nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Lærervejledning

Transkript

1 nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Lærervejledning

2 LÆRERVEJLEDNING FOR BROMBÆRSOLCELLENS ANVENDELSE I BIOLOGIUNDERVISNINGEN Nanoteknologi og øvelsen med brombærsolcellen kan indgå i mange sammenhænge i faget biologi. Der er gode muligheder for at inddrage øvelsen både i grundskole og i gymnasiet på alle niveauer og i de tværfaglige sammenhænge som f.eks. det naturvidenskabelige grundforløb (NV). Helt oplagte temaer, hvor solceller kan inddrages er: Fotosyntese, respiration, stofkredsløb, produktion, energi og økosystemer. Nedenfor følger en række ideer og inspiration til foredrag/fagforløb, opgaver og øvelser. Forløb 1-3 tænkes anvendt til præsentation af fagområder hvor solceller kan indgå. Forløb 4-11 tænkes anvendt som uddybende oplæg med små elevaktiverende øvelser og opgaver. Den endelige udformning af forløb med inddragelse af nanoteknologi og solceller i biologiundervisningen afhænger naturligvis af egne didaktiske overvejelser i forhold til fag, målgruppe, progression og tid. 1. Introducerende foredrag til fagforløb om: Fotosyntese og solceller Det introducerende foredrag kan med fordel laves som PowerPoint eller lignende elektronisk præsentation. Beskriv autotrofernes fotosyntese, hvor CO 2 bringes på energiladet organisk form primært som glukose. Forklar hvordan den dannede glukose v.h.a. næringssalte enzymatisk via biosynteser kan omdannes til samtlige organiske stoffer. Giv en introduktion til pigmenter, der kan have forskellige funktioner f.eks. opfangning af lysenergi, beskyttelse mod solstråling og signalering til pollen- og frøspredende dyr. Forklar f.eks. om klorofyl, flavonoider, carotenoider, antocyaniner og betanin. Gå særligt i dybden med de lysabsorberende pigmenter og vis figurer af klorofyl samt eksempler på forekomst i levende organismer. Vis figurer af pigmenternes placering i kloroplaster og f.eks. vandpest med synlige grønkorn. Vis figur af de kemiske processer i fotosyntesen detaljeringsniveau afhænger af målgruppen. Inddrag med fordel en animation f.eks. Fotosyntesen - Animationer - Biokemibogen. Her kan udbygges med en præsentation af forskellige former for fotosyntese f.eks. C3 og C4 planter. Herefter kan en egentlig præsentation af solcellerne følge. 2. Stofkredsløb Solceller og nanoteknologi kan indgå i sammenhæng med en præsentation af stofkredsløb med særligt fokus på kulstof. Beskriv et generelt stofkredsløb, hvor atomerne indgår i et stadigt kredsløb i form af forskellige kemiske forbindelser, hvor energien forbruges og hvor stofferne genbruges: Præsenter de tre hovedelementer: Det egentlige kredsløb, depoter, til-og fraførsel. Dernæst præsenteres specifikt kulstofs kredsløb, hvor der forklares at kulstof er rygraden i enhver organisk forbindelse og 50% af tørvægten af levende organismer er kulstof. Vis eksempler på biologisk vigtige molekyler der indeholder kulstof f.eks. cellulose, DNA, protein og den dobbeltlagede cellemembran. Dernæst præsenteres autotrofernes fotosyntese, hvor CO 2 bringes på energiladet organisk form primært som glukose og den dannede glukose v.h.a. næringssalte enzymatisk via biosynteser omdannes til samtlige organiske stoffer. Introducer herefter de lysabsorberende pigmenter og vis figurer af f.eks. klorofyl og eksempler på forekomst i levende organismer samt pigmenters placering i kloroplaster f.eks. vandpest med synlige grønkorn. Fotosyntesen og de kemiske processer forklares detaljeringsniveau afhænger af målgruppen. Inddrag med fordel en animation f.eks. Fotosyntesen - Animationer - Biokemibogen. Inddrag evt. forskellige former for fotosyntese f.eks. C3 og C4 planter. Respiration introduceres og de kemiske processer vises alt efter ønsket niveau. Sammenligning af stofomsætningen hos autotrofe og heterotrofe organismer. Endosymbiontteorien kan efter ønske præsenteres. Passende figur af kulstofkredsløbet præsenteres. Sammenhængen mellem BPP, NPP og R introduceres. Herefter kan en egentlig præsentation af solcellerne følge.

3 3. Evig Energi? biologi i et forløb i det naturvidenskabelige grundforløb (NV) Tema om energi kan indgå i mange fagforløb. Nedenstående eksempel er fra naturvidenskabeligt grundforløb med temaet: Evig Energi? Det er kulstof C - det handler om. Kulstof er rygraden i enhver organisk forbindelse og 50% af tørvægten af levende organismer er kulstof. Herefter præsenteres autotrofernes fotosyntese, hvor CO 2 bringes på energiladet organisk form primært som glukose og den dannede glukose v.h.a. næringssalte enzymatisk via biosynteser omdannes til samtlige organiske stoffer. Der vises en figur af vandpest med tydelige grønkorn. Jordens samlede energiressourcer vises på en figur, hvor det fremgår at solenergien er en kæmpe ressource. Cellernes respiration præsenteres. En model af sammenhængen mellem respiration og fotosyntese i enkelte celler viser det lille kredsløb. Derefter følger en model, der viser kulstoflagre og energistrømme i et helt økosystem og derefter en model, der viser det globale kulstofkredsløb. Biomasse introduceres hvad er det? Der gives eksempler på forskellige typer. Den biologiske baggrund for produktion af biomasse beskrives, herunder forklares om balancen mellem fotosyntese og respiration. Begreberne BPP, NPP og R introduceres. Biomasse kan blive til brændsel enten ved direkte udnyttelse f.eks. afbrænding eller presse olie ud af paps eller ved omdannelse til ethanol. Begrebet CO 2 - neutral introduceres - hvad betyder det? Der er muligheder for at koble videre til energiforsyning og klimaproblematikken. Her spiller solceller en central rolle. 4. Hvorfor er salaten grøn, hindbær røde og bladene gule om efteråret? En øvelse om pigmenter i planter I planter findes forskellige pigmenter, der bl.a. opfanger lys i forbindelse med fotosyntesen. Pigmenterne i forskellige plantematerialer kan nemt ekstraheres med ethanol. Derefter kan pigmenternes absorption af lys måles v.h.a. et spektrofotometer. Se f.eks. Resultaterne fra et forsøg med salat, brombær, hindbær og orange peberfrugt er vist i figuren nedenunder. Eleverne kan forklare resultaterne og angive hvilke pigmenter det drejer sig om. Eleverne kan give eksempler på forskellige typer af pigmenter f.eks. klorofyl, carotenoider, antocyaner og flavonoider, herunder deres opbygning og funktion f.eks. UV-absorption, blomsterfarve, fotoprotektion eller antioxidanter. Herefter kan en egentlig præsentation af solcellerne følge.

4 Viden om pigmenter kan videre anvendes i et utal af sammenhænge. Nedenstående figur viser dataindsamling fra Øresund, hvor mængden af planteplankton i vandsøjlen er undersøgt v.h.a. en flourescensmåling. Mængden af planteplankton kan også måles som koncentration af klorofyl. Flourescens Nord for Helsingør den 4. sept ,5 1 1,5 2 2,5 3-5 Dybde, meter Serie Flourescens Eleverne kan lave diagrammer v.h.a. et præsentationsværktøj som f.eks. Excel eller Maple og vise sammenhængen mellem mængden af klorofyl eller fluorescens og f.eks. vanddybde eller årstid. Eleverne kan forklare, hvorfor koncentrationen af klorofyl-a kan anvendes som mål for planteplanktonets biomasse. Desuden kan de give forslag til metoder til at bestemme indholdet af klorofyl i en vandprøve eller måle fluorescens. 5. Fotosyntese og respiration generelle spørgsmål der kan moduleres i det uendelige alt efter niveau og progression. Hvilken rolle har grønkorn (kloroplaster)? Lav en beskrivelse af en kloroplast på baggrund af figur (her vælges alt efter hvilket niveau). Sæt navne på. Beskriv fotosyntesen med kemiske begreber. Forklar ud fra vedlagte figur (her vælges alt efter hvilket niveau) processerne i fotosyntesen. Hvilke organismer udfører processen? og hvorfor? Beskriv respiration med kemiske begreber. Hvor i cellerne foregår respirationen? Hvilke organismer udfører processen? og hvorfor? Tegn en model der viser sammenhængen mellem fotosyntese og respiration. Forklar hvad man forstår ved en plantes bruttoprimærproduktion (BPP). Forklar hvad man forstår ved en plantes nettoprimærproduktion (NPP). Forklar hvordan de tre størrelser BPP, NPP og R hænger sammen? 6. Se fotosyntesen med egne øjne en hurtig og nem øjenåbner! Et lille hurtigt forsøg der tager udgangspunkt i princippet: POE (predict-observe-explain). Umiddelbart inden forsøget skæres stænglen af en vandpest forsigtigt over og skuddene placeres med skudspidsen nedad i et reagensglas med postevand belys evt. glasset: Hvis planten er fotosynteseaktiv, da vil der komme bobler. Eleverne skal herefter give et kvalificeret gæt på, hvad der sker. Hvad er der i boblerne? 7. Øvelse med lysintensitetens betydning for fotosyntese Formålet med øvelsen er at undersøge sammenhængen mellem lysets intensitet og fotosyntesens størrelse. Dette gøres ved at udsætte en plante f.eks. vandpest for forskellige lysintensiteter og registrere, hvor stor den tilsvarende fotosyntese er. Her kan en diskussion om det naturvidenskabelige forsøg med fordel inddrages f.eks. må andre faktorer, udover lyset, ikke ændre sig i løbet af forsøget. Desuden kan en hypotese for, hvordan sammenhængen er mellem lysets intensitet og fotosyntesens størrelse, formuleres og begrundes. Tegn f.eks. en skitse af de forventede forsøgsresultater.

5 Forsøget kræver kun få materialer: Skud af vandpest, reagensglas, danskvand, målestok og en kraftig lampe. Lige inden forsøget skæres stænglerne på vandpest forsigtigt over og skuddene placeres med skudspidsen nedad i et reagensglas med danskvand (indeholder overskud af CO 2, derfor kan CO 2 - mængden holdes konstant) og belyses. Bobler stænglen for kraftigt til, at boblerne kan tælles, skal den afkortes. Bobler stænglen slet ikke vælges en ny plante. Eleverne kan alt efter niveau selv finde på en egnet forsøgsopstilling samt fremgangsmåde. Resultaterne præsenteres i diagrammer f.eks. ved anvendelse af regneark eller lign. Resultaterne analyseres og forklares. Her kan lys- og skyggeplanter inddrages. Eksempel på resultater: 8. Øvelse med fotosyntese, respiration og kulstofkredsløb Denne øvelse findes i et hav af udgaver her følger en generel beskrivelse: Planternes dannelse og forbrug af CO 2 kan følges ved at se på koncentrationen af H +. I øvelsen benyttes en syre-base-indikator: Bromthymolblåt (BTB). Denne indikator er blå, når opløsningen er basisk og gul, når opløsningen er sur. CO 2 i f.eks. udåndingsluft opløses i vand og bliver til kulsyre dermed bliver vandet surt og farven skifter fra blå til gul. Formålet med denne øvelse er at besvare følgende spørgsmål: Forbruger en grøn plante CO 2, når den udsættes for lys? Behøver en grøn plante lys for at kunne lave fotosyntese? Optager eller udskiller en grøn plante CO 2 når den ikke er i lys? Til øvelsen skal bruges 8 reagensglas med tætsluttende propper, BTB, vandpest (Elodea canadensis), danskvand, sugerør, stanniol og evt. lampe. Hæld ca. 2 ml postevand i et reagensglas og tilsæt et par dråber BTB. Stik sugerøret ned i væsken og pust. Væsken skifter fra blå til gul da vandet bliver surt, idet CO 2 i udåndingsluften opløses i vand og bliver til kulsyre. Prøv at tilsætte et par dråber danskvand i stedet for at puste. Danskvand indeholder kulsyre. Fyld de 8 reagensglas med postevand og tilsæt et par dråber BTB. Tilsæt vandpestplanterne og danskvand som det fremgår af skemaet. Reagensglassene stilles lyst et par dage. Mørkeforsøget udføres ved at pakke de sidste 4 reagensglas ind i stanniol. Opstil hypoteser som besvarer de i formålet stillede spørgsmål. Hvilken farve forventes som slutfarve i de enkelte glas? Efter et par dage iagttages farven og noteres i skemaet under slutfarve. Diskuter de opnåede resultater i forhold til de opstillede hypoteser.

6 9. Fotosyntese og respiration opgave fremstillet på baggrund af øvelse i Biofag Særnummer Et godt alternativ til øvelse 8 er den øvelse der er beskrevet i Biofag Særnummer Den virker hver gang! Nedenfor følger en opgave fremstillet på baggrund af udført øvelse. Opgave En gymnasieklasse har lavet et forsøg til belysning af forskellige faktorers indflydelse på iltdannelsen i vandplanter. Iltdannelsen blev påvist med en redoxindikatoren indocarmin. Iltindikatoren er i iltfri (reduceret) tilstand farveløs til svag gullig. Den er meget følsom overfor ilt og regerer med en stærk blå farvedannelse, når den oxideres, altså når den reagerer med ilt. Resultatet af forsøget. Glas 1: Iltindikator. Glas 2: Iltindikator + olie. Glas 3: Iltindikator + kogt plante + lys + olie. Glas 4: Iltindikator + plante + mørke + olie og Glas 5: Iltindikator + plante + lys + olie Hvad kan du konkludere ved at sammenligne glas 5 og 3? Forklar Hvad kan du konkludere ved at sammenligne glas 5 og 4? Forklar Hvad kan du konkludere ved at sammenligne glas 5 og 2? Forklar Hvorfor laves kontrol glas 1 og 2? Hvad er årsagen til forskellen mellem kontrolglassene 1 og 2? Hvilke fejlkilder kan du finde? Forklar forskellen på kvantitative og kvalitative metoder. Beskriv en kvantitativ metode der kan bruges til at undersøge planters fotosyntese. Hvilken betydning har fotosyntesen for vandplanter og vandmiljøet? Tegn en model der viser sammenhængen mellem fotosyntese og respiration. Forklar hvad man forstår ved en plantes bruttoprimærproduktion (BPP). Forklar hvad man forstår ved en plantes nettoprimærproduktion (NPP). Forklar hvordan de tre størrelser BPP, NPP og R hænger sammen? 10. Kulstofkredsløb og produktion Denne opgave er god i forbindelse med at forstå, hvordan fotosyntese og respirationsprocesserne har indflydelse på hinanden. Materialet er en gammel opgave med et kuldioxidregnskab for en bevoksning af blågrå pil en løvfældende dværgbusk der bl.a. vokser i Grønland. Følgende spørgsmål kan f.eks. stilles: Ved hvilke processer forbruges og produceres kuldioxid i de forskellige dele af planten? Vurder ud fra regnskabet hvordan biomassen i bevoksningen af blågrå pil ændres med tiden. Forklar hvordan disse processer har forbindelse til produktion af biomasse. Forklar hvad det betyder at biobrændsel anses for at være CO 2 neutralt.

7 Kilde: Biofag nr Forsøg med planter og jord der kan varieres i det uendelige Med en lille forsøgsopstilling som vist på foto nedenunder kan eleverne lave eksperimenter, der belyser sammenhænge mellem fotosyntese og abiotiske faktorer eller respiration. En plante bliver placeret i et lukket forsøgskammer. CO 2 -koncentrationen måles f.eks. gennem 2 timer den ene i lys derefter i mørke. Dataopsamling foregår med CO 2 sensor og datalogger. En variant af dette forsøg kan udføres ved at grave en tørv fra en udvalgt lokalitet f.eks. den lokale græsplæne eller forskellige typer af skov op med en spade. Tørven skal være ca. 30 x 30 cm og ca. 20 cm tykt. Tørven deles i to lige store dele på den ene del fjernes al vegetation. De to dele tørv placeres i en plastik/fotobakke og et jordrespirometer med CO 2 sensor anbringes på tørven uden vegetation og der indsamles data i ca. en time. Dernæst måles på tørvestykket med vegetation. Herefter kan eleverne finde ud af, hvor den dannede CO 2 kommer fra samt forskellene mellem de to tørvedele. Herfra kan der regnes på alt fra, hvor meget den udskilte CO 2 svarer til i energimængder, hvilket igen kan omregnes til stofmængder. Lærervejledningen er udarbejdet af Marianne Johansson, Nordsjællands Grundskole og Gymnasium, 2010

8 LÆRERVEJLEDNING FOR BROMBÆRSOLCELLENS ANVENDELSE I FYSIKUNDERVISNINGEN Forsøget med brombærsolcellen kan indgå i alle niveauer i fysikundervisningen. Generelt kan det være svært for eleverne at forstå de elektrokemiske processer. Eleverne skal kende lidt basal ellære for at kunne lave en basal analyse af cellens effekt (P = U I). Kendskab til begreberne effekt, spændingsforskel og strømstyrke er en forudsætning. Eleverne vil også skulle bruge et multimeter til de elektriske målinger. Det vil også være nyttigt for eleverne at kende til sollysets intensitet, som måles i W/m 2, sådan at de kan relatere resultatet til noget kendt. Niveau/aktivitet Fysik C Fysik B Fysik A SRP Forskellige emner Energi, alternativ energi, energiproduktion, effekt, lysintesitet, solhøjde. Lysspektre fra solen fra spotlights. Farvelære. Farvespektre. Karakteristikker af spændingskilder. Polspænding. Lineær model af spændingskilder med indre modstand. Nanoteknologi. Nye teknologier. AFM, STM tunneleffekt (disse emner kan også behandles lettere på tidligere fysikniveauer) Forsøg med brombærsolcellen er tidligere blevet brugt i studieretningsprojekter i et samarbejde mellem fysik og kemi. Her kan man inddrage emner, nævnt ved fysik C, B og A. En eksperimentel undersøgelse kunne udvides ved f.eks. at kigge på farveegenskaberne ved solcellen. Evt. kunne man måle på solcellens effektivitet gennem forskellige farvede filtre. Man kunne sammenligne med konventionelle celler. Man kunne undersøge evt. langtidseffekter for solcellen ved at måle på dem i længere tid. Forskellige kommentarer til øvelsen Karakteristik I øvelsesvejledningen bruges en simpel bestemmelse af en brombærsolcelles effekt. Den simple bestemmelse antager en konstant karakteristik (konstant spænding ved varierende strømstyrke), som findes via måling af hvilespændingen og kortslutningsstrømmen. I virkeligheden er solcellens karakteristik ikke konstant. En bedre bestemmelse af effekten kan findes ved at antage en lineær faldende karakteristik. Endnu bedre vil det være at måle solcellens karakteristik ved at variere en belastningsmodstand, der er sat i forbindelse med solcellen. Man vil typisk skulle bruge en dekademodstand, der kan komme op i MΩ området, fordi solcellens indre modstand er relativt stor. En rigtig karakteristik hører bedst hjemme i fysik på B/A-niveau sammen med anden relevant ellære. Effektivitet Solcellen testes bedst i rigtigt sollys. På en klar solskinsdag vil sollyset have en intensitet på omkring 900 W/m 2, når sollyset lyser vinkelret ind på solcellens overflade. Ud fra kendskab til solcellens areal vil effektiviteten nemt kunne bestemmes: Effektivitet = Solcellens effekt [W] (Intensitet for solllys [W/m 2 ]) solcellens areal [m 2 ] Sollysets intensitet kan også bestemmes ved brug af forskelligt relevant udstyr. Har man ikke sollys til rådighed, kan man bruge en halogenspot. Her skal man så udregne lysintensiteten ved at dividere lampens effekt med det areal, der oplyses. Vær opmærksom på, at lys fra halogenlamper indeholder relativt meget IR-stråling i forhold til sollyset. Udstyr der er beregnet til at måle sollysets intensitet kan derfor ikke altid bruges til måling af andre typer lys. Hvis man har tid, kan man både test halogenspot og sollys og få en interessant diskussion om eventuelle forskelle. Almindelige siliciumsolceller har en effektivitet på procent. Man kan forvente at brombærsolcellens effektivitet er meget mindre.

9 Farvefølsomhed Solcellers effektivitet afhænger af lysets bølgelængde (lysets spektralfordeling). Nogle standard Si-solceller er relativt følsomme over for IR-stråling. Hvad med brombærsolcellen? Det er svært at afgøre eksperimentelt. Men vi kan komme med nogle gode antagelser: Et godt gæt er, at solcellens effektivitet er tæt forbundet til brombærfarven (violet når den indfarves sammen med titandioxiden). Komplementærfarven til violet er gullig, dvs. det er den gule del af det synlige lys, som bliver optaget. Den gule farve opfattes naturligvis, hvis øjet ser den gule spektralfarve, men en kombination af grøn og rødt giver også en gul farveopfattelse. Ud fra disse betragtninger kan man argumentere for at brombærsolcellen er ideel, fordi den største del af sollyset ligger i det synlige spektrum med størst intensitet omkring det gul-grønne område. Hvis man har et digital optisk spektrofotometer, kan man i den forbindelse vise eleverne forskellen på halogenlys og sollys. Nanoscience. TiO 2 ikke bare titandioxid. Man kan nemt finde en række forskellige oplysninger om titandioxid på Internettet Wikipedia (engelsk) har en side med mange informationer. For elever kan det selvfølgelig være sjovt at vide, at stoffet er et E-nummer (E171). Det bruges til hvidfarvning i fødevarer og i f.eks. tandpasta, men også i maling, papir o.l. Det specielle ved NanoKit solcellen er, at man skal bruge en ganske speciel størrelse TiO 2 korn for at solcellen virker. Dette fortæller os lidt om udfordringerne i nanoscience ikke nok med at man skal blande de rette materialer, man skal også sørge for, at de har den rigtige størrelse. I øvrigt henvises der til Matematik og Naturfag i Verdensklasse og DASG, som havde brombærsolcellen på programmet. Lærervejledningen er udarbejdet af Mikkel Rønne, Brøndby Gymnasium, 2010