Lærervejledninger til øvelser i Mobil Lab 1

Transkript

1 Lærervejledninger til øvelser i Mobil Lab 1 Traileren vil stå på skolen i enten 1 eller flere uger, afhængig af hvad skolen har booket. I traileren befinder der sig i alt 4 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 virtuelle landskaber og opleve, hvordan kroppen reagerer forskelligt på belastningen. 4. GPS position, bevægelse og puls. Eleverne bliver her udstyret med hvert sit GPS/pulsur og sendt ud på tur for at løse forskellige opgaver. Der findes i alt GPS/pulsure, og det er altså muligt at 2 grupper kan arbejde tidsforskudt ved denne arbejdsstation, og på den måde tage højde for at grupperne arbejder i forskelligt tempo. Øvelserne 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 øvelsen GPS i dublet. 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 A Gruppe B 1. periode 2. periode 3. periode 4. periode 5. periode 6. periode 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 Perioderne kan fx have en varighed på minimum 30 min. GPS 1 GPS 1 GPS 2 GPS 2

2 1. Isoleret kasse temperatur, luftfugtighed og effekt Eleverne skal beregne deres basale energiomsætning i en isoleret kasse ved at måle temperaturændring og relativ 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 isoleret 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 eleverne skal følge på den trykfølsomme skærm, er der en kalibreringskurve i form af effekt som funktion af sluttemperaturen. Fordampning af sved er en endoterm (=energikrævende) proces. Så længe den relative luftfugtigheden er mindre end 0 % vil kroppen afgive energi til omgivelserne ved fordampning. 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, 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 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi Iltindholdet falder, mens kuldioxidindholdet stiger så længe forsøgspersonen respirerer i kassen.

3 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 måle-intervaller. 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 papirklips 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. Til forsøget skal anvendes en fugtighedssensor. Den skal normalt ikke kalibreres. Fugtighedssensoren måler relativ fugtighed i øvelsesvejledningen bliver dette omregnet til absolut fugtighed. Nærmere oplysninger om hvordan de enkelte sensorer virker og hvordan de kalibreres, kan findes i brugsanvisninger bagerst i mappen.

4 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 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, 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 ind- og 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 CO 2 og O 2 indholdet 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. Kuldioxid-sensoren kan indstilles på to måle-intervaller. Den bør sættes på den største skala (udåndingsluft indeholder forholdsvis høje koncentrationer af CO 2).

5 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 papirklips 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: 1. Afmonter masken fra ventilen. Klik nettet af masken. VENTIL 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. Spray maskens inderside med sprit og dup den tør med papirserviet. 5. Skyl den brugte maske under rindende vand. Placer den herefter i baljen med sæbevand. 6. Monter den nye maske på ventilen. Klik nettet fast på masken. 7. Begge masker skal afleveres tørre og rengjorte. NET MASKE

6 3. Cykelrace puls, effekt og hastighed Eleverne kan her cykle om kap i virtuelle landskaber 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 manualen. Analyse af data Eleverne kan enten udskrive dataene fra cykeletapen på farveprinteren, eller bare tage et billede at resultatet på skærmen. Der er fire kurver med forskellige farver: hastighed (=speed) effekt (=power) kadence (=cadence) puls Den farvede baggrund nederst angiver cykeletapens højdeprofil. Tilbage på skolen, bør kurverne kunne give gode muligheder for at diskutere sammenhæng mellem effekt, puls, stigning og hastighed.

7 Forhold man skal være specielt opmærksom på 1. Der er mange muligheder i programmet, så eleverne kan hurtigt komme på afveje. Følger de manualen, undgår man dette, men hvis de ændrer i indstillingerne, vil dette også få konsekvenser for de næste grupper 2. Problemer med kadence-sensoren: Hvis kadence-sensoren ud for pedalen ikke registrerer et signal, vil elmotoren bremse baghjulet. Hvis dette problem opstår, er det nødvendigt at justere kadence- sensoren sådan, at den står lige overfor magneten, der er fæstet til venstre pedal. 3. Signalet fra pulsbæltet har en rækkevidde på et par meter. Det er derfor muligt at sensorene fanger signalet fra det pulsbælte, der tilhører rytteren på det andet cykelhold. Hvis begge cykler står lige langt fra skærmen, vil dette sjældent være et problem. 4. Hvis programmet ikke modtager signaler fra pulsbæltet kan der være to årsager: Enten er der dårlig kontakt mellem elektroderne i bæltet og huden (husk saltvand), eller også er pulsfunktionen slået fra i programmet. Tekniske forhold ved sensorer Til måling af pulsen anvendes en brystspændt pulsmåler. Pulsmåleren indeholder en trådløs sender med en rækkevidde på ca. 1-2 meter. Elektroderne opfanger de små elektriske signaler, der udsendes, når hjertet slår. Før brystspændet placeres, fugtes elektroderne med saltopløsning. Placer brystspændet lige under brystet. Man får de mest nøjagtige målinger hvis elektroderne har direkte hudkontakt. 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 I værkstedet her skal eleverne ud på et orienteringsløb. Eleverne 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 værkstedet hører GPS-/pulsure, så to grupper kan arbejde samtidigt. Tilrettelæggelse af rute Der skal beskrives en rute eleverne skal følge og den kan indeholde forskellige poster, eller kendte punkter, som angiver forskellige aktiviteter. Hele ruten skal placeres udendørs. Under planlægningen af ruten bør man udnytte de muligheder som findes i skolens nærmiljø fx trapper som der kan løbes op og ned af, bakket område hvor der kan indsamles data i forhold til at bevæge sig op og ned i terrænet osv. Ruten og posterne skal tilrettelægges på en sådan måde, at det giver eleverne mulighed for at observere sammenhænge mellem terræn, bevægelse, hastighed og puls-frekvens. Eksempler på poster: 1. Frem til næste post skal I gå i et hurtigt tempo aftal en hastighed. (Det er en god idé at lægge en sådan tur i et varieret terræn hvor eleverne bevæger sig både op og ned af bakker)

9 2. Frem til næste post skal i veksle mellem løb og gang: ½min løb ½min gang ½ min løb ½min gang. Herefter slår I over i følgende rytme: 2 min løb ½ min gang 2min løb ½ min gang 3. Frem til næste post skal I løbe forsøg at holde en hastighed på 9 km/t (se på uret om i holder denne hastighed). 4. I skal vente med at bevæge jer videre indtil jeres puls er nået under 80 slag/minutet (I venter alle til den sidste har fået pulsen under 80). Herefter skal I bevæge jer videre til næste post og i skal på denne del af turen holde jeres puls på et niveau mellem 80 og 90 slag/min. Alle venter ved den næste post til sidste person er ankommet. 5. Frem til næste post skal i forsøge at få jeres puls til at stige og falde, mens I konstant er i bevægelse. I følger jeres pulsfrekvens på GPS-/pulsuret. Først skal I arbejde jeres puls op på 150 slag/minut. Når I når 150 slag/minut skal I få pulsen til at falde. Når pulsen er faldet til 0 slag/minut skal I igen arbejde pulsen op til 150 slag/minut. Denne rytme fortsætter I med indtil I når næste post. Ved næste post venter alle på at sidste person er kommet frem. Beskrivelse af pulssensor, GPS-/pulsur og computer 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

10 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 af data til computer Når man har gennemført en rute, og har trykket stop og reset, overføres data automatisk til den computer, som uret er tilknyttet. 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.