PL4: Měření se softwarem SPARKvue a dataloggerem SPARK SLS

PL4: Měření se softwarem SPARKvue a dataloggerem SPARK SLS SPARK
Téma: Fyzikální experimenty – Zákon zachování energie
Časová dotace: 2 hodiny
Pomůcky: datalogger SPARK SLS, PC se softwarem SPARKvue pro každou pracovní skupinu
(3-5 studentů)
Úvod
Snímky a protokoly
Funkce „Snímek“ slouží k zachycení snímku získaného ve SPARK Science Learning
Systemu.
V „Protokolu“ jsou snímky uloženy, mohou být zobrazeny ve SPARK Science Learning
Systemu.
Funkce „Sdílení“ slouží k exportu či tisku protokolu, s nímž pracujete.
Tento obrázek Vám připomene pořízení snímku
stránky.
Pozn.: Můžete pořídit např. snímek první stránky, a pak jej použít jako titulní stránku
protokolu.
1
Motivační otázka
Jak souvisí energie vozíku na vrcholu horské dráhy s jeho energií na jejím úpatí?
Teorie
Kinetickou energii, energii pohybujícího se tělesa, vyjadřujeme vztahem:
Pro objekt o konstantní hmotnosti je kinetické energie závislá pouze na rychlosti tělesa.
(Kinetická energie tělesa je přímo úměrná čtverci rychlosti tělesa.)
Teoretická průprava
Gravitační potenciální energie je definována vztahem:
Epot = mgh
Těleso umístěné na zemském povrchu má konstantní hmotnost m a působí na něj konstantní
tíhové zrychlení g. To znamená, že je to pouze výška h, ve které je těleso umístěno, na níž
závisí potenciální energie Epot.
2
Kinetickou energii, energii pohybujícího se tělesa, vyjadřujeme vztahem:
Pro objekt o konstantní hmotnosti je kinetické energie závislá pouze na rychlosti tělesa.
(Kinetická energie tělesa je přímo úměrná čtverci rychlosti tělesa.)
Celková energie uzavřeného systému je definována jako součet rozdílných druhů energie:
Ecelk = Ekin + Epot + Etepelná + Esvětla + …
Uvažujme nadále o takovém modelu uzavřeného systému, v němž se celková energie skládá
z energie potenciální a kinetické (ostatní formy zanedbejme). Tyto dvě se pak navzájem
transformují jedna v druhou:
Ecelk = Ekin + Epot
3
Výbava a příslušenství
Před začátkem experimentu si připravte následující věci:
 Senzor pohybu
 Vozík s pístkem
 Úhloměr
 Nárazník
 Držák (příruba)
 Dráha
 Stojan
 Váhy (jedny ve třídě)
Správná posloupnost
A. Z grafu odečtěte vzdálenost d, kterou vozík urazil.
B. Za pomoci držáku uchyťte dráhu na stojánku.
C. Ze vzdálenosti d a úhlu θ určete výšku, ze které vozík sjel.
D. Spusťte sběr dat, potom zmáčkněte uvolňovací tlačítko a vypusťte vozík.
Činnosti nahoře jsou kroky, které budete v následujícím experimentu
provádět. Nejsou však ve správném pořadí. Seřaďte je.
Postup
1. Připevněte nárazník na jeden konec dráhy, na druhém konci připevněte dráhu k tyčce
pomocí držáčku (příruby).
2. Na vyšší konec dráhy připevněte senzor pohybu tak, aby směřoval směrem k
nárazníku.
3. Ujistěte se, že přepínač na senzoru pohybu je v poloze .
Pozn.: Sestavu složte tak, aby vlny ze senzoru pohybu neinterferovaly se stojánkem.
4. Připevněte úhloměr na dráhu co nejblíže k senzoru pohybu.
5. Napojte senzor pohybu na SPARK Science Learning System.
6. Na vahách určete hmotnost vozíku, zaznamenejte ji do textové kolonky vpravo.
7. Vozík s vytaženým pístkem umístěte na dráhu ke konci s nárazníkem.
Zaznamenejte hmotnost vozíku.
4
8. Stiskněte
pro započetí sběru dat, po několika sekundách stiskněte
pro
jeho ukončení.
9. Z číselného displaye odečtěte počáteční polohu vozíku (vzdálenost od senzoru
pohybu) a zaznamenejte ji do textového pole vpravo.
Pořiďte snímek.
Sběr dat
1. Zamáčkněte úplně pístek do vozíku.
2. Umístěte vozík dolu na dráhu.
3. Stiskněte
na započetí sběru dat.
4. Uvolněte pohyb pístku zmáčknutím tlačítka pojistky pístku.
5. Nechte vozík, ať se jednou či dvakrát odrazí od nárazníku naspodu dráhy, pak
ukončete sběr dat stisknutím
.
Analýza dat
1. Z grafu odečtěte vzdálenost d (od místa, kdy se vozík pohyboval s již plně vysunutým
pístkem k místu nejvyššího bodu, jakého vozík na dráze dosáhl).
2. Ze vzdálenosti d a úhlu sklonu tratě θ vypočítejte maximální výšku h, které vozík
dosáhl.
3. Použij h, gravitační konstantu g (9.8 m/s2), a hmotnost vozíku m pro výpočet
potenciální energie vozíku na vrcholu trati.
5
Epot = mgh
4. Z grafu určete počáteční rychlost v vozíku s plně vystřeleným pístkem.
5. Za pomoci počáteční rychlosti vozíku v a jeho hmotnosti m vypočítejte kinetickou
energii Ekin systému v okamžiku, kdy je vozík na dráze nejníže.
6. Za pomoci grafických nástrojů určete Epot systému přibližně ve třetině času, před
prvním odrazem.
7. Za pomoci grafických nástrojů určete hodnotu Ekin ve stejném okamžiku.
Shrnutí
V napnutém luku může být uchována energie až 80 J. Jak rychle poletí 0,1 kg těžký šíp,
jestliže jej z takového luku vystřelíme?
Odkazy
VŠECHNY OBRÁZKY BYLY PŘEVZATY Z DOKUMENTACE FIRMY PASCO NEBO Z VOLNĚ
PŘÍSTUPNÝCH ZDROJŮ CLIP ART NEBO Z VEŘEJNÉ NADACE WIKIMEDIA:
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rollercoaster_dragon_khan_universal_port
_aventura_spain.jpg
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Energy-p-k-i.svg
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acela_2000.jpg
 http://www.freeclipartnow.com/office/paper-shredder.jpg.html
6
PL5: Měření se softwarem SPARKvue a dataloggerem SPARK SLS SPARK
Téma: Chemické experimenty – Množství kyslíku ve vzduchu
Časová dotace: 2 hodiny
Pomůcky: datalogger SPARK SLS, PC se softwarem SPARKvue pro každou pracovní skupinu
(3-5 studentů)
Úvod
Snímky a protokoly
Funkce „Snímek“ slouží k zachycení snímku získaného ve SPARK Science Learning
Systemu.
V „Protokolu“ jsou snímky uloženy, mohou být zobrazeny ve SPARK Science Learning
Systemu.
Funkce „Sdílení“ slouží k exportu či tisku protokolu, s nímž pracujete.
Tento obrázek Vám připomene pořízení snímku
stránky.
Pozn.: Můžete pořídit např. snímek první stránky, a pak jej použít jako titulní stránku
protokolu.
7
Motivace:
Kyslík potřebný k dýchání získáváme ze vzduchu. Z tisku i televizních zpráv víme, že ve
vzduchu roste obsah skleníkových plynů. Samozřejmě vzduch není jen kyslík, je to směs
různých plynů.
Kolik procent kyslíku je ve vzduchu?
Teoretická průprava
• Vzduch je směs dusíku, kyslíku a malého množství jiných plynů, na příklad oxidu
uhličitého a vodní páry.
• Molekuly plynů jsem v neustálém neuspořádaném pohybu a při něm narážejí do sebe
navzájem i do věcí ve svém okolí.
kyslík, O
2
dusík, N
2
oxid uhličitý, CO
2
vodní pára H O
2
Molekuly vzduchu uvnitř a vně baňky.
8
Teorie
• Tlak je síla působící na jednotku povrchu. Měříme ji v SI jednotkách Newton na
čtverečný metr (N/m2), neboli Pascalech (Pa).
• Tlak vzduchu je způsoben nárazy částic na stěny nádoby, ve které se nachází.
• Tlak vzduchu lze ovlivnit změnou:
1. teploty - Když se vzduch ohřeje, částice se pohybují rychleji a narážejí tedy
častěji na stěny nádoby i do sebe. Tlak vzduchu s rostoucí teplotou roste.
2. objemu - Při zvětšení objemu nádoby, ve které se plyn nachází, tlak vzduchu
klesne. To je způsobeno tím, že molekuly mají více prostoru a narážejí méně
často do stěn nádoby.
3. počtu částic - Pokud je v nádobě více částic, zvýší se pravděpodobnost jejich
srážek. To způsobí zvýšení tlaku.
V této laboratorní práci budeme sledovat úbytek kyslíku ve zkumavce za následující
reakce:
• Kyslík (O2) ze vzduchu reaguje se železem (Fe) ve formě železné vlny za vzniku rzi
(Fe2O3).
9
Kyslík jako plyn přispívá k celkovému tlaku v nádobě.
V této chemické reakci reaguje kyslík ze vzduchu a železo za vzniku nové sloučeniny, rzi,
která má pevné skupenství. Tato reakce způsobí pokles tlaku. Dusík a ostatní plyny s železem
nereagují.
Materiál a pomůcky
Před započetím práce si připravte:
• Senzor k měření absolutního tlaku
• Prodlužovací kabel k senzoru
• Komponenty pro spojování (viz obrázek)
• Zkumavku, 25 mm x 150mm
• Zátku s otvorem
• Tyčinku
• Kádinku 150 ml
• Kádinku 500 ml
• Železnou vlnu 1 g
• Ocet 50-60m ml
• Glycerin
• Papírové ručníky
Správná posloupnost
A. Železo očistěte a vložte do zkumavky. Uzavřete.
B. Změřte počáteční a konečný tlak ve zkumavce. Vypočítejte množství kyslíku ve
vzduchu.
C. Železnou vlnu vyčistěte v octě. Tak bude moci železo reagovat se vzduchem.
D. Po ustálení hodnoty tlaku sběr dat ukončete.
Činnosti nahoře jsou kroky, které budete v následujícím experimentu
provádět. Nejsou však ve správném pořadí. Seřaďte je.
10
Příprava pokusu
1. Spojte součástky podle obrázku. Pro snadnější napojení můžete použít několik kapek
glycerinu.
2. Napojte senzor k měření tlaku na SPARK Science Learning System pomocí
prodlužovacího kabelu.
11
3. Spojte součástky na obrázku spojením a otočení asi o jednu osminu.
4. Oddělte takové množství železné vlny, aby vyplnila zkumavku do dvou třetin (asi 1
gram).
5. Rozložte rukou vlákna vlny tak, aby vytvořila co největší povrch.
6. Vymáchejte železnou vlnu v octě. Vložte ji do 150 ml kádinky a na ni nalijte asi 50 ml
octa. Promíchejte tyčinkou a nechte asi jednu minutu působit.
7. Vyjměte vlnu z kádinky s octem a vyklepejte z ní zbytky octa.
8. Rozložte vlákna vlny do plochy a papírovými ručníky osušte poslední zbytky octa.
9. Protřeste železnou vlnu ve vzduchu a odstraňte tak poslední zbytky octa.
10. Železnou vlnu vložte do zkumavky. Postupujte tak, aby měla co největší povrch
(neměla by být nahromaděná u dna zkumavky).
12
Sběr dat
1. Umístěte zátku na zkumavku a stiskněte
pro počátek sběru dat.
2. Vyčkejte, až se tlak ve zkumavce stabilizuje (asi 20 až 30 minut), a stiskněte
pro ukončení sběru dat
Analýza dat
1. Určete počáteční, konečný tlak ve zkumavce a změnu tlaku.
2. Nahrajte počáteční, konečný tlak a změnu tlaku.
3. Spočítejte množství kyslíku ve vzduchu.
Analýza
1. Proč tlak ve zkumavce po chvíli klesl? Zamyslete se nad tím, co se stalo s molekulami
kyslíku ve zkumavce.
2. Proč tlak ve zkumavce neklesl na nulu?
Vyvození závěrů
1. Obvykle uvažujeme, že plyny nemají žádný stálý tvar a pouze vyplňují nádobu, ve
které se nacházejí. Vysvětlete, co se děje v plynech na molekulární úrovni.
2. Vysvětlete, proč kapaliny mají definovatelný tvar.
3. Chemické reakce se zastaví, pokud se spotřebuje jeden z reaktantů. Tento reaktant
označujeme jako limitující, protože právě on limituje množství vzniklého produktu. V
této laboratorní práci byla produktem rez. Co bylo limitujícím reaktantem?
13
Odkazy
VŠECHNY OBRÁZKY BYLY PŘEVZATY Z DOKUMENTACE FIRMY PASCO NEBO Z VOLNĚ
PŘÍSTUPNÝCH ZDROJŮ CLIP ART NEBO Z VEŘEJNÉ NADACE WIKIMEDIA:
 AIR
POLLUTION
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Pollution_de_l%27air.jpg
 MINI
THERMOMETER
http://freeclipartnow.com/smallicons/miscellaneous/thermometer-1.jpg.html
 RUST http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oxid_%C5%BEelezit%C3%BD.PNG
 CORROSIVE
WARNING
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DIN_48442_Warnung_vor_Aetzenden_Stoffen_ D-W004.svg
 BE SAFE http://freeclipartnow.com/signs-symbols/warnings/safety-hands.jpg.html
 VINEGAR http://freeclipartnow.com/household/chores/cleaners/vinegar.jpg.html
 BEAKER http://www.freeclipartnow.com/science/flasks-tubes/beaker-2.jpg.html
 BEAKER http://freeclipartnow.com/science/flasks-tubes/beaker.jpg.htm
14
PL6: Měření se softwarem SPARKvue a dataloggerem SPARK SLS SPARK
Téma: Biologické experimenty – Dýchání klíčících semen
Časová dotace: 2 hodiny
Pomůcky: datalogger SPARK SLS, PC se softwarem SPARKvue pro každou pracovní skupinu
(3-5 studentů)
Úvod
Snímky a protokoly
Funkce „Snímek“ slouží k zachycení snímku získaného ve SPARK Science Learning
Systemu.
V „Protokolu“ jsou snímky uloženy, mohou být zobrazeny ve SPARK Science Learning
Systemu.
Funkce „Sdílení“ slouží k exportu či tisku protokolu, s nímž pracujete.
Tento obrázek Vám připomene pořízení snímku
stránky.
Pozn.: Můžete pořídit např. snímek první stránky, a pak jej použít jako titulní stránku
protokolu.
15
Úkol
Když rostlinná semena dýchají, produkují oxid uhličitý.
• Ovlivňuje teplota rychlost produkce oxidu uhličitého (CO2)?
• Produkují více CO2 nenaklíčená nebo naklíčená semena?
Teoretický úvod
• Všechny živé organismy potřebují k přežití, růstu a rozmnožování se energii.
• Organismy využívají energii ve formě ATP (Adenosin trifosfátu) - energii obsahující
malé molekule.
• Organismy přeměňují cukry a ostatní makromolekuly do ATP procesem, který se
nazývá buněčné dýchání.
Teorie
• Chemická reakce buněčného dýchání (fotosyntézy):
C6H12O6 + 6O2 ----> 6CO2 + 6H2O + energie
• CO2 je konečný produkt reakce.
Množství vytvořeného CO2 udává rychlost fotosyntézy, která probíhá uvnitř
organismu.
• Proces fotosyntézy probíhá v mitochondrii všech eukaryotních buněk.
Materiál a pomůcky
Před začátkem pokusu si opatřete tyto pomůcky.
• PASPORT senzor oxidu uhličitého
• PASPORT prodlužovací kabel
• Láhev na vzorky (součást senzoru)
• 1 kádinku (1000 mL)
• 10 suchých semen
• Led (kostkový nebo rozdrcený)
• Papírové kapesníčky
• Vodu
• 10 klíčících semen v pokojové teplotě
• 10 klíčících semen v ledové vodě
Správná posloupnost
A. Vyhodnotit data.
B. Měřit množství vyprodukovaného CO2 nenaklíčenými semeny.
C. Měřit množství vyprodukovaného CO2 klíčícími semeny
D. Měřit množství CO2 vyprodukovaného studenými semeny.
16
Činnosti nahoře jsou kroky, které budete v následujícím experimentu
provádět. Nejsou však ve správném pořadí. Seřaďte je.
Postup:
Sběr dat: Nenaklíčená semena
1. Připojte PASPORT prodlužovací kabel k SPARK Science Learning System. Zapojte CO2
senzor do kabelu a pak zmáčkněte zelené tlačítko na senzoru pro vykalibrování.
2. Vložte 10 inaktivních (suchých) semen do vzorkové láhve.
3. Vložte do ní konec CO2 senzoru. Pevně ucpěte konec láhve gumovým těsněním.
Sběr dat: Nenaklíčená semena
Poznámka: Zabraňte otřesům lahve během testu, jinak by vaše výsledky nebyly přesné!
1. Zmáčkněte
pro spuštění.
2. Zaznamenejte data na 10 minut, poté zmáčkněte
3. Vyndejte čidlo a semena z láhve.
4. Vypláchněte vodou.
k ukončení procesu.
Sběr Dat: Semena v pokojové teplotě
1. Vložte do kádinky 10 klíčících semen pokojové teploty .
2. Vložte sensor do kádinky.
3. Zmáčkněte
ke startu sběru dat.
4. Zaznamenejte data po dobu 10 minut a poté stiskněte
5. Vytáhněte sensor a semena z kádinky.
6. Propláchněte kádinku pod tekoucí vodou
Sběr dat: Zmrzlá semena
1. Naplňte mísu či velkou kádinku ledem a vodou.
2. Umístěte 10 ochlazených naklíčených semen do vzorkové láhve. Lahev umístěte do
mísy s ledem, aby semena zůstala studená.
3. Vložte sensor do vzorkové lahve.
1. Zmáčkněte
ke startu získávání dat.
17
2. Zaznamenejte data po dobu 10 minut a poté stiskněte
3. Vytáhněte sensor a ochlazená semena z kádinky.
4. Propláchněte kádinku pod tekoucí vodou.
Analýza Dat
1. Určete změnu v koncentraci CO2 pro všechny testy, a zaznamenejte informace do
datové tabulky.
2. Zaznamenejte počáteční, konečnou, a změnu v koncentraci CO2 pro všechny průběhy,
do datové tabulky.
Analýza
1. Jaká je míra produkce CO2 nenaklíčených semen ve srovnání s mírou produkce CO2
pro semena klíčící při pokojové teplotě? Co tyto informace naznačují?
2. Jak se míra produkce CO2 pro semena klíčící při pokojové teplotě porovná s mírou
produkce CO2 pro chlazená klíčící semena? Co tyto informace naznačují?
3. Jak se vaše předpovědi shodují s právě získanými poznatky?
4. Co jste zjistili?
Syntéza
1. Pokud dojde k buněčnému dýchání během klíčení semen, co se stane s koncentrací
CO2 pokud přidáme vodu do vzorové lahve naplněné suchým hráškem?
2. Jaká je chemická rovnice fotosyntézy? Ve které části buňky tento proces probíhá?
3. Jaký plyn se vypouští během buněčného dýchání?
4. Vysvětlete, proč rostliny potřebují provádět buněčné dýchání, ačkoli jsou
fotosyntetické.
5. Kteří vnější činitelé mohou ovlivnit rychlost buněčného dýchání v organismu?
Odkazy
VŠECHNY OBRÁZKY BYLY PŘEVZATY Z DOKUMENTACE FIRMY PASCO NEBO Z VOLNĚ
PŘÍSTUPNÝCH ZDROJŮ CLIP ART NEBO Z VEŘEJNÉ NADACE WIKIMEDIA:
 http://www.openstockphotography.org/image-licensing/cellbiology/Plant_cell_structure.png
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_limabean.jpg
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ATP-3D-sticks-rotate90.png
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagram_of_an_animal_mitochondrion.svg
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Soda_bubbles_macro.jpg
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pro-Atomo.gif
 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondria,_mammalian_lung__TEM.jpg
18