Spirometer. Überblick. Hinweise. Physikalischer Hintergrund. Didaktische Hinweise. Lernziele

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1 FK24 Spirmeter.dc Spirmeter Spirmeter... 1 Überblick... 1 Hinweise... 1 Physikalischer Hintergrund... 1 Didaktische Hinweise... 1 Lernziele... 1 Experiment... 2 Vraussagen... 2 Geräteausstattung... 2 Arbeitsauftrag... 2 Bewertung... 2 Schülerantwrtblatt Spirmeter... 3 Spirmetrie in der Medizin... 4 Überblick Zeitbedarf: 2 Unterrichtsstunden (ca 90 Minuten) Klassenstufe: 8-12 Schwierigkeitsgrad: 3 Mundstück Kern: Die Schülerinnen und Schüler bestimmen mit diesem Experiment ihr Lungenvlumen. Auf den Xplrer-GLX wird der Spirmeter-Adapter aufgesetzt, vn dem zwei dünne Gasschläuche zum Mundstück führen. Mit auswechselbaren Mundstücken kann man in Sekundenschnelle das Lungenvlumen der Schülerinnen und Schüler bestimmen. Die Funktinsweise dieses Geräts wird in der Datei FK23 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc beschrieben. Spirmeter Hinweise Physikalischer Hintergrund siehe Datei: FK23 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc Didaktische Hinweise Dieses Experiment bietet eine schöne Möglichkeit, das Wissen, das bei dem Gruppen-Puzzle G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc erwrben wurde, hier einzusetzen. Lernziele Die Schülerinnen und Schüler sensibilisieren Ihre Einstellung zum eigenen Körper. wenden die Galileische Methde in diesen Experimenten an und lernen die naturwissenschaftliche Arbeitsweise ( Hypthesen, Mdellvrstellungen führen zu Vrhersagen die in Experimenten falsifiziert der verifiziert werden usw. ) lernen den Einsatz eines Cmputer-Mess-Erfassungs UND Auswertungs-Systems. sehen, dass die Physik einen Beitrag liefert die Funktinsweise vn medizinischen Geräten zu erklären. franz kranzinger DataStudi

2 FK24 Spirmeter.dc Experiment Vraussagen Die Teams beantwrten das Schüler-Antwrt-Blatt als Hausaufgabe. Im Sinne der s genannten Galileischen Methde (Experimente sind immer theriegeleitet) im Sinne der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise ( auf der Basis vn Hypthesen, Mdellvrstellungen und schn vrhandenen Therien werden Vrhersagen frmuliert; im Experiment werden diese Vrhersagen falsifiziert der verifiziert ) - ist es wesentlich, dass die verbale Beschreibung und die Vrhersagen frmuliert wurden, bevr die Messung durchgeführt wird. Geräteausstattung Cmputer mit einem USB-Anschluss Xplrer-GLX-Grundgerät Spirmeter mit Mundstück DataStudi Sftware Experimentieranleitung Schüler-Antwrtblatt Arbeitsauftrag [01] Bauen Sie die Anrdnung auf. Achten Sie darauf, dass vr einem Schülerwechsel ein neues Mundstück eingesetzt wird. [02] Installieren Sie den Xplrer-GLX, den Spirmeter-Adapter und das Mundstück. [03] Starten Sie die DataStudi-Sftware und knfigurieren Sie die Oberfläche s, dass Sie die Messwerte aufnehmen können. [04] Nehmen Sie die Messwerte auf! [05] Vn Welchen Randbedingungen hängen die Ergebnisse ab? Bewertung In diesem Abschnitt werden Lernzielkntrllen beschrieben UND Vrschläge für mögliche Bewertungen gemacht: Haben die Schülerinnen und Schüler die Ausstattung richtig angeschlssen? Sind sie entsprechend den Anweisungen vrgegangen? Können die Schülerinnen und Schüler die durchgeführten Experimente verbal krrekt beschreiben? Wenden Sie hierbei die Fachsprache krrekt an? Haben die Schüler die Fragen auf dem Schüler-Antwrtblatt richtig beantwrtet. franz kranzinger DataStudi

3 FK24 Spirmeter.dc Schülerantwrtblatt Verwenden Sie zur Beantwrtung der flgenden Fragen geeignete Ressurcen (Schulbuch, Schulbiblithek, Internet, Expertenwissen ) Spirmeter Mundstück Spirmeter [A] Definitinen Begriffe [A.01] [A.02] [A.03] Was versteht man unter dem Knzept Strm-Antriebs-Widerstand Wie sieht die Analgie zwischen dem Spirmeter und einer elektrischen Analgie aus? Was kann ein Arzt aus dem Diagramm, das man über das Spirmeter bekmmt, herauslesen? [B] Vrhersagen (im Sinne der Galileischen Methde) [C.01] Auf welchen Wert schätzen Sie Ihr Lungenvlumen? [C] Messung [C.01] Welches Lungenvlumen haben Sie? [D] Flgerungen Analyse [D.01] [D.02] Wie genau ist diese Messung wie kann man den Fehler bei dieser Messung bjektiv feststellen? Welche anderen Geräte aus der Ihnen bekannten Arztpraxis können Sie beschreiben? franz kranzinger DataStudi

4 FK24 Spirmeter.dc Spirmetrie in der Medizin In welcher Weise, der Arzt aus den Spirmeter-Messwerten auf den Gesundheitszustand des Patienten schließen kann hat Flrian Karsten in dem flgenden Referat dargestellt: siehe Spirmetrie in der Medizin.pdf franz kranzinger DataStudi

5 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc U-Skizze. G-Puzzle Analgie - Spirmeter LERNZIELE... 2 VORAUSSETZUNGEN... 2 F-Unterricht Teil A... 3 F-Unterricht Teil B... 4 GRUPPENPUZZLE... 5 Expertengruppe... 5 Stammgruppe Lungenvlumen-Bestimmung... 7 Spirmeter DataStudi franz kranzinger DataStudi

6 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc Lernziele Eine ganz wesentliche Vraussetzung für einen nachhaltigen Unterricht wird erreicht, wenn die Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht erleben, dass Fachwissen und vr allem auch Fachmethden die im Themenbereich A gelernt werden, im anschließenden Themenbereich B hilfreich sind. Deshalb spielen Strukturen und Analgien im Physik-Bildungsplan vn Baden-Württemberg neben dem Strm- Antrieb-Widerstandsknzept eine s dminierende Rlle. In diesem Sinne wurde diese Unterrichtsskizze rganisiert. Die möglichen Analgien zwischen elektrischen Strömen und Gas-Strömen sind hier geradezu eine Vraussetzung, hne die das hier vrgelegte Prblem whl kaum zu lösen ist. Vraussetzungen In den zuvr abgelaufenen Unterrichtseinheiten wurden flgende Punkte/Aspekte/Themen behandelt: Wasserstrmkreis: Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass in einem Wasserstrmkreis die Druckdifferenz als Antrieb für den Wasserstrm wirkt. Die Wasserstrmstärke I W ist hierbei definiert als Wassermenge pr Zeiteinheit I W = V Wasser / t Die Wasserstrmstärke kann man mit Hilfe einer Wasseruhr und einer Stppuhr bestimmen. Luftstrmkreis: In einem Luftstrmkreis wirkt die Luftdruck- Differenz als Antrieb. die Stärke eines Luftstrmes kann man über die Luftvlumenbestimmung mit einem Spirmeter der der Anrdnung im Bild 1 (Bi-Sammlung Lungenvlumenmessgerät) und einer Stppuhr bestimmen I Luft = V Luft / t. PUMPE Elektrischer Strmkreis: Die Schülerinnen und Schüler können einfache unverzweigte Strmkreise aufbauen, kennen die Definitin der elektrischen Strmstärke (I = Q / t), können die elektrische Strmstärke mit Hilfe eines Amperemeters und die Ptenzialdifferenz mit Hilfe eines Vltmeters bestimmen. Die Analgie zwischen Wasser-, Luft- und Ladungs-Strmkreis sind bekannt Pa Analgie-Tabelle Strmkreis Wasser-Strmkreis Luft-Strmkreis Ladungs-Strmkreis mengenhafte Größe Wasser Luft elektr. Ladung Antriebsquelle Wasserpumpe Luftpumpe Batterie Antrieb Druck-Differenz Luftdruck-Differenz Ptenzial-Differenz Strm Wasserstrm I Wasser = V Wasser / t Luftstrm I Luft = V Luft / t elektr. Strm I E = Q / t Widerstand Strömungswiderstand des Wassers im Schlauch. Strömungswiderstand der Luft im Schlauch elektrischer Widerstand Strm-Unterbrecher Schlauchklemme Schlauchklemme elektrischer Schalter Energieflussbilder: Das Demnstratinsmdell, bei dem ein Wasserstrmkreis und ein elektrischer Strmkreis aneinander gekppelt sind ist der Klasse bekannt. Die Schülerinnen und Schüler können diese Strmkreise erstellen und vllständig beschriften. Kntenregel: Die Kntenregel (Ladungserhaltung in der E-Lehre) ist bekannt und können analg auf den Wasserstrmkreis übertragen werden. franz kranzinger DataStudi

7 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc Maschenregel: Die Maschenregel (Energieerhaltungssatz) kann in Ptenzialaufgaben angewendet werden. Mit dem Ptenzial-Werkzeugkasten (Nullptenzial Einfärbemethde Faustregel zu Glühlampen ) können die Schülerinnen und Schüler umgehen. Elektrischer Widerstand: Im Unterricht wird die Definitin des elektrischen Widerstandes bei einem Knstantandraht R (R = ϕ / t) und der der elektrische Leitwert L (L= 1/R) eingeführt. Funktinaler Zusammenhang ϕ und I E : Im I ϕ - Diagramm findet man den elektrischen Leitwert als Steigung im ϕ - I Diagramm findet man den elektrischen Widerstand als Steigung. Frntal-Unterricht Teil A Die flgenden zwei Experimente werden vrgestellt: Netz- Gerät dickes Kupferkabel PUMPE ffen Knstantan- Draht Y-Glasröhrchen I-Messgerät Drucksensr DataStudi DataStudi Xplrer GLX Xplrer GLX Exp I: Spannungsabfall Exp II: Druckabfall Die Ptenzial- und Druck-Differenzwerte werden mit einem Cmputer-Messwerterfassungssystem gewnnen. In einer nun flgenden Stillarbeitsphase haben die Schülerinnen und Schüler flgende Aufgabe: (a) Verbale Beschreibung des Experiments s, dass eine Persn, die den Aufbau und die Durchführung des Experiments nicht gesehen hat, versteht, was hier gezeigt wurde. (b) Beschreibung des jeweiligen Antriebs (c) Beschreibung des jeweiligen Strmkreises und des jeweiligen Strmes. 1 welchen Einfluss hat das Kupferkabel mögliche Veränderung, s dass auch das Experimente II als geschlssene Strmkreise gesehen werden können. (d) Aufstellung einer Analgietabelle u.a. mit einer Def. für I Luft Mögliche Ergebnisse Ein gebgenes Stück Knstantandraht ist an die Ple eines Netzgeräts angeschlssen. Die Ptenzialdifferenz zwischen der Mitte des Knstantandrahtes und dem Minuspl kann man am Spannungsmessgerät (Vltmeter) ablesen. Ein gebgenes Stück Luftschlauch ist mit dem einen Ende an eine Pumpe angeschlssen. Die Druckdifferenz zwischen der Mitte des Luftschlauches und dem Ende kann man am Druckmessgerät (Pa-Meter) ablesen. 1 Eventuell kann der Lehrerimpuls: Ihr könnte den Knstantandraht mit den Fingern berühren hilfreich sein. franz kranzinger DataStudi

8 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc Die Ptenzialdifferenz zwischen den beiden Plen des Netzgeräts wirkt als Antrieb für einen elektrischen Strm im Knstantandraht. Der Spannungsabfall längs des dicken Kupferkabels ist vernachlässigbar klein. Man hätte als das Ende des Knstantandrahtes, das bisher am Kupferkabel angeschlssen ist, auch mit dem Minuspl des Netzgerätes verbinden können. Diese Änderung würde an den Ptenzialdifferenzund Strmverhältnissen nichts ändern. Die elektrische Strmstärke Q I E = t wird vn dem elektrischen Widerstand des Knstantandrahtes begrenzt und der Ptenzialdifferenz zwischen den Plen des Netzgerätes bestimmt.. Die Druckdifferenz zwischen der Stelle, an der der Luftschlauch am Pumpenausgang angeschlssen ist und dem ffenen Ende des Luftschlauchs dient als Antrieb für den Luftstrm. Wenn man in Analgie zum elektrischen Strmkreis einen geschlssenen Luftstrmkreis bauen will, müsste man das ffene Ende des vrhandenen Luftschlauches an den Eingang der Luftpumpe anschließen das würde an den Druck- und Strmverhältnissen bei diesem Experiment nichts ändern. Die Luftstrmstärke V IL = t Luft 2 wird vn dem Strömungs-Widerstand, der im Luftschlauch auftritt, und der Druckdifferenz, die die Luftpumpe erzeugt, bestimmt. Dieser Strm führt zur Temperaturerhöhung des Drahtes kann man schn mit den Fingern fühlen der mit einem Temperaturmessgerät nachweisen. mögliche Vrstellung für einen geschlssenen Luftstrmkreislauf Bei grßen Luftstrmstärken müsste man eigentlich auch eine Erwärmung des Luftschlauchs erwarten kann man mit einem hinreichend empfindlichen Temperaturmessgerät sicher auch nachweisen? Netz- Gerät Kupferkabel Luftraum PUMPE Knstantan U-Messgerät DataStudi Luftschlauch Drucksensr DataStudi Xplrer GLX Xplrer GLX Frntal-Unterricht Teil B Wie kann man (a) mit einem Amperemeter und einer Stppuhr die Ladungsmenge bestimmen, die in 10 Sekunden geflssen ist. Und (b) wie kann man aus dem t- ϕ-diagramm auf die Ladungsmenge schließen? Ein Vlumen kann im abstrakten Sinne nicht fließen; mit V uft ist hier ein Luft-Strm als ein Massenstrm gemeint. Man könnte als statt V Luft auch m Luft schreiben. Im Sinne einer didaktischen Reduktin ist die Bezeichnung V Luft hilfreich. Die Bestimmung der Fläche unter einem Diagramm ist aus dem vrigen Unterricht bekannt der muss zuvr eingeführt werden, z.b. durch die Auszählung der umschlssenen Quadrate in einem hinreichend engen Quadratnetz. Bei der Einführung in die Handhabung eines Cmputer-Messerfassungs- und Analyse-System kann man die Schülerinnen und Schüler mit dem in der Sftware integrierten Möglichkeiten der Flächenbestimmung (als Black-Bx) vertraut machen. franz kranzinger DataStudi

9 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc Mögliche Ergebnisse Netz- Gerät Netz- Gerät R R Strmstärke U-Messgerät DataStudi DataStudi Xplrer GLX Xplrer GLX Bild B1 Bild B2 Aus dem I-t-Diagramm in der DataStudi-Sftware kann man die Strmstärke und die Zeitspanne ablesen, in der dieser Strm geflssen ist. Daraus kann man auf die geflssene Ladung schließen. Aus den bisherigen Stammgruppen, Expertengruppen und Lehrerreferaten ergibt sich flgender Zusammenhang: Messergebnisse. 1 Q = I t E Q = ϕ t R Messergebnisse. Der Vergleich der Messwerte aus zwei unterschiedlichen Messverfahren führt zu einer angemessenen Fehlerdiskussin. Gruppenpuzzle Expertengruppe Die Stammgruppe bestimmen aus ihren Reihen Persnen, die in flgende Expertengruppen arbeiten sllen: (Expert-1) Glühlampen-Untersuchung (Expert-2) NTC-Untersuchung (Expert-3) VDR-Untersuchung (Expert-4) Knstantandraht-Untersuchung (Expert-5) Luftschlauch-Untersuchung Der Arbeitsauftrag für die Expertengruppen besteht aus zwei Teilen: Messung: Die Expertengruppe untersucht jeweils die funktinale Abhängigkeit zwischen dem Antrieb 4 4 Ptenzialdifferenz gemessen mit einem Cmputermesserfassungssystem, das aus dem vrigen Unterricht bekannt ist und franz kranzinger DataStudi

10 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc und der jeweiligen Strmstärke 5 bei dem ihnen zugewiesenen Gerät 6 UND diskutieren die Randbedingungen, die maßgeblich bestimmen welche Menge der jeweiligen Größe (elektrische Ladung Q, Wassermenge V Wasser, Luftmenge V Luft ) in 10 Sekunden durch den Strmkreis fließt? Dkumentatin: Die Messwerte werden dkumentiert und der funktinale Zusammenhang wird in einem Diagramm dargestellt. Mit diesen Ergebnissen gehen die Experten in die Stammgruppe zurück. Experten infrmieren Stammgruppe: Die Expertinnen und Experten kmmen in die Stammgruppe zurück und infrmieren Ihre Stammgruppenmitglieder über die jeweiligen Erkenntnisse aus der Expertenarbeit. Blitzlicht der Expertenergebnisse Die Expertengruppen stellen bei Ihren Messungen fest, dass nur bei Knstantandraht und bei technischen Widerständen die Ptenzialdifferenz direkt prprtinal zur elektrischen Strmstärke ist. Beim einem Eisendraht der bei einer Glühlampe (PTC-Widerstände psitiver Temperaturkeffizient) ergibt sich eine Kennlinie, in der man sieht, dass der elektrische Widerstand vn der Temperatur des elektrischen Leiters abhängt d.h. mit steigender Strmstärke steigt auch der elektrische Widerstand. Bei s genannten NTC-Widerständen ( negativer Temperaturkeffizient) ergibt sich eine Kennlinie, in der man sieht, dass der elektrische Widerstand ebenfalls vn der Temperatur des elektrischen Leiters abhängt hier sinkt aber der elektrische Widerstand mit steigender Strmstärke. Die Kennlinie vn VDR-Widerständen eine Abhängigkeit des elektrische Widerstand vn der angelegten Spannung. Bei dem Luftstrm ergibt sich eine Kennlinie, die mit steigendem Luftstrm einen steigenden Strömungswiderstandswert liefert. Die elektrische Ladung, die in 10 Sekunden durch einen elektrischen Leiter fließt, hängt stark davn ab, welche Ptenzialdifferenz für diesen Ladungsstrm verantwrtlich ist und welcher elektrische Leiter vrliegt d.h. welche ϕ-i E -Kennlinie dieser elektrische Leiter hat. Bei Luftmenge, die in 10 Sekunden durch einen Luftschlauch fließt, hängt stark davn ab, welche Druckdifferenz für diesen Luftstrm verantwrtlich ist und welche Abmessungen der Luftschlauch hat... d.h. welche p-i Luft -Kennlinie dieses Gerät hat. dessen Handhabung in einer geeignet gestalteten Teamarbeit hinreichend geübt wurde! In diesem Fall wird an das Cmputermesserfassungssystem der Spannungs-Sensr angeschlssen, bzw. Druckdifferenz gemessen mit einem Cmputermesserfassungssystem, an das in diesem Fall der Drucksensr angeschlssen wird. 5 6 elektrische Strmstärke gemessen mit einem Amperemeter; bzw. Luftstrmstärke gemessen mit einer passenden Vrrichtung bei einer Glühlampe, einem NTC-Widerstand, einem VDR-Widerstand, dem Knstantandraht aus dem vrigen Experiment und dem Luftschlauch aus dem vrigen Experiment zu bestimmen. franz kranzinger DataStudi

11 FK023 G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.dc Stammgruppe Lungenvlumen-Bestimmung Die Aufgabe für die Stammgruppe ist die Planung und Durchführung eines Experiments zur näherungsweisen Bestimmung des Lungenvlumens der Stammgruppenmitglieder. Sie verwenden dabei einen Luftschlauch mit Seitenanschluss und das Cmputermesserfassungssystem Xplrer-GLX mit einem Drucksensr, der die Druckdifferenz gegenüber dem äußeren Luftdruck aufnehmen kann. Mögliche Ergebnisse Aus der Fläche unter dem p- t-diagramm kann man unter bestimmten Randbedingungen auf das geströmte Luft-Vlumen V Luft schließen: 1 V = 2 Luft R Luftwiders tand ( p ) t Druckdifferenz Messdauer Ein zu diskutierender Punkt ist der Luftwiderstandswert R, der das zeigen die aufgenmmenen und dem Team vrliegenden Diagramme aus der Expertengruppe u.a. vn der Luftstrmstärke (damit vn der Druckdifferenz) abhängt. Das heißt, die Messwerte haben nur dann eine Aussagekraft, Drucksensr Xplrer GLX DataStudi wenn der Prband gleichmäßig in den Schlauch bläst; dann hat man während der Messung einen relativen stabilen Arbeitspunkt im p-i Luft -Diagramm und kann dann davn ausgehen, dass der Luftwiderstandswert R Luftwiderstand, den man aus diesem Diagramm herauslesen kann (Steigung im Diagramm an der Stelle des Arbeitspunktes), annähernd knstant ist. franz kranzinger DataStudi

12 Spirmetrie in der Medizin Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 1

13 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 2 Spirmeter Direkte Messung des des Atemvlumens Eine Eine mit mit Luft Luft gefüllte Glcke taucht in in einen Wasserbehälter ein ein Aus Aus dieser Glcke wird wird geatmet (ausgeatmetes CO CO 2 wird 2 wird absrbiert) Inspiratin und und Exspiratin werden vn vn einem Schreiber aufgezeichnet Nur Nur für für kurzfristige Messungen geeignet Quelle:

14 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 3 Spirmeter (Cllins 9L) Quelle:

15 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 4 Pneumtachgraph (nach A. Fleisch) Messung der der Atemstrmstärke Berechnung des des Atemvlumens pneuma = Luft, Luft, Hauch tachys = schnell Patient atmet durch ein ein Mundstück, in in dem dem der der Druckunterschied gemessen wird wird Atemstrmstärke: V/t V/t = R/ P (vgl. (vgl. Q/t=I=R/U) Integrieren liefert Atemvlumen Atemstrmstärke Atemvlumen Quelle:

16 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 5 Pneumtachgraph (Pneumtrac PC) Quelle: Vitalgraph GmbH

17 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 6 Lungenvlumina Atemzugvlumen: Vlumen, das das man man nrmalerweise ein/ausatmet Exspiratrisches Reservevlumen: Vlumen, das das man man nch nch maximal ausatmen kann kann Inspiratrisches Reservevlumen: Vlumen, das das man man nch nch maximal einatmen kann kann Vitalkapazität: Vlumen, das das man man maximal ein/ausatmen kann kann Einsekundenkapazität: Vlumen, das das maximal in in einer einer Sekunde ausgeatmet werden werden kann. kann. Maß Maß für für die die Weite Weite der der Atemwege

18 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 7 Lungenvlumina und -kapazitäten Quelle: Schmidt/Thews Physilgie des Menschen (1997)

19 Spirmetrie Seminar Stuttgart I F. Karsten Flie 8 Lungenerkrankungen z.b. z.b. Rippenfraktur // Ödem Ödem erniedrigte Einsekundenkapazität nrmal nrmal in in Bezug Bezug auf auf die die geringere Vitalkapazität z.b. z.b. Asthma Asthma erhöhtes Residualvlumen erniedrigte Einsekundenkapzität Quelle: Klöss Anästhesie (2004)

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