Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ Environmentální výchova

Název: Autor: Vydání: Počet stran: Určeno pro projekt: Číslo projektu: Vydavatel: Tisk:

Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ – Environmentální výchova Mgr. Miroslav Rosík 1. vydání, 2010 49 Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách CZ.1.07/1.1.07/02.0047 Ostravská univerzita v Ostravě REPRONIS s.r.o.

© Miroslav Rosík © Ostravská univerzita v Ostravě

OBSAH: Úvod ........................................................................................................................................... 7 1

2

3

Měřicí systém EdLaB ....................................................................................................... 9 1.1

Průběh měření v reálném čase .................................................................................... 9

1.2

Více měření současně ................................................................................................. 9

1.3

Výhody použití měřicího systému ve výuce ............................................................ 10

1.4

Charakteristika měřicího systému ............................................................................ 10

Popis softwaru ................................................................................................................ 11 2.1

HiScope .................................................................................................................... 11

2.2

Editor senzorů .......................................................................................................... 12

2.3

Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eProLab .............. 12

2.4

Kalibrace nového čidla ............................................................................................. 13

2.5

Postup spuštění experimentu .................................................................................... 14

2.5.1

Pro jedno čidlo ..................................................................................................... 14

2.5.2

Pro více čidel ........................................................................................................ 14

2.6

Seznam dodaných čidel ............................................................................................ 15

2.7

Citovaná a doporučená literatura.............................................................................. 16

Technický popis čidel ..................................................................................................... 17 3.1

Čidlo oxidu uhličitého (CO2-BTA) ......................................................................... 18

3.1.1

Technický popis čidla........................................................................................... 18

3.1.2

Princip fungování čidla ........................................................................................ 18

3.1.3

Možná použití čidla .............................................................................................. 19

3.1.4

Návrhy experimentů ............................................................................................. 19

3.1.5

Citovaná a doporučená literatura.......................................................................... 20

3.2

Kyslíkové čidlo (O2-BTA)....................................................................................... 21

3.2.1


3.2.2


3.2.3


3.2.4

Návrhy experimentů ............................................................................................. 22

3.2.5


3.3 3.3.1

Čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku (DO-BTA)...................................................... 24 Technický popis čidla........................................................................................... 24

3.3.2


3.3.3


3.3.4


3.4

Hlukoměr (SLM-BTA) ............................................................................................ 26

3.4.1


3.4.2


3.4.3


3.4.4


3.5

Infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo (IRT-BTA) ............................................ 28

3.5.1


3.5.2


3.5.3


3.5.4


3.6

Bodové teplotní čidlo (STS-BTA) ........................................................................... 31

3.6.1


3.6.2


3.6.3


3.7

Zákaloměr (TRB-BTA) ............................................................................................ 33

3.7.1


3.7.2


3.7.3


3.7.4


3.8

Čidlo kyselosti (PH-BTA) ........................................................................................ 35

3.8.1


3.8.2


3.8.3


3.8.4


3.9

Čidlo intenzity světla (LS-BTA) ............................................................................. 38

3.9.1


3.9.2


3.9.3


3.9.4


3.10

Čidlo UVA záření (UVA-BTA) .............................................................................. 40

3.10.1

Technický popis čidla....................................................................................... 40

3.10.2

Princip fungování čidla .................................................................................... 40

3.10.3

Možná použití čidla .......................................................................................... 40

3.10.4

Citovaná a doporučená literatura...................................................................... 41

3.11

Čidlo UVB záření (UVB-BTA) .............................................................................. 42

3.11.1


3.11.2


3.11.3


3.11.4


3.12

Čidlo relativní vlhkosti vzduchu (RH-BTA) ........................................................... 44

3.12.1


3.12.2


3.12.3


3.12.4


3.13

Barometr (BAR-BTA).............................................................................................. 46

3.13.1


směrnice: k1 = 78,001 kPa/V ............................................................................................ 46 směrnice: k1 = 78,001 mbar/V.......................................................................................... 46 směrnice: k1 = 0,077 atm/V .............................................................................................. 46 směrnice: k1 = 58,52 mm Hg/V ........................................................................................ 46 směrnice: k1 = 2,292 in Hg/V .......................................................................................... 46 3.13.2


3.13.3


Závěr ........................................................................................................................................ 49

Úvod

7

Úvod Žijeme v době, kdy kvalita života je značně ovlivňována stavem životního prostředí. Ekologie a ochrana přírody jsou témata, která musí zajímat snad každého z nás. Všichni chceme žít v prostředí, které bude mít pozitivní vliv na každého člověka. Současná příroda však značně trpí – doprava, průmysl, kyselé deště, změny klimatu a další vlivy se podepisují na lidském zdraví, počtu vyhynulých rostlinných či živočišných druhů. Změny vyvolané nejen činností člověka lze sledovat a zkoumat. Ideálním pomocníkem se stává počítač a možnosti informačních a komunikačních technologií (ICT), které se staly nedílnou součástí dnešního moderního světa. Počítač můžeme propojit s dalšími periferiemi a tím zvýšit počítačový výkon, schopnosti a možnosti celého zapojeného systému. Počítačová sestava doplněná o vhodné periferie se stává výborným motivačním prostředkem, který zvyšuje zájem žáků o další vzdělávání a poznávání environmentálních problémů. Propojení ICT se vzdělávacím obsahem přírodovědných oborů má přínos i pro rozvoj klíčových kompetencí - kompetence k učení, kompetence komunikativní, kompetence k řešení problémů a kompetence pracovní. V kurzu, který je zaměřen na měřicí sady a jejich využití, získáváte dvě studijní opory, první s názvem: „Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ“, ta je určena přímo pro využití ve výuce, jelikož obsahuje celé řešené úlohy, ať již ve formě metodických materiálů pro učitele, tak i pracovních listů pro žáky. Druhá studijní opora, jejíž obsah jste právě začali studovat, obsahuje především teoretickou rovinu problematiky měřících sad a návrhy možného využití ve výuce environmentální výchovy na základních školách. Studijní opora je rozdělena na několik částí, které by měly co nejvíce přiblížit možnosti využití čidel ve výuce. První část se věnuje měřicímu systému EdLaB a jeho technickým parametrům. Druhá část přibližuje možnosti softwaru eProLaB, jeho princip fungování a ovládání. Třetí část vysvětluje technický popis čidel využitelných v rámci environmentální výchovy a je doplněna o příklady možného využití. Obsah studijní opory se snaží o jediný cíl – přiblížit přírodní děje a pochody prostřednictvím měřicích sad a umožnit uplatnění kreativity učitelů i žáků při poznávání přírodních zákonitostí technickými prostředky současného světa. Autor Po prostudování textu budete znát: • popis čidel měřicí sady, • základní využití měřicích sad ve výuce environmentální výchovy. Budete schopni • implementovat měřicí sady do výuky environmentální výchovy, • navrhnout další využití měřicích sad ve výuce environmentální výchovy.

8

Úvod

Získáte: • základní orientaci v měřicích sadách a možnostech jejich využití ve výuce environmentální výchovy.

Měřicí systém EdLaB

9

1 Měřicí systém EdLaB

Educational Laboratory Board je univerzální měřicí vzdělávací zařízení. Lze propojit s počítačem a sledovat průběh experimentů v přírodních vědách. Ve školách najde uplatnění při podpoře aktivní experimentální činnosti žáků v hodinách fyziky, biologie, chemie nebo environmentální výchovy, s využitím specializovaných sad měřicích sond, senzorů a příslušenství. Žáci mohou řešit úlohy ve formě laboratorních prací nebo problémových úloh formulovaných v souladu se školními vzdělávacími programy. Měřicí systém EdLaB se připojuje k počítači přes USB rozhraní. Na počítači se naměřená data zobrazují na přehledných grafech, na kterých je zobrazen průběh měření.

1.1 Průběh měření v reálném čase Oproti klasickým měřidlům (teploměr, voltmetr, vlhkoměr, atd.) dokáže rozhraní EdLaB zaznamenávat jak velmi rychlé děje trvající jen několik milisekund, tak naopak pomalé děje trvající i několik dní. Naměřené hodnoty se zaznamenávají do paměti a ty mohou být uloženy a zpracovány ve formě tabulek, grafů a dalších přehledů. Výsledek průběhu měření je díky EdLaB přesnější a s vyšší citlivostí než u běžných měřidel. Žáci pak nemusejí hodnoty neustále odečítat a průběh měření vidí přehledně na počítači.

1.2 Více měření současně Zdlouhavé měření jedné veličiny ručně je časově velice náročné, obtížné a pro žáky nezábavné. Co potom může být měření více veličin současně (například tlaku a teploty nebo proudu a napětí)? Systém EdLaB umí pohodlně měřit až 6 veličin současně. Po připojení čidel a senzorů zobrazuje naměřená data na přehledných grafech, kde je vidět vzájemný vztah mezi všemi měřenými veličinami.

Měřicí systém EdLaB

10

1.3 Výhody použití měřicího systému ve výuce • • • •

Podporuje efektivnější využití času výuky. Podporuje aktivitu žáků ve vyučovací hodině. Lze srovnat měřené předpoklady s reálnými výsledky. Díky okamžitému zobrazení naměřených hodnot jsou veličiny pochopitelnější. Měřicí metody simulují postupy v reálném výzkumu či laboratoři. Je možné uchovat data a hodnoty pro pozdější využití. Díky EdLaB můžete měřit a současně vyhodnocovat data v terénu.

• • •

1.4 Charakteristika měřicího systému Název

Educational laboratory board

Rozhraní pro připojení

USB, maximální napájecí proud je 0,5 A

Rozlišení převodníku

10 bitů

Vzorkovací frekvence

50 kHz

Analogové vstupy pro připojení senzorů

6 vstupů s ochranou proti přepětí

Digitální vstupy pro připojení senzorů

1 vstup + 1 servisní

Analogový výstup

1 analogový + 1 PWM

Sběrnice s digitálními vstupy a výstupy

1 x 12 bitů + 1 x 4 bity

Popis otevřeného komunikačního protokolu

ano

Příklady pro komunikaci

Delphi, Visual Basic, C/C++

Popis softwaru

11

2 Popis softwaru Čidla jsou připojována k systému EdLab, se kterým byl použit program eProLab. Program eProLab podporuje experimenty běžící v reálném čase. Využívá data získaná ze systému EdLab.

Obrázek 2-1 Prostředí eProLab

Jak je vidět z obrázku, program eProLab obsahuje několik modulů, z nichž jsou pro použití ve třídě podstatné především HiScope a Editor senzorů.

2.1 HiScope HiScope je obsáhlý modul v balíku modulů eProLab. Je navržen pro použití analogových čidel jako ultrazvukový dálkoměr, senzor EKG, spirometr, apod. HiScope nabízí několik možností, jak zobrazovat číselná data (graf závislý na čase, graf s Fourierovou transformací, graf závislý na jedné proměnné,…).

Obrázek 2-2 Nástrojová lišta modulu HiScope

Popis softwaru

12 1: Vybrat připojená čidla 2: Vymezit proměnné 3: Graf y(t)

2.2 Editor senzorů Modul Sensor Editor usnadňuje práci s analogovými senzory. Umožňuje jejich přidávání a odebírání z programu eProLab a kalibraci čidel. Data uložená tímto modulem pro jednotlivá čidla následně využívají moduly jako HiScope.

1 2

Obrázek 2-3 Modul Editor senzorů

1: Směrnice k1 2: Počátek k0

2.3 Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eProLab -

Nejprve připojíme čidlo k portu „vin0“ systému EdLaB. Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. Na počítači spustíme program eProLab a zapneme Sensor Editor. Klikneme na Insert new. V levé liště s výběrem čidel se zobrazí nové čidlo (New sensor). Klikneme na New sensor a zadáme jeho parametry (viz obrázek 2.3).

Popis softwaru

13

2.4 Kalibrace nového čidla Kalibraci nového čidla můžeme provést dvěma způsoby: a) Zadání známých kalibračních hodnot. Například pro siloměr známe kalibrační hodnoty Směrnice k1: 175,416; Počátek k0: –19,295. Po přidání siloměru do Sensor Editoru vepíšeme tyto kalibrační hodnoty do příslušných kolonek (viz obrázek 2.3). Poté zavřeme Sensor Editor. Při zavírání se na monitoru objeví výzva k uložení změněných dat. Po potvrzení této výzvy máme čidlo přidáno a nakalibrováno, takže již bude přístupné v ostatních modulech. b) Kalibrace čidla podle dvou známých hladin měřené veličiny. Například pro infrateploměr připravíme v jedné kádince ledovou tříšť s vodou a ve druhé vodu, kterou přivedeme do varu. Připojíme infrateploměr a zapneme Sensor Editor (viz výše). Spustíme kalibraci „calibrate“ a poté namíříme čidlo do kádinky se směsí ledové tříště a vody. Pro ujištění, že snímáme teplo z vody v kádince, zapneme laserový značkovač (viz Infrateploměr). Do kolonky se snímanou teplotou (pole bude označeno podle popisu jednotky, jaký jste zvolili při připojení čidla v poli „Variable“, obrázek 2.3) vepíšeme 0 a stiskneme enter. Vpravo se nám hodnota vyznačí v grafu. Poté postup zopakujeme pro kádinku s vařící vodou a vepíšeme 100. Po potvrzení entrem se vpravo vyznačí druhý bod a spojnice obou bodů, vyjadřující lineární závislost napětí na teplotě. Poté ukončíme Sensor Editor a při ukončování potvrdíme výzvu k uložení nových dat. Poznámka: Uvedený postup s infrateploměrem slouží pouze jako příklad, protože infrateploměr je kalibrován sám o sobě a může díky displeji fungovat i jako samostatné čidlo a není ho většinou potřeba kalibrovat. Takový postup kalibrace můžeme provést s kterýmkoliv čidlem s lineární závislostí proměnných.

Obrázek 2-4 Kalibrace b)

1

1: Pole pro vepsání známé hodnoty měřené veličiny.

Popis softwaru

14

2.5 Postup spuštění experimentu 2.5.1 2.5.2 -

Pro jedno čidlo Nejprve připojíme čidlo k portu systému EdLaB. Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. Na počítači spustíme program eProLab a zapneme modul HiScope. Spustíme „Vybrat připojená čidla“. Ve sloupci „Dostupná čidla“ označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole „Přidat“, vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Spustíme „Vymezit proměnné“. Klikneme na pole „Vybrat jednu“ a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Spustíme „Graf y(t)“. Pod označením „Vodorovná osa“ klikneme na pole „Přidat“ a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky „Zobrazit hodnoty“, „Spojit čára“ a „Symboly“. Spustíme „Vzorkovací čas a spouštění“. V oddíle „Vzorkovací čas“ ve sloupci „Vzorkovací perioda“ a ve sloupci „Počet vzorků“ nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment. V oddíle „Spouštění“ zaškrtneme „Jednotlivý“ a vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku „Start měření“. Pro více čidel Nejprve připojíme čidla k portům systému EdLaB. Pokud mají čidla spouštěcí spínač, zapneme ho. Na počítači spustíme program eProLab a zapneme modul HiScope. Spustíme „Vybrat připojená čidla“. Ve sloupci „Dostupná čidla“ označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole „Přidat“, takto postupně přidáme všechna čidla. Po přidání čidla nesmíme zapomenout zvolit vedle pole „Vin“, které označuje kanál, správné číslo kanálu. A to podle toho, ke kterému portu systému EdLaB jsme čidla připojili (např. Vin0, Vin1, Vin2,…). Vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Spustíme „Vymezit proměnné“. Klikneme na pole „Vybrat vše“ a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Spustíme „Graf y(t)“. Pod označením „y(t):1“ „Vodorovná osa“ klikneme na pole „Přidat“, přepneme na „y(t):2“ a opakujeme postup pro další čidlo. Tímto způsobem přidáme všechna čidla a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky „Zobrazit hodnoty“, „Spojit čára“ a „Symboly“. Spustíme „Vzorkovací čas a spouštění“. V oddíle „Vzorkovací čas“ ve sloupci „Vzorkovací perioda“ a ve sloupci „Počet vzorků“ nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment.

Popis softwaru

-

15

V oddíle „Spouštění“ zaškrtneme „Jednotlivý“ a vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku „Start měření“.

2.6 Seznam dodaných čidel Pro využití na základních školách jsou k dispozici následující čidla a jejich parametry: Čidlo oxidu uhličitého – měření 2 rozsahy: 0 až 10000 ppm a 0 až koncentrace plynného oxidu uhličitého 100 000 ppm Kyslíkové čidlo – měření koncentrace Minimální rozsah 0 až 27 % plynného kyslíku Čidlo kyselosti – pH metr

Rozsah 0 až 14

Konduktometr – měření elektrické vodivosti kapalin

Minimální rozsahy měření: 0-200 µS/cm, 0-1000 µS/cm a 0-10000 µS/cm

Barometr – měření atmosférického tlaku Hygrometr – čidlo relativní vlhkosti vzduchu

Minimální rozsah 80 kPa až 120 kPa Minimální rozsah 0 až 95 %

Luxmetr – čidlo intenzity světla

Minimální rozsahy 0 až 600 luxů, 0 až 6000 luxů nebo 0 až 150 tisíc luxů

Spirometr – měření průtoku vzduchu, určení vitální kapacity plic

Rozsah ±10 litrů/s

Siloměr se 2 rozsahy

Rozsahy ±10 N a ±50 N

Infrateploměr – infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo

Minimální rozsah -20 °C až 400 °C

Termočlánkový teploměr

Minimální rozsah: -200 °C až 1400 °C

Teploměry 12 ks

Minimální rozsah -20 °C až 120 °C

Čidlo polohy a pohybu

Minimální rozsah 15 cm až 6 m

Ampérmetr

Rozsah ±600 mA

Voltmetr

Rozsah ±10 V

K této sadě se dodává 6 ks měřicího systému EdLaB pro vytvoření 6 ks měřicích zařízení.

Popis softwaru

16

2.7 Citovaná a doporučená literatura www.EdLaB.cz/dokumenty/popis-softwaru.doc http://www.vernier.cz/produkty/senzory

Technický popis čidel

17

3 Technický popis čidel V této kapitole se dozvíte: • jaké jsou technické parametry čidel měřicích sad, • jaký je princip fungování čidel, • jaké je možné využití vybraných čidel. Po jejím prostudování byste měli být schopni: • popsat čidla v měřicí sadě, • rozlišit čidla kalibrovaná, • provést kalibraci čidel. Klíčová slova kapitoly: čidlo, měřicí sada, kalibrace. V následujícím textu se seznámíte s čidly, které lze využívat ve výuce environmentální výchovy na základní škole. Vybraná čidla jsou doplněna obrázkem, technickým popisem, principem fungování a příklady možného využití. Navržené experimenty vycházejí z obsahu učiva přírodovědných předmětů na základní škole. U některých experimentů lze kombinovat používaná čidla a v rámci jediného pokusu sledovat více parametrů. Prvotní setkání s čidly a programem eProLaB bude přinášet učiteli řadu těžkostí – zapojení, spuštění, kalibrace, nastavení, příprava biologického materiálu a možná budou i další překvapení. Nevzdávejte se! Bojujte! Každým dalším pokusem v práci s čidly získáte jistotu a rutinu, kterou následně předáte i svým žákům. Spojíte-li síly s dalšími kantory přírodovědných předmětů ve vaší škole, výsledek se dostaví! Přeji Vám hodně zdaru při studiu i práci s celou měřicí sadou!

Autor

Čidlo oxidu uhličitého

18

3.1 Čidlo oxidu uhličitého (CO2-BTA)

Senzor pro měření koncentrace oxidu uhličitého ve vzduchu, který umožňuje řadu experimentů zejména z oblasti biologie a chemie.

3.1.1 Technický popis čidla

rozsah čidla

nízký: 0 to 10 000 ppm vysoký: 0 to 100 000 ppm

typická přesnost při nízkém rozsahu

±100 ppm nebo ±10%

typická přesnost při vysokém rozsahu

±100 ppm nebo ±20%

čas odezvy

95 % skutečné hodnoty po 120 sekundách

doba přípravy

90 sekund

rozsah výstupního signálu

0 – 4,0 V

napájení

5 V (±0.25 V)

princip měření tlaku

difúze

rozsah pracovních teplot

25 °C (± 5°C)

rozsah pracovní vlhkosti

5 – 95 % (bez kondenzace)

rozsah skladovacích teplot

-40 až +65 °C

3.1.2 Princip fungování čidla Čidlo měří koncentraci plynného oxidu uhličitého v rozsahu 0 až 10 000 ppm, nebo 0 až 100 000 ppm (dle nastavení rozsahu). Čidlo měří velikost změny intenzity infračerveného záření o vlnové délce 4 260 nm, absorbovaného molekulami oxidu uhličitého mezi vysílacím a přijímacím čidlem. Oxid uhličitý plyne dovnitř a následně ven ze senzorové trubice přes 20 větracích otvorů.


19

Čidlo CO2 měří plynný oxid uhličitý v jednotkách ppm (part per milion). V plynné směsi 1 jednotka z milionu odkazuje na 1 jednotku objemu v 1 milionu objemových jednotek z celku. Koncentrace 600 ppm pro CO2 je jednoduše míněna jako 600 l CO2 z celých 1 000 000 l vzduchu. Pro srovnání se množství oxidu uhličitého v zemské troposféře postupně zvyšuje z 317 ppm v r. 1960 na současnou hladinu 380 ppm. Vydechovaný lidský dech má oxid uhličitý v koncentraci přibližně na 50 000 ppm. 3.1.3 Možná použití čidla • • • • • •

studium lidského dýchání, studium růstu a dýchání rostlin a hmyzu, sledování průběhu fotosyntézy, sledování koncentrací v učebnách, studium pučení kvasinek, studium chemického složení kalcitu, ulit či lastur, skořápek ptačích vajíček.

3.1.4 Návrhy experimentů

3.1.4.1 Měření koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo oxidu uhličitého Postup: Je vhodné provádět měření na různých místech, kde se předpokládají zásadní rozdíly ve výsledcích – les, louka, ulice, křižovatka, výrobní provoz, školní dvůr, tělocvična, uzavřená učebna, odvětraná učebna apod (viz úloha 9 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Naměřené koncentrace dokumentují kvalitu životního prostředí v místě měření. Z hodnot lze odvodit vlivy, které negativně ovlivňují složení vzduchu. 3.1.4.2 Měření koncentrace oxidu uhličitého během klíčení rostlin Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo oxidu uhličitého, Petriho miska, tácek, obilky pšenice obecné, skleněný poklop Postup: Obilky pšenice obecné namočíme do vody a necháme je tam minimálně 2 dny, dokud nebudou nabobtnalé. Poté je vyjmeme z vody, lehce otřeme, dáme do Petriho misky a položíme na připravený tácek. Misku se semeny a kyslíkovým čidlem přikryjeme nádobou (nejlépe velkou kádinkou) a v místě nálevky prostrčíme kabely měřidel. Velmi důležité je zabezpečení dobrého utěsnění nádoby, aby nemohlo docházet k výměně plynů mezi nádobou a okolím. Je možné využít kancelářskou pásku, kterou přilepíme


20

nádobu k tácku. Musíme pečlivě zaizolovat i ústí kabelů z nádoby! Úlohu lze spojit s měřením koncentrace kyslíku během klíčení rostlin. Závěr: Klíčení jako většina biologických procesů vyžaduje určité podmínky, které jsou pro jednotlivé druhy charakteristické. Hlavní faktory ovlivňující klíčení: množství vody, kyslíku, slunečního záření a velkou roli sehrává také teplota. Dýchání je procesem při klíčení semen, v jehož průběhu se vytváří CO2 a spotřebovává se O2. 3.1.4.3 Měření

koncentrace

oxidu

uhličitého

ve vydechovaném lidském dechu Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo oxidu uhličitého, igelitová taška Závěr: Při dýchání tělo spotřebovává kyslík a vylučuje oxid uhličitý, proto je ve vydechovaném vzduchu větší koncentrace CO2 a menší koncentrace O2 než ve vdechovaném vzduchu. Úlohu lze spojit s měřením koncentrace kyslíku ve vydechovaném lidském dechu. 3.1.4.4 Měření koncentrace oxidu uhličitého během hoření Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo oxidu uhličitého, svíčka, zápalky, skleněný zvon či jiná uzavřená nádoba Závěr: V průběhu hoření svíčky dochází ke spotřebovávání kyslíku, aby se vytvářely jiné sloučeniny a to především oxidy. Z těchto důvodů se hoření také často říká oxidační proces. Jedním z dalších produktů je vznik CO2. V laboratorních podmínkách by mělo dojít k uhašení svíčky do 2 minut. Pokusem lze vysledovat koncentraci kyslíku, při které dojde k uhašení svíčky, ale i změnu koncentrace CO2 během hoření. Úlohu lze spojit s měřením koncentrace kyslíku během hoření. 3.1.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/CO2-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/co2-bta.pdf

Kyslíkové čidlo

21

3.2 Kyslíkové čidlo (O2-BTA) Senzor pro měření koncentrace kyslíku ve vzduchu umožňuje řadu experimentů zejména z oblasti biologie a chemie.


rozsah čidla

0 % až 27 %

přesnost při normálním tlaku

±1 %

rozlišení

0,01 %

rozsah pracovních teplot

5 °C až 40 °C

rozsah skladovacích teplot

-20 až 60°C

relativní vlhkost, při které přístroj 0% až 95 % může pracovat čas potřebný k 90% přiblížení ke cca 12 sekund konečné hodnotě

3.2.2 Princip fungování čidla Čidlo využívá elektrochemický článek tvořený olověnou anodou a zlatou katodou, které jsou ponořeny do elektrolytu. Kvůli ponoření do elektrolytu je důležité čidlo uchovávat ve správné poloze (je vyznačeno na krabičce šipkou). Molekuly kyslíku se při průchodu tímto uspořádáním na katodě redukují a tato elektrochemická reakce je zdrojem proudu, který je úměrný koncentraci kyslíkových molekul mezi elektrodami.

3.2.3 Možná použití čidla • • • •

studium lidského dýchání, studium růstu a dýchání rostlin a hmyzu, sledování průběhu fotosyntézy, studium koncentrace kyslíku v atmosféře.

Kyslíkové čidlo

22 3.2.4 Návrhy experimentů

3.2.4.1 Měření

koncentrace

kyslíku

ve

vydechovaném

lidském dechu Pomůcky: PC, řídicí jednotka, kyslíkové čidlo, igelitová taška Závěr: Při dýchání tělo spotřebovává kyslík a vylučuje oxid uhličitý, proto je ve vydechovaném vzduchu větší koncentrace CO2 a menší koncentrace O2 než ve vdechovaném vzduchu. 3.2.4.2 Měření koncentrace kyslíku během hoření Pomůcky: PC, řídicí jednotka, kyslíkové čidlo, svíčka, zápalky, skleněný zvon či jiná uzavřená nádoba Závěr: V průběhu hoření svíčky dochází ke spotřebovávání kyslíku, aby se vytvářely jiné sloučeniny a to především oxidy. Z těchto důvodů se hoření také často říká oxidační proces. Jedním z dalších produktů je vznik CO2. V laboratorních podmínkách by mělo dojít k uhašení svíčky do 2 minut. Pokusem lze vysledovat koncentraci kyslíku při které dojde k uhašení svíčky. 3.2.4.3 Měření koncentrace kyslíku během klíčení rostlin Pomůcky: PC, řídicí jednotka, kyslíkové čidlo, Petriho miska, tácek, obilky pšenice obecné, skleněný poklop Postup: Obilky pšenice obecné namočíme do vody a necháme je tam minimálně 2 dny, dokud nebudou nabobtnalé. Poté je vyjmeme z vody, lehce otřeme, dáme do Petriho misky a položíme na připravený tácek. Misku se semeny a kyslíkovým čidlem přikryjeme nádobou (nejlépe velkou kádinkou) a v místě nálevky prostrčíme kabely měřidel. Velmi důležité je zabezpečení dobrého utěsnění nádoby, aby nemohlo docházet k výměně plynů mezi nádobou a okolím. Je možné využít kancelářskou pásku, kterou přilepíme nádobu k tácku. Musíme pečlivě zaizolovat i ústí kabelů z nádoby! Závěr: Klíčení jako většina biologických procesů vyžaduje určité podmínky, které jsou pro jednotlivé druhy charakteristické. Hlavní faktory ovlivňující klíčení: množství vody, kyslíku, slunečního záření a velkou roli sehrává také teplota. Dýchání je procesem při klíčení semen, v jehož průběhu se vytváří CO2 a spotřebovává se O2.

Kyslíkové čidlo

23

3.2.4.4 Měření koncentrace kyslíku v atmosféře Pomůcky: PC, řídicí jednotka, kyslíkové čidlo Postup: Abychom mohli porovnávat naměřené hodnoty, je vhodné provádět měření na různých místech, kde se předpokládají zásadní rozdíly ve výsledcích – les, louka, ulice, křižovatka, výrobní provoz, školní dvůr, tělocvična, uzavřená učebna, odvětraná učebna apod (viz úloha 9 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Naměřené koncentrace dokumentují kvalitu životního prostředí v místě měření. Z hodnot lze odvodit vlivy, které negativně ovlivňují složení vzduchu. 3.2.5 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/O2-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/o2-bta.pdf

Čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku

24

3.3 Čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku (DO-BTA)

Čidlo umožňuje měřit koncentraci kyslíku rozpuštěného ve vodě a vodných roztocích.

3.3.1 Technický popis čidla rozsah čidla citlivost čidla přesnost čidla

0 - 15 mg/l 0,014 mg/l ± 0,2 mg/l

3.3.2 Princip fungování čidla Čidlo pracuje na principu elektrolýzy – senzor je tvořen elektrolytem (KCl), katodou (Pt) a anodou (Ag/AgCl), přičemž vše je od zkoumaného vzorku odděleno pro plyny propustnou membránou. Na katodu je přiváděno stálé napětí, částice kyslíku procházejí cestou ke katodě membránou a redukují se, na anodě probíhá oxidace. Proud procházející obvodem je úměrný koncentraci kyslíku ve zkoumaném vzorku. 3.3.3 Možná použití čidla • • • • •

studium dýchání a fotosyntézy vodních rostlin, sledování závislosti koncentrace kyslíku na teplotě vody či množství světla, sledování koncentrace kyslíku v akváriu (v závislosti na množství rostlin, živočichů), sledování změn koncentrací kyslíku vzhledem k přítomnosti různých chemických látek ve vodě, sledování průběhu pučení kvasinek.

3.3.3.1 Měření koncentrace kyslíku ve vzorcích vody Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku, různé vzorky vody, kádinky Postup: Pro srovnání provedeme měření koncentrace ve vodě rozpuštěného kyslíku s několika vzorky z různých odběrných míst – řeka, rybník, zahradní

Čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku

25

jezírko, štěrkovna, pitná voda, minerální voda (viz úloha 3 studijní opory k výuce biologie). Závěr: Z měření vyplývá, že vzorky vody se liší koncentrací O2 podle místa odběru. 3.3.3.2 Měření koncentrace kyslíku během fotosyntézy vodních rostlin Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku, sklenice, víčko se třemi otvory, brčko, izolepa, vodní rostlina (Anubius), voda, zdroj světla Postup: viz úloha 6 studijní opory k výuce evironmentální výchovy Závěr: Z měření vyplývá, že koncentrace O2 ve vodě se vlivem probíhající fotosyntézy zvyšuje. 3.3.3.3 Vliv teploty na koncentraci kyslíku ve vodě Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku, bodové teplotní čidlo, voda, kádinka, vařič nebo kahan, stojan Postup: Pokus připravíme podle nákresu – kádinka s 500 ml vody (1); vařič nebo kahan (2); čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku (3); bodové teplotní čidlo (4). Měření provádějte, dokud teplota vody nedosáhne 40 °C.

Závěr: Hodnoty koncentrace O2 na počátku a konci experimentu se značně liší. Vlivem zahřívání vody dochází k úbytku kyslíku. 3.3.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/DO-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/do-bta.pdf

Hlukoměr

26

3.4 Hlukoměr (SLM-BTA)

Čidlo se dvěma rozsahy, které umožňuje měřit hladinu hluku.

3.4.1 Technický popis čidla 35 - 90 dB nebo 75 - 130 dB

rozsah čidla citlivost čidla přesnost čidla

0,1 dB

frekvenční rozsah

31,5 Hz až 8000 Hz

± 1,5 dB

3.4.2 Princip fungování čidla Senzor je vybaven mikrofonem, který měří akustický tlak. Výstup z tohoto mikrofonu je filtrován, zesilován a převáděn na hodnoty hladiny hluku. Senzor musí být při měření namířen mikrofonem přímo na zdroj hluku, neboť se využívá funkce směrového mikrofonu. Zvukoví technici sestavují slyšitelné spektrum zvuku v oktávových skupinách. Spínač frekvenčního zatížení na čidlu se používá k přidání nebo odečtení rozdílných hodnot součástí oktávových skupin. Spínač má dvě rozdílná nastavení “A” a “C”. Nastavení “A” zvukových hladin vynechá nízké frekvence a má snímací charakteristiku podobnou lidskému uchu. Při tomto nastavení čidla měříme hlavně v rozsahu 500 až 10 000 Hz. Nastavení “C” zvukových hladin nevynechává nízké frekvence a měří rovnoměrně v celém rozsahu frekvencí 30 až 10 000 Hz. Toto rozhraní je používáno pro měření zdrojů jako motory, exploze a stroje. Zvukové hladiny měřené v těchto dvou nastaveních mají vlastní označení jednotek “dBA” a “dBC”.

Hlukoměr

27


sledování hlučnosti prostředí – škola, učebny, chodby, křižovatka, dopravní zatížení, sledování hlasových projevů zvířat – ptáci, savci, sledování přírodních dějů – déšť, bouřka, vítr, ozvěna, měření krevního tlaku. 3.4.3.1 Měření hluku v prostředí

Pomůcky: PC, řídicí jednotka, hlukoměr Postup: Měření provádíme v místech, kde je předpoklad, že naměřené hodnoty budou dosahovat výrazných odlišností – vlakové nádraží, křižovatka, dálniční přivaděč, továrna, školní jídelna, školní chodba během přestávky, čekárna, nákupní centrum, louka, les, pole, řeka apod. (viz úloha 7 studijní opory k výuce evironmentální výchovy). Závěr: Podle míst zvolených k měření hluku v prostředí lze diskutovat o kvalitě života v příslušném místě. 3.4.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/SLM-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/slm-bta.pdf

Infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo

28

3.5 Infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo (IRTBTA)

Tento teploměr umožňuje bezkontaktní měření teploty pasivním snímáním infračerveného záření vyzařovaného předměty. Snímaná data lze přímo odečítat nebo zaznamenávat do počítače v průběhu času. Předností teploměru je kromě bezkontaktního měření (na dálku) také rychlá odezva. Není třeba čekat na vyrovnání teplot měřeného objektu a teploměru.

3.5.1 Technický popis čidla -20 °C až 400 °C

rozsah čidla citlivost čidla přesnost čidla

1 °C

rychlost odezvy

1 sekunda

provozní teplota

0 °C až 50 °C

provozní relativní vlhkost

do 70 %

spektrální odezva

6 až 14 µm

zářivost

nastavená 0,95

výdrž baterií (4×AAA)

zhruba 100 hodin

± 2 % nebo ± 3 °C

3.5.2 Princip fungování čidla Každý objekt vyzařuje elektromagnetické záření, jehož spektrum a intenzita závisí na teplotě povrchu tohoto objektu a na vlastnosti zvané emisivita. Emisivita dokonale černého tělesa je 1, pro většinu běžných objektů můžeme počítat s emisivitou okolo 0,95 – což je i přednastavená hodnota pro tento teploměr. U lesklých objektů, které mají výrazně nižší emisivitu, dochází proto ke špatnému čtení teploty. Můžeme si pomoci natřením malého kousku povrchu na černo, nebo nalepením černé pásky. K určování teploty slouží senzor citlivý na záření o vlnových délkách 600 nm až 1400 nm. Teplota je určována z tvaru spektra.


29

Záření vstupuje do senzoru z určitého prostorového úhlu, který si můžete představit jako kužel s vrcholem v teploměru a průměrem 6,5 cm ve vzdálenosti 1 m od senzoru. Na to je potřeba dát pozor při měření teploty malých předmětů (je třeba být dostatečně blízko, aby nebylo detekováno i jiné záření než to, které nás zajímá). Toto čidlo je továrně nastaveno a není navrženo pro kalibraci.

3.5.3 Možná použití čidla • • • • •

sledování teploty různých částí lidského těla – hlava, krk, břicho, záda, končetiny apod., sledování teploty různých částí lidského těla po námaze, sledování teploty v prostředí, sledování teplotní rovnováhy v místnosti, sledování teploty živočichů v přirozeném prostředí.

3.5.3.1 Teplotní rovnováha v místnosti Pomůcky: PC, řídicí jednotka, infračervené teplotní čidlo Postup: Při měření v místnosti se zaměřujeme na teplotu – podlahy, stropu, stěn, parapetu, zdroje vytápění místnosti. Měření provedeme na začátku vyučovací hodiny a opakujeme je před závěrem vyučovací hodiny. Během hodiny neotvíráme okna ani dveře. Je dobré zvolit menší učebnu s co nejlepší tepelnou izolací. Závěr: Výsledek měření dokazuje, že lidé jsou zdrojem tepla, které předávají svému okolí. Lidské teplo se uvolňuje přes pokožku a dýcháním. Člověk dokáže regulovat množství uvolňovaného tepla a rychlost jeho předávání. 3.5.3.2 Teplota živočichů Pomůcky: PC, řídicí jednotka, infračervené teplotní čidlo Postup: Teplotu živočichů lze měřit v přirozeném prostředí nebo měření provádíme v učebně, kde jsou domácí mazlíčci žáků. Měření provádíme podle podmínek školy – exkurze do ZOO; návštěva na statku, u včelaře či chovatele; školní hospodářství; chovatelská výstava; domácí mazlíčci žáků na návštěvě ve škole. Závěr: Měřením lze porovnávat tělesnou teplotu různých druhů zvířat.

30


3.5.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/IRT-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/irt-bta.pdf

Bodové teplotní čidlo

31

3.6 Bodové teplotní čidlo (STS-BTA)

Teplotní čidlo pro kontaktní měření teploty v jednom bodě. Díky malému objemu má teploměr rovněž malou tepelnou kapacitu, proto reaguje rychle a téměř neovlivňuje teplotu zkoumaného vzorku.

3.6.1 Technický popis čidla rozsah čidla přesnost čidla

-25 až 124 °C ± 0,2 °C nebo ± 0,5 °C


sledování teploty různých přírodních dějů, sledování teploty prostředí, měření teploty vody, měření teploty během fotosyntézy (vliv teploty na produkci kyslíku), sledování průběhu klíčení semen.

3.6.2.1 Vliv teploty na produkci kyslíku během fotosyntézy Pomůcky: PC, řídicí jednotka, bodové teplotní čidlo, čidlo oxidu uhličitého, kyslíkové čidlo, pelargónie, skleněný poklop, zdroj tepla Postup: Použijeme menší pelargónii, aby se dala umístit pod skleněný poklop. Je-li zasazená v květináči nebo nádobce s hlínou, zaizolujeme ji tak, aby nebyl možný únik plynů do vnějšího okolí. Pelargónii se všemi čidly umístíme na podložku a vše přikryjte poklopem. Zahájíme měření. Po jedné vyučovací hodině zapojíme zdroj tepla a pokračujeme v měření další vyučovací hodinu. Závěr: V průběhu fotosyntézy stoupá koncentrace O2 a koncentrace CO2 klesá. Teplota ovlivňuje rychlost produkce kyslíku.

Bodové teplotní čidlo

32 3.6.2.2 Teplota prostředí Pomůcky: PC, řídicí jednotka, bodové teplotní čidlo

Postup: Měření provádíme v uzavřeném prostředí školní budovy a jejich učeben, nebo měříme v přirozeném prostředí. Porovnáváme teplotu učeben s okny na různé světové strany, učebny v různých patrech budovy. Sledujeme vliv slunce na teplotu v učebnách, nebo vliv počtu žáků ve třídě na teplotu v učebně. V přirozeném prostředí si všímáme teploty na slunci a ve stínu. Měření provádíme na stejném místě v různých výškách. Závěr: Naměřené hodnoty se liší dle místa měření a jsou ovlivněny řadou faktorů – orientací a velikostí prostor, umístěním a polohou, vlivem slunce. 3.6.2.3 Vliv teploty na koncentraci kyslíku ve vodě Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku, bodové teplotní čidlo, voda, kádinka, vařič nebo kahan, stojan Postup: Pokus připravíme podle nákresu – kádinka s 500 ml vody (1); vařič nebo kahan (2); čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku (3); bodové teplotní čidlo (4). Měření provádějte, dokud teplota vody nedosáhne 40 °C.

Závěr: Hodnoty koncentrace O2 na počátku a konci experimentu se značně liší. Vlivem zahřívání vody dochází k úbytku kyslíku. 3.6.3 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/STS-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/sts-bta.pdf

Zákaloměr

33

3.7 Zákaloměr (TRB-BTA)

Optický zákaloměr (nefelometr) umožňuje zkoumat jednu ze základních vlastností kvality vody - zákal. Obsahuje-li voda nerozpuštěné pevné částice, je procházející světlo pohlcováno a zároveň rozptylováno, přičemž stupeň zákalu je ovlivňován jak velikostí a tvarem pevných částic, tak jejich poměrným zastoupením. Míra zákalu se obvykle udává v jednotkách NTU (Nephelometric Turbidity Units).

3.7.1 Technický popis čidla rozsah čidla citlivost čidla přesnost čidla

0 až 200 NTU 0,25 NTU ± 2 NTU

3.7.2 Princip fungování čidla Kyveta se zkoumanou kapalinou je prosvícena infračerveným paprskem, který se na částečkách v kapalině rozptyluje do všech směrů. Pod úhlem 90° ke směru paprsku je umístěna citlivá fotodioda - detektor intenzity rozptýleného záření. Z množství rozptýleného světla je určena míra zákalu.

Zákaloměr

34

Obrázek 3-1 Ilustrace zákalu pro konkrétní hodnoty (NTU)

3.7.3 Možná použití čidla • • •

sledování kvality vody, sledování kvality vody a jejího vlivu na průběh fotosyntézy, sledování kvality vody s ohledem na výskyt ryb a jiných živočichů.

3.7.3.1 Voda a její znečištění Pomůcky: PC, řídicí jednotka, zákaloměr, čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku, bodové teplotní čidlo, čidlo kyselosti, kádinky, různé vzorky vody Postup: K měření využijeme různé vzorky z vodních zdrojů. Pro porovnání lze odebrat i několik vzorků ze stejného zdroje, ale na různých místech tohoto zdroje. Při měření sledujeme několik parametrů – kalnost, teplotu, množství kyslíku, pH (viz úloha 4 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Vzorky se liší stupněm znečištění vody. Rozdíly jsou viditelné i ve vzorcích ze stejného zdroje, ale různých odběrných míst. Odchylky jsou i v koncentracích kyslíku. 3.7.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/TRB-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/trb-bta.pdf http://www.optek.com

Čidlo kyselosti

35

3.8 Čidlo kyselosti (PH-BTA)

Čidlo kyselosti použitelné nejen v chemických experimentech k určení kyselosti neboli pH. Není-li senzor používán, je třeba uchovávat ho v lahvičce s přechovávacím roztokem. Kyselost neboli pH (anglicky potential of hydrogen, potenciál vodíku, též vodíkový exponent) je definována jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivity oxoniových kationtů: pH = - log(a(H3O+)), kde a značí aktivitu iontu (H3O+). V chemii toto číslo vyjadřuje, zda vodný roztok reaguje kysele, či naopak alkalicky (zásaditě). Jedná se o logaritmickou stupnici s rozsahem hodnot od 0 do 14; přitom neutrální voda má pH rovno 7. U kyselin je pH < 7 (čím menší číslo, tím "silnější" kyselina), naopak zásady mají pH > 7 (čím větší číslo, tím "silnější" zásada).

3.8.1 Technický popis čidla rozsah čidla citlivost čidla provozní teplota

0 - 14 pH 0,005 pH 5 °C až 80 °C

3.8.2 Princip fungování čidla Čidlo obsahuje elektrodu z Ag/AgCl a vytváří výstupní napětí, které se mění s kyselostí prostředí. Pro pH = 7 je toto napětí 1,75 V, jeho přírůstek o 0,25 V odpovídá úbytku pH o 1 (analogicky úbytek o 0,25 V představuje přírůstek pH o 1). 3.8.3 Možná použití čidla • • • •

měření kyselosti půdy, studium dešťových srážek – kyselé deště, sledování kvality vody, měření kyselosti či zásaditosti chemických reakcí.

Čidlo kyselosti

36

3.8.3.1 Voda a její znečištění Pomůcky: PC, řídicí jednotka, zákaloměr, čidlo ve vodě rozpuštěného kyslíku, bodové teplotní čidlo, čidlo kyselosti, kádinky, různé vzorky vody Postup: K měření využijeme různé vzorky z vodních zdrojů. Pro porovnání lze odebrat i několik vzorků ze stejného zdroje, ale na různých místech tohoto zdroje. Při měření sledujeme několik parametrů – kalnost, teplotu, množství kyslíku, pH (viz úloha 4 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Vzorky se liší stupněm znečištění vody. Rozdíly jsou viditelné i ve vzorcích ze stejného zdroje, ale různých odběrných míst. Odchylky jsou i v koncentracích kyslíku i pH. 3.8.3.2 Kyselé deště – dešťové srážky Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo kyselosti, kádinky, různé vzorky dešťové vody Postup: K měření využijeme různé vzorky dešťové vody. Pro srovnání lze provést měření u destilované, minerální či pitné vody. Závěr: U zkoumaných vzorků jsou rozdíly v naměřených hodnotách. 3.8.3.3 Vznik kyselých dešťů Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo kyselosti, sklenice, víčko s dvěma otvory, brčko, voda Postup: viz úloha 5 studijní opory k výuce environmentální výchovy Závěr: Do sklenice foukaný CO2 se ve vodě postupně rozpouštěl a tím se měnilo pH směrem ke kyselému prostředí. Ve sklenici vznikal slabý roztok kyseliny uhličité. 3.8.3.1 Půda Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo kyselosti, vzorky půd, destilovaná voda Postup: viz úloha 10 studijní opory k výuce environmentální výchovy Závěr: Odebrané vzorky půd se liší svým pH.

Čidlo kyselosti

3.8.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/PH-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/ph-bta.pdf

37

Čidlo intenzity světla

38

3.9 Čidlo intenzity světla (LS-BTA)

Čidlo reagující na intenzitu světla obdobně jako lidské oko (co se týče citlivosti na jednotlivé části spektra). Tři měřicí rozsahy umožňují zkoumat osvětlení v širokém rozmezí světelných podmínek.

3.9.1 Technický popis čidla 0 lx až 600 lx

rozsah čidla při slabém osvětlení citlivost čidla při slabém osvětlení rozsah čidla při běžném osvětlení

0,2 lx

citlivost čidla při běžném osvětlení

2 lx

rozsah čidla při slunečním svitu

0 lx až 150000 lx

citlivost čidla při slunečním svitu

50 lx

0 lx až 6000 lx

3.9.2 Princip fungování čidla Senzor využívá křemíkovou fotodiodu, která vytváří napětí úměrné intenzitě dopadajícího světla.


měření intenzity světla, studium vlivu intenzity světla na průběh fotosyntézy, sledování vlivu světla na klíčení rostlin či pohyby rostlinného těla, sledování závislosti intenzity světla na vzdálenosti od zdroje.

Čidlo intenzity světla

39

3.9.3.1 Intenzita světla Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo intenzity světla Postup: Měření provádíme v rámci učebny i dalších prostor školy. Sledujeme rozdíly podle polohy učeben či místa měření v učebně. Abychom mohli porovnávat naměřená data, měříme při slunečném dnu, ale i při zatažené obloze. Můžeme sledovat i vliv osvětlení v místnosti na naměřené hodnoty. Závěr: Výsledky měření dokladují, že naměřené intenzity světla ovlivňuje stanoviště měření. 3.9.3.2 Vliv světla a tepla na produkci kyslíku během fotosyntézy Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo intenzity světla, bodové teplotní čidlo, čidlo oxidu uhličitého, kyslíkové čidlo, pelargónie, skleněný poklop, zdroj tepla, zdroj světla Postup: Použijeme menší pelargónii, aby se dala umístit pod skleněný poklop. Je-li zasazená v květináči nebo nádobce s hlínou, zaizolujeme ji tak, aby nebyl možný únik plynů do vnějšího okolí. Pelargónii se všemi čidly umístíme na podložku a vše přikryjemee poklopem. Zahájíme měření. Po jedné vyučovací hodině zapojíme zdroj tepla i světla a pokračujeme v měření další vyučovací hodinu. Měření lze provádět i za tmy – skleněný poklop přikryjeme neprůhlednou látkou. Závěr: V průběhu fotosyntézy stoupá koncentrace O2 a koncentrace CO2 klesá. Teplota a dostatek světla ovlivňuje rychlost produkce kyslíku. 3.9.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/LS-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/ls-bta.pdf

Čidlo UVA záření

40

3.10 Čidlo UVA záření (UVA-BTA)

Senzor dlouhovlnného ultrafialového záření (označovaného jako UVA). Pracuje v rozsahu vlnových délek cca 320 - 390 nm, je nejcitlivější na vlnové délky v okolí 340 nm. Záření UVA má vlnovou délku v rozsahu od 320 do 390 nm. Považuje se za méně škodlivé než středněvlnné záření UVB a nebylo prokázáno, že je pro živé organizmy zhoubné. Asi 99 % UV záření, které dopadne na zemský povrch, je ze spektrální oblasti UVA.


rozsah vlnových délek

320 – 390 nm

3.10.2 Princip fungování čidla Senzor obsahuje silikonovou fotodiodu citlivou na UV záření, která vytváří proud, úměrný intenzitě dopadajícího záření. 3.10.3 Možná použití čidla • • • •

měření intenzity UV záření slunečních paprsků, srovnání intenzity UV záření za slunečných či oblačných dnů, sledování intenzity UV záření během dne, sledování vlivu UV záření na růst a vývoj rostlin.

Čidlo UVA záření

41

3.10.3.1Měření vybraných složek slunečního záření Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo intenzity světla, čidlo UVA záření, čidlo UVB záření Postup: Měření lze provádět v krátkých i delších časových úsecích. Pro srovnání je vhodné sledovat výsledky v průběhu dne, týdne, měsíce, ročních období (viz úloha 11 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Naměřené hodnoty slunečního záření se liší podle doby měření, intenzity slunečního svitu. Hodnoty ovlivňuje celá řada dalších faktorů. 3.10.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/RH-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/rh-bta.pdf

Čidlo UVB záření

42

3.11 Čidlo UVB záření (UVB-BTA)

Senzor středněvlnného ultrafialového záření (označovaného jako UVB). Pracuje v rozsahu vlnových délek cca 290 nm – 320 nm, je nejcitlivější na vlnové délky v okolí 315 nm. Záření UVB má vlnovou délku v rozsahu od 290 do 320 nm. Při velkých intenzitách je zhoubné pro živé organizmy – je totiž schopno rozkládat nebo narušovat bílkoviny či jiné životně důležité organické sloučeniny. Kromě kůže může vážně poškozovat také oči. Naštěstí je ale z převážné většiny absorbováno ozónem ve stratosféře, respektive v ozónové vrstvě. Z UV záření dopadajícího na zemský povrch připadá na UVB zhruba 1 %.


rozsah vlnových délek

290 nm – 320 nm

3.11.2 Princip fungování čidla Senzor obsahuje fotodiodu citlivou na UV záření – ta vytváří proud úměrný intenzitě dopadajícího záření. 3.11.3 Možná použití čidla • • • •

měření intenzity UV záření slunečních paprsků, srovnání intenzity UV záření za slunečných či oblačných dnů, sledování intenzity UV záření během dne, sledování vlivu UV záření na růst a vývoj

rostlin.

Čidlo UVB záření

43

3.11.3.1Měření vybraných složek slunečního záření Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo intenzity světla, čidlo UVA záření, čidlo UVB záření Postup: Měření lze provádět v krátkých i delších časových úsecích. Pro srovnání je vhodné sledovat výsledky v průběhu dne, týdne, měsíce, ročních období (viz úloha 11 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Naměřené hodnoty slunečního záření se liší podle doby měření, intenzity slunečního svitu. Hodnoty ovlivňuje celá řada dalších faktorů. 3.11.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/RH-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/rh-bta.pdf

Čidlo relativní vlhkosti vzduchu

44

3.12 Čidlo relativní vlhkosti vzduchu (RH-BTA)

Senzor relativní vlhkosti vzduchu vhodný pro meteorologická měření.

3.12.1 Technický čidla

popis

provozní teplota čidla rozsah čidla citlivost čidla přesnost čidla

0 °C až 85 °C 0 % až 95 % 0,04 % z aktuální relativní vlhkosti ± 2 -10 % z aktuální relativní vlhkosti dle pečlivé kalibrace při teplotě 25 °C

3.12.2 Princip fungování čidla Senzor využívá k určování vlhkosti polymer, jehož elektrická kapacita se mění v závislosti na vlhkosti vzduchu. Z proměnné kapacity je pak pomocí integrovaného obvodu určována aktuální relativní vlhkost.


měření v rámci studia místního počasí – meteostanice – kombinace s dalšími senzory, sledování změn vlhkosti během dne, změny počasí, sledování průběhu dýchání člověka, zvířat a rostlin, sledování vlivu vlhkosti na růst rostlin, sledování vlhkosti ve školním skleníku, teráriu, prostorách školy apod.

3.12.3.1Měření vlastností vzduchu Pomůcky: PC, řídicí jednotka, barometr, čidlo oxidu uhličitého, kyslíkové čidlo, čidlo relativní vlhkosti vzduchu

Čidlo relativní vlhkosti vzduchu

45

Postup: Měření lze provádět jako krátkodobé nebo dlouhodobé pozorování. Pro srovnání je vhodné sledovat výsledky v průběhu dne, týdne, měsíce, ročních období (viz úloha 9 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Výsledky dokladují základní vlastnosti vzduchu v místě měření. Při dlouhodobém pozorování lze vysledovat kolísání a proměnlivost měřených parametrů.

3.12.3.2Vlhkost vzduchu a růst plísní

Pomůcky: PC, řídicí jednotka, čidlo relativní vlhkosti vzduchu, skleněné nádoby, starý chléb, voda Postup: Do skleněných nádob umístíme navlhčený starý chléb. Nádoby umístíme do míst s rozdílným prostředím – tma a vlhko, tma a sucho, světlo a sucho, světlo a vlhko. Sledujeme růst plísní. Měříme relativní vlhkost vzduchu. Závěr: Výsledky potvrzují, že prostředí má vliv na růst a vývoj plísní. Ve vhodných podmínkách se plísně šíří rychleji. 3.12.4 Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/RH-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/rh-bta.pdf

Barometr

46

3.13 Barometr (BAR-BTA)

Barometr je navržen pro studium malých změn tlaku. Využít ho lze jak při sledování počasí, tak při studiu změn tlaku s výškou – výškoměr. Vzhledem k vysoké citlivosti čidla lze barometr využít i pro měření hydrostatického tlaku – ověření lineární závislosti hydrostatického tlaku na hloubce, určení hustoty kapaliny.


citlivý prvek rozsah čidla

SenSym SDX15A4 82,1 kPa – 120,9 kPa 0,8 atm až 1,2 atm maximální tlak, který senzor snese 200 kPa, 2 atm bez poškození 12-bitové rozlišení 10 pa 10-bitové rozlišení (CBL 2) 34 pa kombinovaná linearita a hystereze typicky ±0,1 % (z celého rozsahu) nejvýše ±0,5 % šum typicky ±50 Pa doba odezvy 100 µs směrnice: k1 = 78,001 kPa/V kalibrační data – tlak v kPa počátek: k0 = 819,52 kPa směrnice: k1 = 78,001 mbar/V kalibrační data – tlak v milibarech počátek: k0 = 819,52 mbar směrnice: k1 = 0,077 atm/V kalibrační data – tlak v atm počátek: k0 = 0,809 atm směrnice: k1 = 58,52 mm Hg/V kalibrační data – tlak v mm Hg počátek: k0 = 614,84 mm Hg směrnice: k1 = 2,292 in Hg/V kalibrační data – tlak v inHg (hydrostatický tlak 1 palce rtuti) počátek: k0 = 24,215 in Hg

3.13.2 Princip fungování čidla Základním prvkem senzoru je čidlo tlaku SenSym SCX15ANC, vybavené membránou, která se v závislosti na změnách tlaku prohýbá. Tento senzor je

Barometr

47

konstruován pro měření absolutního tlaku, na jedné straně membrány je vakuum. Senzor vytváří výstupní napětí, které se mění přímo úměrně absolutnímu tlaku a je vybaven také obvody, které minimalizují chyby způsobené změnami teploty. Tlak můžete měřit v mnoha různých jednotkách, výchozí nastavení je připraveno pro měření v kilopascalech (kPa). Pro srovnání lze uvést ekvivalentní hodnoty pro tzv. normální tlak: 1 atmosféra = 760 mm Hg = 101,325 kPa = 1,013 bar Barometr je poměrně odolný, ale je navržen pouze pro práci s nekorozivními plyny (vzduch, helium, dusík apod.). Nevystavujte jej velkým tlakům – mějte na paměti, že senzor je navržen pro měření tlaků v okolí normálního atmosférického tlaku. Vyvarujte se kontaktu senzoru s vodou! Je nutná kalibrace? Senzor je prodáván zkalibrovaný a není potřeba provádět novou kalibraci. Použití barometru jako meteorologické stanice. Pokud chcete, aby váš barometr měřil tlak přepočtený na hladinu moře namísto tlaku místního, můžete ho nastavit dvěma způsoby: 1. Můžete změnit nastavení samotného senzoru: senzor obsahuje kalibrační potenciometr, kterým lze zobrazované hodnoty tlaku zvyšovat či snižovat. Na jedné straně barometru najdete otvor s malým šroubem, kterým lze pomocí hodinářského šroubováku otáčet – nastavování potenciometru lze tedy provádět pozvolna, plynule. Jednoduše sledujte údaje na barometru a nastavte šroub tak, aby vaše údaje odpovídaly hodnotám z lokálních meteorologických stanic. 2. Můžete provést kalibraci pomocí kalibračního programu.


měření v rámci studia místního počasí – meteostanice – kombinace s dalšími senzory, sledování změn atmosférického tlaku během dne, určování hydrostatického tlaku v kapalině, změny atmosférického tlaku s výškou, změny atmosférického tlaku v závislosti na počasí.

3.13.3.1Měření vlastností vzduchu Pomůcky: PC, řídicí jednotka, barometr, čidlo oxidu uhličitého, kyslíkové čidlo, čidlo relativní vlhkosti vzduchu

48

Barometr

Postup: Měření lze provádět jako krátkodobé nebo dlouhodobé pozorování. Pro srovnání je vhodné sledovat výsledky v průběhu dne, týdne, měsíce, ročních období (viz úloha 9 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Výsledky dokladují základní vlastnosti vzduchu v místě měření. Při dlouhodobém sledování lze vysledovat kolísání a proměnlivost měřených parametrů. 3.13.3.2Měření atmosférického tlaku během bouřky Pomůcky: PC, řídicí jednotka, barometr, čidlo relativní vlhkosti vzduchu Postup: Měření lze doplnit o sledování relativní vlhkosti vzduchu (viz úloha 1 studijní opory k výuce environmentální výchovy). Závěr: Během bouřky dochází k výrazným změnám v hodnotách tlaku vzduchu. Citovaná a doporučená literatura http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/BAR-BTA http://www.vernier.cz/katalog/manualy/bar-bta-cz.pdf http://www.vernier.cz/katalog/manualy/bar-bta.pdf

Závěr Gratuluji Vám, pokud jste ve svém studiu dospěli až k těmto závěrečným stránkám studijní opory. Dokázali jste, že studijní text zaměřený na využití čidel měřicích sad v hodinách biologie na základní škole ovládáte. Podařilo se Vám zautomatizování dovedností, které budete dále upevňovat ve své výchovně vzdělávací práci. Aplikací získaných znalostí do pedagogické praxe se Vám podaří rozšířit okruh žáků se zájmem o procesy probíhající v přírodě kolem nás. Přeji Vám mnoho zdaru a radosti při úspěšné práci s čidly. Autor

Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ Environmentální výchova

Recommend Documents