaster.

22 Øvelsen kan laves udendørs og kombineres med en GPS-sensor, så ruten kan kortlægges og pulsen kan sammenlignes med ændringer i terræn og med-/modvind. I det mobile laboratorium får eleverne mulighed for at bevæge sig ud i terrænet med et pulsur, hvor der er indbygget en GPS. Efterfølgende kan eleverne lægge de opsamlede data (puls, hastighed, stigning/fald i terrænet, positioner) ind i et elektronisk kort.

23 8. Konditest The Harvard Step Test (lærervejledning) Faglig baggrund 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 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi Jo mere ilt der kan transporteres ud til musklerne, jo mere energi kan der frigøres til musklernes arbejde. En persons kondition kan beskrives som den maximale iltoptagelse pr. minut og pr. kg legemsvægt. Denne størrelse er afhængig af alder, køn og træningstilstand. En god kondition er karakteriseret ved en god ilttransport fra lungerne til de arbejdende muskler. Den maximale iltoptagelse opnås, når man yder det største muskelarbejde man er i stand til. Hvis man måler den maksimale iltoptagelse pr. minut og forsøgspersonens vægt, kan man beregne personens kondital, som kan variere fra 20 mg O 2/kg/min for den utrænede op til over 90 mg O 2/kg/min for den toptrænede topatlet. Da disse målinger er noget indviklede, har Harvard Fatigue Laboratories udviklet en anden konditest, der kan udføres, blot man har en 50 cm høj skammel, et ur og en pulsmåler. Testen kaldes Harvard Step Test og er erfaringsbaseret. Hvor hurtigt hjertet slår, angiver vi med hjerteslagsfrekvens (pulsfrekvensen,i daglig tale pulsen ), angivet som antallet af slag hjertet slår pr minut. En veltrænet person har et større slagvolumen (det volumen blod, hver hjertehalvdel pumper pr. slag) end en utrænet person, og kan derfor nøjes med en lavere pulsfrekvens end en utrænet person. Sammenlignet med en elektrisk pumpe, vil en stor og kraftig pumpe kunne udføre det samme arbejde (fx at pumpe vand op fra et reservoir) med et lavere omdrejningstal end en lille pumpe. Teknisk baggrund Til måling af pulsen anvendes to pulshåndtag; et til hver hånd. Der kan også anvendes brystspændt pulsmåler eller en pulsmåler der klipses fast til øreflip eller det tynde hudområde mellem tommelfinger og pegefinger. Det er vores erfaring, at klips-pulsmåleren er for ustabil og giver alt for tilfældige måleresultater. Derfor vil vi anbefale, at man anvender pulshåndtag eller brystspændte pulsmåler til dette forsøg.

24 Pulshåndtagene opfanger de små elektriske signaler der udsendes, når hjertet slår. For at få gode målinger, er det vigtigt, at der er god kontakt mellem hænder og elektroder. Dette kan opnås ved at sørge for, at hænderne er lidt fugtige inden målingerne sættes i gang. Man kan f.eks. bruge en svag saltopløsning. Puls-sensoren til GLX en lyser grønt når forbindelsen er god. Det tager nogle sekunder inden den er i stand til at beregne pulsfrekvensen. Når sensoren er klar til at samle data op, blinker den røde diode med pulsfrekvensen. I elevøvelsen er angivet, at der skal anvendes en skammel med en højde på 50 cm. For mindre personer (under 165 cm), bør der anvendes en skammel på 35 cm. Til at holde takten kan der anvendes en metronom. Hvis man ikke har en sådan til rådighed, kan en person holde takten, ved at sige stig op hvert andet sekund. Kommentar til spørgsmål i øvelsen Formålet med øvelsen er at eleverne får lavet en konditest, samt at eleverne bliver opmærksomme på at pulsfrekvensen afhænger af fysisk aktivitet. En typisk graf på GLX en vil se sådan ud:

25 Det er muligt at aflæse på grafen pulsfrekvensen efter 375 s, 435 s og 555 s, fx ved at flytte cursoren (markeret med en cirkel i grafen) med piletasterne på GLX en. Tid og pulsfrekvens kan man aflæse i parentesen øverst i grafvinduet (375 s og 103 slag/min). Det gir pulsfrekvens efter 375 s, 435 s og 555 på henholdsvis på 103, 85 og 79, og følgende udregning af points: points = Hvis pulsfrekvensen varierer meget (som tilfældet er i området omkring 435 s), kan man anvende Værktøjer > Statistik i GLX en og få dataloggeren til at beregne gennemsnittet i fx et 30 s interval. Så skal man flytte cursoren, så området fra 420 s til 450 s markeres (Brug piletasterne til at ændre startpositionen til cursoren til 420 s, og vælg Ombyt cursor for at justere den anden side af intervallet til 450 s). Gennemsnitsværdien for det markerede område vil blive beregnet. Af figuren til højre, kan man så aflæse på den nedre linje, at gennemsnittet er 85 slag/min i 30 s-intervallet omkring 435 s.