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
