Miléř T.: Využití měřicí stanice Vernier pro školní experimenty (Veletrh 16, Olomouc 2011) / Sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

Použití

ZŠ
SŠ/VŠ

Pomůcky

Experimenty s dataloggery

PDF ke stažení

Využití měřicí stanice Vernier pro školní experimenty

Miléř T.

Abstrakt

Při výuce přírodovědných předmětů na základní škole bychom jistě svým žákům občas rádi umožnili, aby sami navrhli a provedli experiment. Máme-li k dispozici univerzální měřící stanici a sadu detektorů, žáci mohou sami zvolit kombinaci veličin, které by bylo vhodné sledovat. Měřící stanice Vernier umožňuje připojit až 4 čidla současně a provádět s nimi dlouhodobá měření. Se žáky 8. ročníku jsme tímto způsobem provedli dvě měření. Žáci vybrali a nainstalovali čidla pro monitorování mikroklimatu ve třídě, přičemž jsme současně sledovali vliv koncentrace CO₂ v ovzduší na kyselost vody. Ve druhém experimentu jsme zkoumali fotosyntézu rostlin. V laboratorních podmínkách se nám podařilo ověřit dva globální problémy: okyselování oceánů a reakci rostlin na extrémní klimatické podmínky. Výsledky měření žáci prezentovali na studentské konferenci GLOBE Games ve Svitavách.

Experiment 1 – Měření mikroklimatu ve třídě

V učebně se mění mikroklima v závislosti na mnoha faktorech, např. počet žáků ve třídě, činnost žáků, orientace oken, meteorologické podmínky, způsob větrání apod. Aby se žáci mohli plně soustředit na výuku, musí být splněny jejich fyziologické potřeby, a také ovzduší ve třídě musí splňovat jisté limity. Se stanicí Vernier můžeme ovzduší ve třídě monitorovat a naměřené hodnoty pak porovnat s hygienickou normou.

Hygienické podmínky ovzduší v učebnách stanovuje vyhláška č.6/2003 Sb. [2]. Požadavek na větrání učebny je 20-30 m³ vzduchu za hodinu na jednoho žáka. Teplota má být 22,5 ± 1,5 ºC v teplém období a 22,0 ± 2,0 ºC v chladném období roku. Relativní vlhkost vzduchu má být nejvýše 65 % v teplém období a nejméně 30 % v chladném období roku. Jsou dány limitní hodinové koncentrace 15 chemických ukazatelů a prachu (např. ozón 100 µg.m^–3, oxid uhelnatý 5 000 µg.m^–3, formaldehyd 60 µg.m^–3 atd.).

Zemská atmosféra v roce 2011 obsahuje v průměru 390 ppm CO₂ (tj. 0,0390 %) a tato hodnota se každý rok zvyšuje asi o 2 ppm díky celosvětově rozšířenému spalování fosilních paliv. V lidském výdechu je CO₂ přítomno v množství 4 % objemu při teplotě 34–36 °C. Podle evropského standardu EN 15251 člověk vyprodukuje dýcháním přibližně 19 litrů CO₂ za hodinu. Přípustné koncentrace CO² v místnostech zatím v Česku nejsou vyhláškou závazně stanoveny. Jako nejvyšší přípustná hodnota se obvykle udává 1 000 ppm (tj. 1 800 µg.m^–3 = 0,1 %) označovaná jako Pettenkoferovo kritérium [3]. Při hodnotách nad 1 500 ppm jsou běžné příznaky únavy a bolesti hlavy. Podle norem ve Velké Británii by koncentrace CO₂2 v učebnách neměla překročit 1 500 ppm [4].

Obr. 1 Rozhraní Vernier LabQuest

Na obr. 1 jsou výsledky třídenního měření mikroklimatu ve třídě: vlevo je tabulka s daty a vpravo jsou grafy. Na vodorovné ose všech čtyř grafů je čas společný pro všechny měřené veličiny. Grafy zachycují vývoj teploty vzduchu [ºC], vlhkosti vzduchu [%], koncentrace CO₂ [ppm] a pH vody v Petriho misce. Čidla byla instalována v rohu učebny s kapacitou pro 32 žáků. Data se průběžně ukládala do paměti stanice Vernier. Měření bylo spuštěno odpoledne po vyučování a probíhalo po následující tři dny (úterý – čtvrtek, březen 2010). V době měření probíhala v učebně běžná výuka, počet přítomných žáku byl proměnlivý. Po spuštění měření teplota ve třídě po celé odpoledne a noc pozvolna klesala z 22 ºC na 21 ºC. Protože měření probíhalo v topném období, teplota začala narůstat 2 hodiny před začátkem vyučování po sepnutí centrálního vytápění a dosáhla hodnoty 24 ºC po příchodu žáků do třídy. Relativní vlhkost vzduchu s růstem teploty poklesla z 42 % na 36 %, a znovu vzrostla na původní hodnotu po příchodu žáků. Koncentrace CO₂ po skončení vyučování zvolna klesala až do příchodu žáků druhého dne ráno. Na grafu CO₂ vidíme, že hodnoty rostou z 390 ppm až na 2 000 ppm. Na křivce CO₂ je patrné každé vyvětrání. Teplota i vlhkost vzduchu se po tři dny měření pohybovala v rozmezí stanoveném vyhláškou. Ve třídě plné žáků roste koncentrace CO₂ velice rychle, a v době měření několikrát překročila 1 500 ppm. Po nárazovém vyvětrání otevřením oken se množství CO₂ vždy snížilo na přípustných 1 000 ppm.

Monitorování mikroklimatu jsme rozšířili o originální experiment. Čtvrtým čidlem připojeným ke stanici Vernier byl pH metr, který měřil kyselost vody v Petriho misce. Sledovali jsme vliv vzdušného obsahu CO₂ na změnu kyselosti vody, ve které se vzdušný CO₂ rozpouští. Vzniká tak kyselina uhličitá (H₂CO₃) a pH vody klesá. Proces je vratný a při snížení množství CO₂ v ovzduší se kyselost vody opět snižuje. Zjistili jsme velice dobrou korelaci mezi vzdušným CO₂ a kyselostí vody, která kolísala v rozsahu 8,3-8,6 pH. Tento experiment nemá velký význam z hlediska monitorování mikroklimatu ve třídě, ale podařilo se tak ve školních podmínkách modelovat globální jev okyselování oceánů. Oceány totiž pohlcují celou čtvrtinu CO₂ produkovaného lidmi spalováním fosilních paliv a odlesňováním. Okyselování je stokrát rychlejší, než jakékoliv změny pH oceánů v posledních 20 milionech let. Tempo okyselování nedává šanci na adaptaci mnoha mořským organismům, které jsou na počátku potravního řetězce [5]. Učit o těchto jevech jen teoreticky nemusí být efektivní, výše popsaný experiment vede k lepšímu porozumění žáků. Skupina čtyř žáků dokonce byla schopna prezentovat výsledky měření na studentské konferenci.

Experiment 2 – Měření fotosyntézy

Pomocí stanice Vernier jsme se žáky 8. a 9. ročníku realizovali experiment monitorování fotosyntézy v uzavřeném boxu. Do dřevěné bedny žáci nainstalovali luxmetr, teploměr, vlhkoměr a CO₂ metr, všechna čidla byla propojena se stanicí Vernier. Do bedny žáci umístili rostlinu, čelní stěnu bedny zakryli průhlednou fólií a všechny okraje vzduchotěsně přelepili izolepou. Bedna byla umístěna v učebně na parapetu okna orientovaného jižním směrem. Měření bylo spuštěno v pátek odpoledne a probíhalo kontinuálně po celý víkend.

Obr. 2 Příprava experimentu monitorování fotosyntézy

Obr. 3 Výsledky experimentu monitorování fotosyntézy

Výsledky měření jsou zachyceny ve čtyřech grafech na obr. 3. Na vodorovné ose je opět čas společný všem čtyřem měřeným veličinám. Osvětlení rostliny Sluncem (v horním grafu) dosáhlo maximální hodnoty 60 klux v sobotu odpoledne. Teplota vzduchu v bedně velice dobře koreluje s osvětlením, a na teplotu jsou zase silně navázány změny relativní vlhkosti. Prvních 24 hodin podle očekávání velice dobře zachycuje proces fotosyntézy (spodní graf). S poklesem osvětlení ustává pohlcování CO₂ rostlinou a nastává proces respirace, kdy rostlina CO₂ vydává. V sobotu ráno se s přibývajícím světlem fotosyntéza obnovila a vzdušný CO₂ začal ubývat. Pak se ale stalo něco neplánovaného. Sluneční záření bylo tak intenzivní, že teplota v boxu dosáhla hodnoty 60 ºC a relativní vlhkost klesla z 80 % na 40 %. Při těchto extrémních mikroklimatických podmínkách začala rostlina usychat. Rostlina se tak stala se zdrojem CO₂, jehož koncentrace se vyšplhala až na 9 000 ppm. Vysoká koncentrace CO₂ se v boxu udržela do pondělního rána, kdy byl experiment ukončen.

Pomocí stanice Vernier jsme tak ve třídě se žáky modelovali další z globálních jevů, který má významné lokální důsledky. Díky klimatickým změnám dochází ve světě k výskytu stále častějších a intenzivnějších letních vln veder. Za extrémních klimatických podmínek dochází k tzv. „revoltě rostlin“, kdy vegetace přestává fotosyntetizovat, a naopak se stává zdrojem CO₂. Stromy usychají a roste riziko lesních požárů. Mikroklimatické podmínky zásadně ovlivňují rostliny, a při překročení bezpečných mezí může dojít k selhání ekosystému. To má samozřejmě závažné důsledky pro životy lidí, kteří jsou na lokálním ekosystému závislí. Popsaný experiment tak dobře demonstruje nejen samotnou fotosyntézu ale i její limity.

Závěr

Na základní škole v Brně jsme realizovali měření mikroklimatu ve třídě formou školního experimentu. Pod vedením učitele žáci experiment navrhli, provedli, výsledky vyhodnotili a prezentovali na studentské konverenci GLOBE Games 2010 ve Svitavách. K měření byla použita měřicí stanice Vernier, která umožňuje dlouhodobá měření až čtyř veličin současně.

Při monitorování mikroklimatu ve třídě jsme zjistili, že teplota a relativní vlhkost vzduchu v době vyučování byly v mezích stanovených vyhláškou. Měřili jsme také obsah CO₂ v ovzduší, který při naplnění třídy a zavřených oknech snadno překračoval hodnoty, při kterých člověk pociťuje únavu. Nedostatek čerstvého vzduchu byl vždy řešen vyvětráním učebny. V Česku dosud není limit CO₂ v učebnách stanoven vyhláškou, větrání je v kompetenci učitele.

S využitím stanice Vernier jsme provedli ještě další experimenty zkoumající vybrané globální jevy ve školních podmínkách. Zařízení se v žákovských experimentech velmi osvědčilo díky uživatelsky nenáročné obsluze a názornosti zobrazení naměřených dat.