Krop og energi - Opgaver og lidt noter 1 / 14 Krop og Energi Et undervisningsforløb i samarbejde mellem fysik og biologi. Dette dokument viser fysikdelen. En tilhørende LoggerPro fil viser målinger og yderligere spørgsmål. Forløbet har været brugt i det naturvidenskabelige grundforløb. Materialer: Til hovedforsøget anvendes der en svedekasse bestående af et stort gammelt (ikke tilsluttet) køleskab. En elev lægger sig ned i det i en tidsperiode på ca. 30 minutter. (Køleskabet ligger ned og der er lagt et tæppe i bunden ). Ved hjælp af 4 sensorer (http://www.vernier.com) tilsluttet til programmet LoggerPro (http://www.vernier.com) måles iltkoncentration, CO2-koncentration, temperatur og luftfugtighed i svedekassen. Som et blind forsøg placeres derefter en glødepære i stedet for forsøgspersonen i kassen og der måles i et tilsvarende tidsforløb.
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 2 / 14 Forløbet er bygget op som opgaver og spørgsmål, delvis i forbindelse med enkelte mindre eksperimenter og delvis sammen med ovenstående svedekasse-målinger (se også den medfølgende fil svedekasse.cmbl). OBS: Målingerne refereret i dette dokument er ikke de samme som målingerne i LoggerProfilen. Begge er kun tænkt som baggrundsmateriale og illustration af opgaverne. Litteratur: Orbit C, Morten Brydensholt, Tommy Gjøe, Johannes Grønager, Claus Jessen, Ole Keller, Jan Møller og Jens Vaaben, Systime (2005), kapitel 5 Kroppen i bevægelse, s. 163-190 Krop og Energi, Torben Lenskjær og Jørgen Aagren Nielsen, Gyldendal, 1989
Opgave 1: Svedekassens varmekapacitet En 100W pære anbringes i svedekassen, og tid, temperatur og omsat energimængde måles. Måleresultaterne ses i nedenstående grafer: 1: Temperaturen som funktion af tiden: Krop og energi - Opgaver og lidt noter 3 / 14 Graf 1: Hvad viser målingerne? 2: Tilført energimængde som funktion af temperaturen: Graf 2. Hvad viser målingerne? (Du skal som minimum forklare hvad hældningskoefficientens betydning) OBS Det er ikke hele kassens varmekapacitet der beregnes, da der ikke nås temperaturligevægt - fx er ydersidens temperatur ikke den samme som indersidens - den er jo godt isoleret, men det er en værdi vi kan bruge til beregninger, når der er en person i kassen).
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 4 / 14
Opgave 2: Kassens volumen (0,34686 m 3 = 346,86 L = 346860 cm 3 ) Kassens dimensioner er: 1,50 m x 0,47 m x 0,492 m Beregn kassens volumen (angiv facit i m 3, cm 3 og liter ) Krop og energi - Opgaver og lidt noter 5 / 14 Opgave 3: Luftens densitet (massefylde) Ved hjælp af en cykelpumpe pumpes 0,61 g luft ind i en kugle. Luften slippes ud i et apparat, og luftens volumen bestemmes til 0,53 liter. Bestem luftens densitet. (1,15 g/liter) Opgave 4: Bestem massen af atmosfærisk luft i kassen (Benyt facit fra opgave 2 og 3) (1,15 g/l. 346,860 L = 399 g) Opgave 4a: Den specifikke varmekapacitet for luft er ca. 1,0. Beregn varmekapaciteten for luftmængden i kassen. Kommenter resultatet. Opgave 5: Sammensætning af jordens atmosfære: Luftens normale sammensætning: 78% N2, 20,9% O2, 0,93% Ar og 0,034 % CO2 (Alle angivet i volumenprocent) Desuden meget små mængder af: Ne, He, Kr, H2 og Xe. Herudover er der i variable mængder: H2O (vanddamp), CH4, N2O, O3 (Ozon), CFC-gasser (Freon - tidligere brugt som fx kølemiddel i køleskabe), HCl, SO2.. Kan du koble nogle af disse stoffer til nogle miljøproblemer som fx drivhuseffekten, forsuring eller hullet i ozonlaget? Opgave 6: Vis at der er ca. 270 liter kvælstof i kassen.
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 6 / 14 En elev anbringes i svedekassen, og luftens temperatur og indhold af ilt og kuldioxid måles (i volumen-%). Desuden måles den relative luftfugtighed. (Se også den medfølgende LoggerPro fil). Hvordan forventer du at disse størrelser vil ændre sig - og hvorfor?
Opgave 7: I nedenstående grafer ses et udsnit af måleresultaterne: Beskriv graferne og angiv betydningen af hældningskoefficienten. Hvor mange liter ilt har eleven forbrugt i løbet af 1 minut? (Beregn fx hvor mange liter ilt der er i kassen til tiden 3 minutter og til tiden 4 minutter) Krop og energi - Opgaver og lidt noter 7 / 14 Graf 3. Graf 4.
Graf 5. Krop og energi - Opgaver og lidt noter 8 / 14
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 9 /14 Opgave 8: Benyt graf 2 og graf 3 til at bestemme hvor stor en energimængde kassen modtager i løbet af 1 minut (Når Nikolaj ligger i kassen). (ca. 4,9 kj) Opgave 9: Hvilken effekt svarer dette til? (ca. 82W) Opgave 10: Vil du forvente at Nikolajs "hvileeffekt" er større eller mindre end den effekt du beregnede i opgave 9? (Hvad har vi glemt at tage højde for?) Opgave 11: Når der er nok ilt tilstede taler man om en aerob energifrigørelse, som kan beskrives på følgende måde: Næringsstof + O2 CO2 + H2O + energi (i form af ATP) Når næringsstoffets kemiske sammensætning er kendt, kan reaktionsligningen afstemmes: Ved forbrænding af glukose reagerer glukosen med ilt og der dannes kuldioxid og vand under frigivelse af energi. Afstem den kemiske reaktion - forklar hvordan du gør. C H O + O CO + H O Afstem dernæst forbrændingen af alkohol: C H OH + O CO + H O Opgave 12: 6 2 12 5 6 2 2 2 2 2 2 Kroppens energiomsætning afspejles altså i iltforbruget, som kan måles på forskellig måde. For at kunne beregne energiomsætningen ud fra iltforbruget skal man altså kende den energimængde, der frigives i kroppen ved forbrænding af næringsstofferne under forbrug af 1 liter O2. Energimængden der afgives ved forbrug af 1 liter ilt, afhænger af, om det er kulhydrat, protein eller fedt der forbrændes. Ved almindelig blandet kost kan man rene med, at: Der frigives ca. 20 kj pr. forbrugt liter O2. Øverst på næste side vises måleresultater fra (avancerede) målinger, der målt energiomsætning i kroppen som funktion af målt iltforbrug.
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 10 / 14 Er denne graf i overensstemmelse med ovenstående? (Angiv en tilnærmet værdi for hældningskoefficienten og forklar dens betydning)
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 11 / 14 Sammenhængen mellem kroppens energiomsætning og iltforbruget (VO2 står for volumen O2) graf 6. Opgave 13: Ud fra målinger af iltkoncentrationen som funktion af tiden og kassens volumen, er det muligt at lave nedenstående graf, der viser iltindholdet i kassen (her målt i liter) som funktion af tiden.
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 12 / 14 graf 7. Hvad viser grafen? Benyt oplysningerne fra opgave 12 (og grafens hældningskoefficient) til at beregne energiomsætningen i kroppen i løbet af 1 minut. Opgave 14: Hvilken effekt svarer dette til? Sammenlign denne værdi med de "1,16 W/kg" der omtales i e1 på side 232 i Orbit 1, idet det oplyses, at forsøgspersonen vejer 67 kg. Sammenlign desuden med opgave 8. Opgave 15: Nedenstående grafer viser temperaturen i kassen som funktion af tiden når der er anbragt en 100 Watts pære i kassen (den øverste) og når Nikolaj er i kassen. Hvad viser målingerne om Nikolajs "hvileeffekt"?
Krop og energi - Opgaver og lidt noter 13 / 14 Opgave 16: Du skal finde en varedeklaration og kontrollere om det opgivne energiindhold er i overensstemmelse med oplysningerne om indholdet af proteiner, kulhydrater og fedtstoffer og deres brændværdier. (Du kan eventuelt vælge en af opgaverne på side 239 i Orbit 1) Kommenter evt. betydningen af forskellige slags fedtstoffer og samfundsproblemer knyttet til dette emne. Opgave 17: Ud fra målinger af kuldioxidkoncentrationen som funktion af tiden og kassens volumen, er det muligt at lave nedenstående graf, der viser kuldioxidindholdet i kassen (her målt i liter) som funktion af tiden. graf 8.
Sammenlign denne graf med graf 7 i opgave 13. Krop og energi - Opgaver og lidt noter 14 / 14 (Det er muligt, at jeres biologilærer vil omtale den såkaldte "respiratoriske koefficient" som er tæt på 1 for ren kulhydratforbrænding, og tæt på 0,7 for ren fedtforbrænding)