Spirometer im virtuellen Labor: Lungenvolumina und Atmung

Aktualisiert am 2026-10-07

Dieses Spirometer im virtuellen Labor deckt die Messung der Lungenvolumina aus IB, A-Level und IGCSE Biology ab. Die Lernenden atmen in ein virtuelles Spirometer, lesen Atemzugvolumen, inspiratorisches und exspiratorisches Reservevolumen sowie die Vitalkapazität aus der Kurve ab und berechnen das Atemminutenvolumen in Ruhe und bei Belastung. Danach vergleichen sie eine gesunde Lunge mit Asthma und schließen mit der Kalkwasserprobe an eingeatmeter und ausgeatmeter Luft ab. Niemand teilt sich ein Mundstück, und jede Zahl unten wurde in der Simulation abgelesen.

Atemmechanik, Spirometrie und Gasaustausch

Lehrplanbezug

IB Biology B3.1 (Gasaustausch): Messung der Lungenvolumina, einschließlich Atemzugvolumen, Vitalkapazität und Reservevolumina, sowie der Atemfrequenz.
AQA A-level Biology 7402, Abschnitt 3.3.2: Atemminutenvolumen = Atemzugvolumen × Atemfrequenz und die Auswertung von Spirometerdaten, auch bei Lungenerkrankungen.
Cambridge IGCSE Biology 0610, Thema 11.1: die Wirkung körperlicher Aktivität auf Frequenz und Tiefe der Atmung sowie Kalkwasser als Nachweis von Kohlenstoffdioxid in eingeatmeter und ausgeatmeter Luft.

Simulic ist weder mit dem IB noch mit AQA oder Cambridge verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt.

Vor dem Experiment (5 min)

Fragen Sie: „Eine gesunde Schülerin wechselt von Ruhe zu mäßiger Belastung. Was passiert mit ihrem Atemzugvolumen und ihrer Atemfrequenz?“ Auf einem Klassenlink ist das Frage 1; die Simulation wird freigegeben, sobald die Lernenden geantwortet haben.

Durchführung in der Simulation

Öffnen Sie den Reiter Spirometer. Stellen Sie Lunge auf Gesund, lassen Sie Raucher ohne Häkchen und stellen Sie Aktivität auf Ruhe.
Warten Sie drei ruhige Atemzüge ab. Die Zeile unter der Kurve zeigt dann das Atemzugvolumen (AZV), die Atemfrequenz und das Atemminutenvolumen.
Klicken Sie auf Tief ein-, dann ganz ausatmen (VK). Sobald die Schaltflächen wieder reagieren, klicken Sie auf Forcierte Ausatmung (FEV₁) und dann auf Ergebnis notieren. Übertragen Sie IRV, ERV und VK aus der Zeile unter der Kurve.
Stellen Sie Aktivität auf Mäßige Belastung und wiederholen Sie die Schritte 2–3, danach mit Starke Belastung.
Stellen Sie Lunge auf Asthma (Bronchokonstriktion) und Aktivität auf Ruhe und wiederholen Sie die Messung.

Person	Frequenz (pro min)	AZV (L)	Atemminutenvolumen (L/min)	IRV (L)	ERV (L)	VK (L)	FEV₁/FVC (%)
Gesund, Ruhe
Gesund, mäßig
Gesund, stark
Asthma, Ruhe

der Reiter Spirometer mit Lunge: Gesund, Raucher ohne Häkchen und Aktivität: Ruhe, nach drei ruhigen Atemzügen, Tief ein-, dann ganz ausatmen (VK) und Forcierte Ausatmung (FEV₁): die Kurve mit den Beschriftungen AZV, IRV, ERV und VK (etwa 4,8 L) und die Kurve der forcierten Ausatmung mit FEV₁ von etwa 3,9 L

Erwartete Ergebnisse

Jede Spirometermessung hat einen zufälligen Fehler von wenigen Prozent, daher sind die Werte Bereiche aus mehreren Durchläufen im Browser.

Person	Frequenz	AZV (L)	Atemminutenvolumen (L/min)	IRV (L)	ERV (L)	VK (L)	FEV₁/FVC
Gesund, Ruhe	14	0,49–0,52	6,8–7,2	3,0–3,2	1,2	4,67–4,87	81–82 %
Gesund, mäßig	22	1,58–1,64	34,7–35,8	2,3–2,4	0,8	4,68–4,80	82–83 %
Gesund, stark	31	2,50	77,0	1,5–1,6	0,7	4,80–4,84	81 %
Asthma, Ruhe	20	0,44–0,46	8,8–9,2	2,8–2,9	0,9	4,13–4,21	60 %

Belastung erhöht Tiefe und Frequenz: Das Atemminutenvolumen steigt von Ruhe zu mäßiger Belastung etwa auf das Fünffache. Die Vitalkapazität bleibt gleich; das zusätzliche Atemzugvolumen geht von den Reservevolumina ab.
Asthma verändert die VK kaum, aber FEV₁ sinkt auf 2,3–2,5 L, sodass FEV₁/FVC auf 60 % fällt: das obstruktive Muster. Bei starker Belastung meldet die Simulation, dass der Körper 92 L/min braucht, die Lunge aber nur 71 L/min ventilieren kann.
Ein gesunder Raucher ergab FEV₁/FVC = 76 %.

Fragen für die Lernenden

(Vorhersage, nach dem Versuch erneut gestellt) Was passiert von Ruhe zu mäßiger Belastung mit Atemzugvolumen und Atemfrequenz?
Welche Einstellungen müssen gleich bleiben, während Sie Ruhe und Belastung vergleichen?
Wie groß ist die Vitalkapazität der gesunden Person in Ruhe?
Um welchen Faktor ist das Atemminutenvolumen bei mäßiger Belastung größer als in Ruhe?
Erklären Sie, warum Atemzugvolumen und Atemfrequenz bei Belastung beide zunehmen.

Antworten für Lehrkräfte: (1) Beide nehmen zu. (2) Lunge (Gesund) und Raucher (ohne Häkchen); nur die Aktivität ändert sich. (3) 4,6–5,0 L akzeptieren. (4) 4,5–5,5 akzeptieren; die meisten Gruppen erhalten etwa 5. (5) Arbeitende Muskeln betreiben schneller Zellatmung, brauchen also mehr Sauerstoff und bilden mehr Kohlenstoffdioxid. Tiefere, schnellere Atmung erhöht das Atemminutenvolumen und hält die Konzentrationsgefälle in den Alveolen steil.

Häufige Fehlvorstellungen

„Die Vitalkapazität wächst bei Belastung.“ Die VK bleibt gleich; das Atemzugvolumen nimmt nur einen größeren Teil davon ein.
„Ausatmen braucht immer Muskelkraft.“ Ruhiges Ausatmen beruht auf der elastischen Rückstellkraft. Nur forciertes Ausatmen nutzt die inneren Zwischenrippenmuskeln und die Bauchmuskeln.
„Asthma macht die Lunge kleiner.“ Die VK ändert sich kaum. Die Luft strömt langsam durch verengte Atemwege aus, daher sinkt FEV₁.
„Ausgeatmete Luft besteht überwiegend aus Kohlenstoffdioxid.“ Die Tabelle der Simulation zeigt in ausgeatmeter Luft etwa 4 % CO₂ und 16 % O₂.

Erweiterung

Kalkwasserversuch: Öffnen Sie Kalkwasserversuch, wählen Sie beim Tempo ×30 und klicken Sie auf Atmen starten. In Ruhe wurde Röhrchen B (ausgeatmete Luft) nach 21–23 s trüb, während Röhrchen A (eingeatmete Luft) nach 900 s noch klar war. Nach mäßiger Belastung wurde Röhrchen A nach 613–648 s trüb, nach starker Belastung nach 295–314 s.
Glasglockenmodell: Stellen Sie unter Atemmechanik das Modell auf Glasglocke und listen Sie auf, was das Modell nicht zeigen kann.

Häufige Fragen

Kann der Klassenlink direkt beim Spirometer öffnen?

Ja. Legen Sie auf der Seite Teilen in den Startwerten des Links Ansicht auf „Spirometer“ fest. Sie können auch Lunge, Raucher und Aktivität festlegen. Andernfalls fordert Schritt 1 die Lernenden auf, den Reiter zu öffnen.

Warum sind die VK-Schaltflächen ausgegraut?

Das Spirometer zeichnet gerade einen Atemzug auf. Warten Sie, bis die Kurve wieder ruhige Atmung zeigt; ein Klick während einer Aufzeichnung wird ignoriert.

Können die Lernenden das Residualvolumen messen?

Nein. Ein Spirometer erfasst nur die ein- und ausströmende Luft, daher ist das Residualvolumen (RV) in der Kurve ein Schätzwert, wie der Hinweis unter der Simulation erklärt.