Bewegung und Konstruktion - Carolina-science.de

MUSTERSTC © STC ®Bewegung Science und and Konstruktion Technology Stoffe for Children und ihre ® Eigenschaften Lektion 01Bewegung und KonstruktionLektion 01Stoffe Lehrerhandbuch und ihre EigenschaftenSTCScience & Technologyfor Children®Smithonian/The National AcademiesNational Science Resources Center1

MATERIALPROBE

STC ®Bewegung und Konstruktion Können Gummibänder ein Fahrzeug bewegen?Lektion 06Können Gummibänder ein Fahrzeugbewegen?Lektion im ÜberblickIn dieser Lektion erkunden die Schüler eine neue Antriebsart für ihre Fahrzeuge, denGummibandantrieb. Hier wird die Energie, die in einem gedehnten Gummibandgespeichert ist, auf die Welle des Standardfahrzeugs übertragen. Die Schüler testen undbewerten verschiedene Methoden, wie die Gummibänder eingesetzt werden können,um die Standardfahrzeuge in Bewegung zu versetzen. Sie werden dadurch auf Lektion 7vorbereitet, in der der Zusammenhang zwischen der Anzahl der Wicklungen derGummibänder und der Strecke, die das Fahrzeug zurücklegt, systematisch untersuchtwird.- Die Schüler finden Methoden, ihre Fahrzeuge mithilfe der in Gummibänderngespeicherten Energie, in Bewegung zu versetzen.- Die Schüler untersuchen, welche Funktion die Welle hat und wie die Befestigungder Gummibänder den Gummibandantrieb ermöglicht.- Die Schüler erkennen, dass Energie in Gummibändern gespeichert und auf die Welledes Standardfahrzeugs übertragen werden kann.Ablauf• Vorbereitung-- Die Schüler erhalten Schutzbrillen und eine Einführung, welche Gefahren dieVerwendung von Gummibändern birgt und warum sie Schutzbrillen tragen sollten.-- Die Schüler versuchen das Standardfahrzeug mit den Gummibändern in Bewegungzu versetzen.-- Diskussion der Antriebsmöglichkeiten-- Besprechung von Datenblatt 6• Versuchsdurchführung• Vorstellung und Besprechung der Ergebnisse-- Was habt ihr gefühlt, als ihr die Gummibänder aufgewickelt habt? Hat sich dasGefühl verändert, als ihr die Gummibänder fester aufgewickelt habt? Wenn ja, wie?-- Wirkt sich die Richtung, in der ihr die Gummibänder aufgewickelt habt, auf dieRichtung aus, in die euer Fahrzeug fährt? Wenn ja, wie?-- Was habt ihr getan, damit euer Fahrzeug eine längere Strecke fährt? Wann isteuer Fahrzeug eine kürzere Strecke gefahren? Warum ist dies eurer Meinung nachpassiert?WichtigeBegriffeEnergie, Energieformen - Potentielle Energie (Energie der Lage) - Kinetische Energie(Bewegungsenergie) - Energieumwandlung - Welle - AchseMATERIALPROBE69

Lektion 06Bewegung und Konstruktion Können Gummibänder ein Fahrzeug bewegen?STC ®HinweiseDies ist die erste Lektion bei der die Schüler Schutzbrillen tragen sollten.MaterialJeder Schüler benötigt:1 Laborjournal1 SchutzbrilleJede Arbeitsgruppe benötigt:1 Datenblatt 6: „Testen des Gummibandantriebs”1 Bleistift mit Radiergummi1 Standardfahrzeug3 schmale Gummibänder, miteinander verbunden70MATERIALPROBE

STC ®Bewegung und Konstruktion Können Gummibänder ein Fahrzeug bewegen?Lektion 06Lektion im DetailHintergrundPhysikalischer Hintergrund: Energie, Energieformen und EnergieumwandlungDie Fähigkeit Arbeit zu verrichten, wird Energie genannt und ist eine Grundgröße derPhysik. Viele natürliche Energiequellen sind den Schülern vertraut. Die Energie der Sonneerwärmt die Erde und ermöglicht das Wachstum der Pflanzen. In Holz und Kohle istchemische Enegie gespeichert. Die durch deren Verbrennung frei werdende Wärme wirdzum Heizen von Wohn- und Geschäftshäusern genutzt. Windenergie kann Windmühlenantreiben und Segelschiffe bewegen. Die Schüler haben möglicherweise schon einintuitives Verständnis von gespeicherter Energie. Unsere Körper nutzen die Energie, diein der Nahrung gespeichert ist, ein Kamerablitz nutzt die Energie, die in seinen Batteriengespeichert ist und ein Auto nutzt die im Benzin gespeicherte Energie.Es gibt viele unterschiedliche Energieformen. Energie der Lage oder potentielleEnergie ist Energie, die freigesetzt werden kann. In Lektion 3 haben die Schüler eineMöglichkeit zur Speicherung von Energie kennen gelernt, indem sie die Unterlegscheibenam Schnurende vom Boden auf die Höhe der Arbeitsfläche anhoben. Als die Schüler dieUnterlegscheiben losließen, hat die Schwerkraft diese nach unten gezogen und die Schnurzog das Fahrzeug über die Arbeitsfläche. Während sich die Unterlegscheiben nach untenbewegten, wurde die gespeicherte Energie in Bewegungsenergie umgewandelt, sowohlin Bewegungsenergie des Fahrzeugs als auch in Bewegungsenergie der Unterlegscheiben.Physiker nennen die Bewegungsenergie kinetische Energie.Die in Gummibändern gespeicherte Energie kann man spüren. Wenn Sie die Enden einesGummibandes festhalten und ihre Hände langsam auseinander bewegen, dehnt sich dasGummiband und sie können fühlen, wie es ihre Hände zueinander zieht. Die Schülerspeichern Energie in den Gummibändern indem sie sie um die Welle ihres Fahrzeugswickeln und die Gummibänder dadurch dehnen.Wenn gespeicherte Energie freigesetzt wird, verändert sie ihre Erscheinungsform. Wennz.B. ein Bogenschütze den Bogen spannt, biegt sich das Holz und die Sehne dehnt sich.Der Bogenschütze hat Energie im Holz des Bogens und in der Sehne gespeichert. Wennder Schütze die Sehne loslässt, wird die gespeicherte Energie in die Bewegungsenergiedes Pfeils umgewandelt. Ebenso ist in den um die Welle des Fahrzeugs gewickeltenGummibändern Energie gespeichert. Lassen die Schüler das Fahrzeug los, wickelt sich dasgedehnte Gummiband ab und treibt die Welle an. Die gespeicherte Energie (potentielleEnergie) wird in Bewegungsenergie (kinetische Energeie) des Fahrzeugs umgewandelt.Eine Welle überträgt im Gegensatz zu einer Achse ein Drehmoment. Eine Achsedient nur zum Tragen oder Lagern von Rädern. Daher ist nur die feste Vorderachse desStandardfahrzeugs tatsächlich eine Achse, die „drehbare Hinterachse” hingegen wird vonden aufgewickelten Gummibädern in Rotation versetzt. Sie ist eine Welle.Umsetzung im KlassenraumWährend einer Phase des freien Ausprobierens beobachten die Schüler, wie sich ihreFahrzeuge mithilfe der Energie von gedehnten Gummibändern bewegen. Danachbefestigen sie in einer systematischen Untersuchung das eine Ende der miteinanderverbundenenen Gummibänder an der festen Achse des Fahrzeugs und wickeln das andereEnde um die „frei drehbare Achse”, die Welle. Während die Schüler die Welle drehen,um die Gummibänder aufzuwickeln, erhöht sich die Energie, die in den Gummibänderngespeichert ist.MATERIALPROBE71

Lektion 06Bewegung und Konstruktion Können Gummibänder ein Fahrzeug bewegen?STC ®Die Schüler beobachten vielleicht auch Folgendes: Zwischen den Reifen und Arbeitsflächetritt Haftreibung auf. Diese ermöglicht die Bewegung des Fahrzeugs. Die hellbraunenNabenverbindungsstücke verbinden die großen Räder fest mit der Welle, während dieRäder an der Achse drehbar sind. Querverstrebungen verhindern, dass sich der Rahmenverschiebt. In Lektion 8 werden diese Konstruktionsmerkmale des Standardfahrzeugsdetailliert bezüglich der Reibung untersucht. Die genauere Bewertung solcher Merkmaleträgt dazu bei, die Schüler auf den Bau ihrer eigenen Fahrzeuge vorzubereiten.Vorbereitungen1. Kopieren Sie für jede Arbeitsgruppe (oder für jeden Schüler) das Datenblatt 6: „Testendes Gummibandantriebs”.2. Verbinden Sie für jede Arbeitsgruppe drei Gummibänder miteinander. Richten Sie sichdabei nach Abb. 6-1.Abbildung 6-1Verbinden derGummibänder3. Viele Fahrzeuge werden weiter fahren als die Länge der Arbeitsfläche auf den Tischen.Weisen sie daher den Gruppen einen Arbeitsbereich auf dem Boden zu.4. Achten Sie darauf, dass alle Arbeitsgruppen am Ende von Lektion 5 die Fahrzeuge inden Standardzustand (vgl. Abb. 2-2, Lektion 2) zurückversetzt haben.5. Legen Sie die Fahrzeuge und die Gummibänder in die Materialsammlung.Ablauf1. Vorbereitungen- Verteilen Sie Schutzbrillen an die Schüler. Erklären Sie ihnen warum und wiesie Schutzbrillen tragen sollen. Weisen Sie die Schüler darauf hin, dass sie dieSchutzbrillen aus Sicherheitsgründen immer dann tragen müssen, wenn sieGummibänder bei ihren Fahrzeugen einsetzen.Abbildung 6-2Das Tragen vonSchutzbrillen72MATERIALPROBE

STC ®Bewegung und Konstruktion Können Gummibänder ein Fahrzeug bewegen?Lektion 06- Bitten Sie die Arbeitsgruppen, ihre Standardfahrzeuge und die Gummibänder ausder Materialsammlung zu holen. Geben Sie den Schülern einige Minuten Zeit,um auszuprobieren, wie sie mithilfe der Gummibänder ihr Fahrzeug in Bewegungversetzen können.- Fragen Sie, ob eine Arbeitsgruppe ihr Fahrzeug mithilfe der Gummibänder bewegenkonnte. Falls ja, lassen Sie die Arbeitsgruppe ihre Lösung demonstrieren. Bitten Siedie Schüler zu beschreiben, welche Konstruktionsmerkmale den Gummibandantriebermöglicht haben.- Verteilen Sie das Datenblatt 6: Testen des Gummibandantriebs an jede Arbeitsgruppe(oder an jeden Schüler). Gehen Sie mit den Schülern die Anweisungen durch.Weisen Sie den Schülern einen Bereich auf dem Boden zur weiteren Untersuchungdes Gummibandantriebs zu.2. VersuchsdurchführungFordern Sie die Schüler auf, die Untersuchung durchzuführen und das Datenblattauszufüllen.3. Sammeln, Diskutieren und DokumentierenBitten Sie die Schüler, unter Berücksichtigung der Datenblätter, ihre Entdeckungenmitzuteilen. Diskutieren Sie auch folgende Fragen:- Was habt ihr gefühlt, als ihr die Gummibänder aufgewickelt habt? Hat sich dasGefühl verändert, als ihr die Gummibänder fester aufgewickelt habt? Wenn ja, wie?- Wirkt sich die Richtung, in der ihr die Gummibänder aufgewickelt habt, auf dieRichtung aus, in die euer Fahrzeug fährt? Wenn ja, wie?- Was habt ihr getan, damit euer Fahrzeug eine längere Strecke fährt? Wann isteuer Fahrzeug eine kürzere Strecke gefahren? Warum ist dies eurer Meinung nachpassiert?Sagen Sie den Schülern, dass sie den Gummibandantrieb in Lektion 7 genaueruntersuchen werden.Hinweis: Entscheiden Sie, ob Sie an dieser Stelle die Unterschiede zwischen Welleund Achse diskutieren möchten.4. AufräumenFordern Sie die Schüler auf, ihre Fahrzeuge und die übrigen Materialien in dieMaterialsammlung zurückzubringen. Stellen Sie sicher, dass alle Fahrzeuge dieStandardkonfiguration aufweisen. Die Schüler können sich bei Bedarf an dertechnischen Zeichnung in Lektion 2 (Schülerheft, S. 7) orientieren.MATERIALPROBE73

Lektion 06Bewegung und Konstruktion Können Gummibänder ein Fahrzeug bewegen?STC ®ErweiterungenSprachE KUNST1. Bitten Sie die Schüler, Werbung für Autos und Lastkraftwagen mitzubringen. LassenSie sie dann ihre eigene Werbung gestalten, bei der sie die besonderen Merkmale einesdieser Fahrzeuge herausstellen.Sozialkunde2. Lassen Sie die Schüler recherchieren, wie sich die Konstruktion von Automobilen imLaufe der Zeit verändert hat. Fordern Sie die Schüler auf, eine Zeitleiste zu erstellen, diediese Veränderungen darstellt. Die Schüler können auch die Veränderungen andererErfindungen untersuchen, z.B. Telefon oder Computer.NATURWISSENSCHAFT3. Fragen Sie die Schüler, was eine gespannte Bogensehne oder eine Batterie mit denaufgewickelten Gummibändern gemeinsam hat.Vorbereitung für Lektion 7- Die Schüler werden in Lektion 7 wieder ihre Standardfahrzeuge benutzen.Erinnern Sie sie daran, zwischen den Lektionen ihre Fahrzeuge nicht zuverändern oder auseinanderzubauen.- Die Arbeitsgruppen werden in Lektion 7 eine große Bodenfläche für ihreVersuche benötigen. Sie können die Schreibtische im Klassenraum an die Seiteschieben oder z.B. Flure oder die Turnhalle belegen.74MATERIALPROBE

Bewegung und KonstruktionDatenblatt 6Datum:Namen:Testen des Gummibandantriebs1. Befestigt, wie auf der Abbildung gezeigt, die verbundenen Gummibänder an der festen Vorderachse mitden kleinen Rädern, indem ihr eine Schlaufe um die Achse legt.2. Zieht das freie Ende der Gummibänder zu der Welle (frei drehende Hinterachse) mit den großen Rädernherüber und wickelt das freie Ende einige Male herum. Die Abbildungen auf der nächsten Seite diesesDatenblattes werden euch dabei helfen. Lasst das Gummiband los. Was passiert? Warum ist dies eurerMeinung nach passiert?Welle (frei drehendeHinterachse)Befestigt die Gummibändermit einer Schlaufe an derVorderachse.festeVorderachse3. Erkundet andere Methoden, euer Fahrzeug mithilfe der Gummibänder zu bewegen.- Wickelt die Gummibänder in entgegengesetzte Richtungen auf die Welle (frei drehende Hinterachse).Was beobachtet ihr?- Löst die Gummibänder von der Achse. Befestigt sie auf die gleiche Art mit einer Schlaufe an der Welle.Wickelt dann das freie Ende um die Achse und lasst los. Was beobachtet ihr?MATERIALPROBE

Bewegung und KonstruktionDatenblatt 6Datum:Namen:Testen des Gummibandantriebs, FortsetzungSchritt 1Wickelt das freie Endeder Gummibänder um dieWelle.Schritt 2Dreht die Welle.Die Spannung derGummibänder hält dasEnde an seinem Platz.Schritt 3Haltet die fertiggewickelten Gummibänderfest bis ihr das Fahrzeugstarten wollt.4. Was habt ihr außerdem beobachtet?MATERIALPROBE

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