Školní měřicí systémy – zkušenosti z výuky na SŠ

Prezentace na téma: "Školní měřicí systémy – zkušenosti z výuky na SŠ"— Transkript prezentace:

1 Školní měřicí systémy – zkušenosti z výuky na SŠ
Petr Šmejkal

2 Důvody užití instrumentální techniky
reflexe stávajícího stavu v praxi i laboratoři použití přístrojů a senzorů ovládaných pomocí PC a podobných zařízení v praxi je běžné vyhodnocování výsledků měření pomocí PC a podobných zařízení je v praxi taktéž běžné

3 Důvody užití instrumentální techniky
demonstrace jevů, které lze jinak demonstrovat obtížně (titrační křivka) a názornější demonstrace některých jevů on-line sledování experimentu, výsledky jsou často ihned dostupné, rychlejší zpracování dat (lepší propojení sledovaného děje a z něj vyplývajících poznatků)

4 Důvody užití instrumentální techniky
motivace, atraktivita PC běžný/atraktivní u studentů setkávají se s podobnými metodami ve svých oblíbených seriálech a televizních programech

5 Realita „běžné“ SŠ laboratoře
k dispozici je obvykle jediná laboratoř realizují se všechny druhy chemií časové problémy pracovního místa bývá nedostatek místa je třeba uklízet – „připravit“ na další hodinu „jiné chemie“ žáci se nechovají k laboratornímu vybavení „v rukavičkách“ chybí laborant žáci se musí s přístrojem naučit zacházet perioda osvojení práce může být dlouhá

6 Nevýhody běžných přístrojů
velikost, nepřenosnost

7 Nevýhody běžných přístrojů
křehkost, citlivost (na náraz, necitlivé zacházení apod.) složitější ovladatelnost složité ovládání přístroj citlivý na dopad

8 Požadavky pro pohodlné experimentování
přiměřené prostorové nároky jednoduché ovládání přístroje jednoduchá údržba robustnost modulární

9 Vlastnosti těchto řešení
malá, lehká, přenosná malé prostorové nároky robustní (tzn. studenti je zatím nerozbili) snadná obsluha (zejména zapojení) lze realizovat obrovské množství úloh (a demonstrovat velké množství jevů) z chemie, fyziky, biologie a dalších předmětů

10 Princip řešení „datalogger“ nebo počítač, k němu se připojují senzory

11 Princip řešení připojení přímo k PC

12 Dotčené obory a možnosti
obvykle desítky čidel (50 – 100) fyzika chemie biologie matematika geologie a geografie (zeměpis) a další. lze realizovat a demonstrovat obrovské množství úloh a jevů demonstračně i laboratorně

13 Čidla Více než 50 senzorů (dle způsobu počítání)
Ceník má cca 16 stránek, katalog je „tlustá bichle“ Chemie – cca vhodných senzorů pH tlak vodivost napětí teplota ISE elektrody (dusičnany, amonné ionty, vápenaté, …) oxid uhličitý kyslík plynný kyslík rozpuštěný Kolorimetr termočlánek turbidimetr čítač kapek, světlo, senzor magnetického pole, Geiger-Müllerův čítač

14 Zkrácený rozbor vody stanovení obsahu chloridů (ISE, srážecí titrace)
kyselinová neutralizační kapacita (pH titrace) zásadová neutralizační kapacita (pH titrace) stanovení obsahu dusitanů (fotometrie) chemická spotřeba kyslíku (redox titrace) pH (pH elektroda) vodivost (vodivostní elektroda) stanovení některých kovů (ISE, redox titrace)

15 Další možné úlohy: úlohy s teplotním čidlem
stanovení tepelné kapacity kalorimetru určení teploty měděného drátu sledování tepelných změn při katalytickém rozkladu peroxidu vodíku

16 Tlakové čidlo Chemická kinetika
Rychlost reakce v závislosti na koncentraci reaktantu Rychlost reakce v závislosti na teplotě Rychlost reakce v závislosti na stavu reaktantu Sledování podstaty chemického děje, vznik plynu při reakci Chemická rovnováha – nalezení rovnovážného stavu a sledování faktorů, které jej ovlivňují Sledování vlivu tlaku na chemické reakce Stavové chování plynů

17 Úlohy s pH elektrodou závislost pH na přítomnosti CO2
acidobazická titrace silné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou indikací bodu ekvivalence acidobazická titrace slabé trojsytné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou indikací bodu ekvivalence pH barevného přechodu acidobazických indikátorů: thymolová modř bromfenolová modř methylová oranž fenolftalein

18 pH barevného přechodu indikátoru
Bromfenolová modř – oblast přechodu: pH 3,0 – 4,6 provedení: vypracování tabulky přídavků kyseliny v programu MS Excel příprava roztoků podle tabulky, přídavek indikátoru změření pH roztoků porovnání s publikovanými hodnotami

19 Úlohy s konduktometrickým čidlem
vodivost destilované, vodovodní a minerální vody vodivost roztoků NaCl, HCl, NaOH a sacharosy o různých koncentracích sledování kvality vod disociace elektrolytů v roztocích porovnání vodivosti vod a roztoků NaCl, KCl, HCl a NaOH srážecí titrace NaCl s konduktometrickou indikací bodu ekvivalence acidobazická titrace silné kyseliny silnou zásadou s konduktometrickou indikací bodu ekvivalence

20 Úlohy s fotometrickým čidlem
stanovení neznámé koncentrace vzorku metodou kalibrační přímky: Ni(NO3)2 NiSO4 CoCl2 Co(NO3)2 K3[Fe(CN)6] Allura červeň a brilantní modř (potravinářská barviva) Absorbce světla v různě barevných vzorcích

21 Senzor oxidu uhličitého, kyslíku (plynného i rozpuštěného), ISE elektrody
Sledování podstaty chemického děje Sledování přítomnosti plynů i iontů v životním prostředí (Sledování kvality vody) Sledování skleníkového efektu Biochemické pochody organismů – kvašení, dýchání rostlin, savců, …, fotosyntéza Cyklus uhlíku Důkaz plynů a iontů

22 Úlohy s několika čidly závislost pH na teplotě
acidobazická titrace silné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou a konduktometrickou indikací bodu ekvivalence acidobazická titrace slabé dvojsytné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou a konduktometrickou indikací bodu ekvivalence pH a vodivost minerálních vod

23 Některé zkušenosti žáci nemají problém s ovládáním dataloggeru, zvláště pokud jej ovládají přímo pomocí PC, ovládání samotného dataloggeru již pro některé problémem je (obava, aby jej nerozbili; nechuť hledat něco v menu; snaha příliš nemyslet) Obvykle snadná a nenáročná příprava experimentu Obvykle minimální množství použitých chemikálií Rychlá či okamžitá odezva, obvykle snadná interpretace Žáci se učí číst grafy a lépe je chápou Snadná údržba a obsluha Lze vizualizovat jevy, které lze jinak vizualizovat nelze, a nebo jen obtížně (titrační křivka, koncentrace iontů, …) Obvykle nejsou používány jedovaté látky a chemikálie a nebo v netoxickém množství

24 Některé zkušenosti pro samostatnou práci – žáci neznají některé fyzikálně-chemické principy a jevy, nemají matematické znalosti a dovednosti, někdy chybí znalosti z chemie („co je to stechiometrie?“, obecně výpočty, ...) a základní dovednosti práce s výpočetní technikou Perioda zvládnutí ovládání software laboratorní cvičení jsou náročná na organizaci – řada problémů nesouvisející s probíraným tématem (technické problémy, konverze dat, příprava roztoků apod.)