Arbeitsblatt: Werkstatt Physik Fahrrad

Prüfungsarbeit Das Fahrrad PH S200 – Didaktik Physik PH S200 Werkstatt Fahrrad Inhaltsverzeichnis 1.Begründung der Themenwahl3 2.Physikalische Sachstruktur.3 3.Lernziele 4 4.Einbettung in LP21.4 5.Elementare Grundideen4 6.Unterrichtsstruktur5 7.Schülerperspektive6 8.Quellen 6 9.Eigenständigkeitserklärung7 10.Lernaufgabe. 8 11.Lösungen.14 2 PH S200 Werkstatt Fahrrad 1. Begründung der Themenwahl Ich habe das Thema Fahrrad gewählt, da ich in meinen bisherigen Praktika sehr viele SuS gehabt habe, die mit dem Fahrrad zur Schule kommen. Während meiner Schulzeit hatte ich kein einziges physikalisches Experiment gesehen, geschweige denn selbst durchgespielt. Demensprechend trocken war auch der Unterricht. Ich möchte nicht, dass meine SuS einen solchen Physikunterricht erleben müssen. Das Fahrrad eignet sich für hervorragend für eine Werkstatt. Das Fahrrad besteht aus mehreren Komponenten, welche physikalischen Gesetzten unterliegen. Dieses Thema bieten den SuS ihr alltägliches Gefährt einmal näher zu betrachten und ihr gelerntes Wissen auf die einzelnen Komponenten anzuwenden. 2. Physikalische Sachstruktur Das Fahrrad besteht aus mehreren Komponenten die physikalisch untersucht werden können. Für meine Werkstatt habe ich mich für vier Themengebiete entschieden, die im Zusammenhang mit dem Fahrrad untersucht werden können. Kettenantrieb Drehmomentwandler Am Wellrad wirken gleich grosse Drehmomente, aber verschieden grosse Kräfte. Dass Wellrad ist ein Kraftwandler (Kuhn, 2012, S. 128). Beim Kettenantrieb wirken gleiche Kräfte, aber verschiedene Drehmomente. Der Kettenantrieb ist ein Drehmomentwandler (Kuhn, 2012, S. 128). Bremsweg Reibung (Energiewandler) Bei der Bremsung ist es das Ziel, möglichst schnell die Bewegungsenergie in eine andere Energieform umzuwandeln, meist in Form von Wärmeenergie. Je schneller man auf dem Fahrrad unterwegs ist, desto länger ist der Bremsweg Das Dynamo Energiewandler Der Fahrraddynamo ist eine elektrische Quelle. Durch das Antriebsrädchen wird in seinem Inneren ein Magnet gedreht (Impuls, 2009, S. 260). Am Dynamogehäuse ist die Induktionsspule befestigt, weshalb eine Wechselspannung entsteht. Das geschieht durch die Umwandlung kinetischer Energie des Rades in elektrische Energie (Wikipedia, 04.05.16). Luftdruck Reifendruck Die Erde ist von einer Lufthülle, der Atmosphäre, umgeben. Die Gewichtskraft der Luft über uns verursacht einen Schweredruck, den Luftdruck. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. Der Luftdruck am Erdboden beträgt 1000hPa oder 1bar. Der Druck in einem geschlossenen Gefäss ist überall gleich gross und wirkt allseitig (vgl. Impulse, 2009, S. 143144). 3 PH S200 Werkstatt Fahrrad 3. Lernziele Die SuS wissen, welche Faktoren aussagekräftige) Messung wichtig sind. für eine genaue (wissenschaftliche Die SuS können mind. 5 Faktoren benennen, die den Bremsweg beeinflussen. Erweitertes Lernziel: Die SuS können einen Faktor aktiv beeinflussen. Die SuS können beschreiben, welche Eigenschaften ein Fahrraddynamo aufweist. Die SuS können in eigenen Worten den Unterschied zwischen absolutem und relativem Luftdruck schriftlich festhalten. 4. Einbettung in LP21 Die SuS . können technische Geräte austesten, hinterfragen und dazu Verbesserungen vorschlagen (z.B. Schattenwurf und Neigungswinkel bei Solarzellen). können Grundprinzipien von Alltagsgeräten erkennen, vergleichen und präsentieren (z.B. wärmeerzeugende Geräte, Wärmepumpe, Lampen, Übersetzung Fahrrad, Zapfenzieher, Personenlift, Sicherungsautomat, Lautsprecher, Leuchtdiode, Solarzellen). können verschiedene Möglichkeiten der Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie benennen und beschreiben. (Dynamo) 5. Elementare Grundideen E1: Für eine aussagekräftige Messung benötige ich mehrere Messdaten (Mittelwert) E2: Wenn ich einen Faktor verändere, verändert sich auch mein Bremsweg 4 PH S200 Werkstatt Fahrrad E3: Magnete bestehen aus einem Nord und einem Südpol E4: Das Innere eines aufgepumpten Reifens weist einen grösseren Druck auf, als der äussere Luftdruck. 6. Unterrichtsstruktur Stufe: 3 Sek Zeit: 23 Lektionen Vorwissen: Goldene Regel der Mechanik, Reibung (Haft, Gleitreibung), Generator (Inne und Aussenpolgenerator, Wechselspannung), Schweredruck (Absoluter und relativer Luftdruck). Einbettung in den Unterricht Das Fahrrad ist kein Schwerpunkt im LP21 noch in den verschiedenen Lehrmitteln die es für die Physik gibt. Oftmals werden Teilaspekte betrachten und erklärt. Ich würde das Fahrrad deshalb in einem späteren Verlauf mit einer dritten Sekundarstufe AKlasse durchnehmen. In Form einer Werkstatt können die SuS dann ihr gelerntes Wissen überprüfen und auf das Fahrrad anwenden. Lernweg/ Argumentation der Unterrichtssequenz Ich habe mich für eine Werkstatt entschieden, da das Fahrrad in den Physikbüchern oft auseinandergenommen wird und in den jeweiligen Themengebieten bearbeitet wird. Die Werkstatt ermöglicht den SuS ihr Wissen zu überprüfen und das gelernte umzusetzen. Die SuS lernen durch die klassischen Experimente (Flaschenzug, Koffertragen für Arbeit etc.) die physikalischen Gesetzte und Grössen kennen. Einige dieser physikalischen Gesetzte lassen sich auf das Fahrrad übertragen, bzw. sind der Grund warum man beim Fahrradfahren nicht umkippt. Das ermöglicht den SuS ein neues Instrument mit den gelernten Gesetzgebungen und physikalischen Grössen zu verknüpfen. Die Werkstatt wird in Zweiergruppen erledigt, Dabei ist die Reihenfolge den SuS überlassen, da keines der Themen auf das andere Aufbaut. Eine durchschnittliche Klasse hat 20 SuS. Es ist daher sinnvoll eine rein Schriftliche Aufgabe zu haben, um Stau bei den Experimenten (Bremsweg) zu verhindern (vgl. Aufgabe Druck). Je nach Zeitplan und Material kann sich die LP dafür entscheiden in jedem 5 PH S200 Werkstatt Fahrrad Themengebiet ein Experiment durchzuführen, oder nur bei bestimmten. In meinem Fall erachte ich es als sinnvoll, den Bremsweg und den Kettenantrieb als Experiment durchzuführen. 7. Schülerperspektive Interessen: Viele der SuS in meinem Praktikum sind mit dem Fahrrad zur Schule gekommen. Ich erwarte ein grosses Interesse der SuS, da diese Werkstatt es ihnen ermöglicht ihren täglichen Wertgefährten neu zu entdecken. Präkonzepte Da ich vier unterschiedliche Themen behandle, erwarte ich mind. Vier Präkonzepte der SuS. Ich möchte auf mögliche Präkonzepte meiner beiden Experimente eingehen. Präkonzept Messen: Zum Messen benötige ich den Kraftmesser, an dem ich dann so lange ziehe bis sich das Pedal bewegt (Richtung egal). Präkonzept Bremsweg: Je schwerer ich bin, desto grösser/länger ist mein Bremsweg. 8. Quellen Bredthauer, W. 2009. Impulse. Zug: Klett und Balmer. Kuhn Wilfried. 2012. Physik 1 Kuhn Physik. Braunschweig: Westermann. Dynamo (4.5.16) Aufgabe Dynamo induktion/lb/musteraufgabenmittelstufefahrraddynamo (10.05.16) 6 PH S200 Werkstatt Fahrrad LP21 (10.05.16) Abb.1. induktion/lb/musteraufgabenmittelstufefahrraddynamo (10.05.16) Abb.2.,3.,4.,5. (10.05.16) Abb.6. Eigenaufnahme 9. Eigenständigkeitserklärung Hiermit erkläre ich, dass die vorliegende Arbeit von mir erfasst wurde und keine anderen Hilfsmittel, ausser diejenigen, welche mit einem Quellenverweis gekennzeichnet sind, gebraucht wurden. Datum:_ Unterschrift:_ 7 PH S200 10. Werkstatt Fahrrad Lernaufgabe Posten 1 Kettenantrieb – Wie misst man richtig? In der folgenden Aufgabe geht es es darum eine Messung durchzuführen. Zur Verfügung steht dir das Fahrrad auf dem Tisch und die unten aufgeführten Materialien. Kraftmesser – 1. Massstab – 2. Geodreieck – 3. Haargummi – 4. Ein Stück Schnur – 5. Ein Gewicht – 6. Eine Klemme – 7. Klebeband – 8. 6. 8. 4. 7. 2. 1. 3. 5. Abb.6. Auftrag: Führe eine möglichst genaue Kraftmessung beim Kettenantrieb durch. Inwiefern ändert sich der Kraftaufwand beim hoch bzw. runterschalten. Wichtig: Überlege dir welche Materialien du benötigst und begründe deine Wahl. Tipp: Es geht in dieser Aufgabe nicht primär um einen Zahlenwert! Begründung der Messmethode: 8 PH S200 Werkstatt Fahrrad Posten 2 Der Bremsweg Im Sommer fahren tagtäglich tausende Menschen mit dem Fahrrad von nach B. Ob die Fahrer am Zielort ankommen hängt nicht nur von der Geschwindigkeit ab. Jeder Fahrradkurier weiss, Bremsen ist in vielen Fällen wichtiger als Gas zu geben! Wie kurz mein Bremsweg ist, hängt von vielen Faktoren ab. Ich möchte von euch wissen: A. welche Faktoren spielen beim Bremsweg eine Rolle, nenne mind. 5? Genannte Faktoren müssen nicht Teil des zu Verfügung stehenden Materials sein. B. Suche dir einen Faktor aus, den du aktiv beeinflussen kannst um deinen Bremsweg zu verkürzen und beschreibe wie du vorgegangen bist? Material: 3 Fahrräder (alle gleich schwer) mit verschiedenen Bremssystemen: Fixie (Bremsen mit Rücktritt), Felgenbremse, Scheibenbremse. Ein Stapel Karton mit Klebeband. Ein schwerer Rucksack. Geschwindigkeitsmesser. Messband Spritzpistole mit Wasser Wichtig: Achte darauf, dass du vor dem Bremsvorgang immer etwa die gleiche Geschwindigkeit hast. Bremse immer auf der gleichen Höhe (Kreidemarkierung auf dem Boden). Einflüsse beim Bremsweg Gewählter Faktor: 9 PH S200 Werkstatt Fahrrad Posten 3 Dynamo Erläutere an Hand nebenstehender Skizze das Funktionsprinzip des Fahrraddynamos: Abb.1. Handelt es sich um einen Innen oder Aussenpolgenerator: Liefert dieser Dynamo Wechsel oder Gleichspannung 10 PH S200 Werkstatt Fahrrad Tipp: Hier hast du einen Innen und einen Aussenpolgenerator. Beschrifte sie und begründe anschliessend deine Auswahl oben. Abb.2. Abb.3. 11 PH S200 Werkstatt Fahrrad Posten 4 Luftdruck Mark möchte morgen eine grosse Velotour im Tessin starten. Damit er morgens etwas länger schlafen kann, bereitet er alles schon vor. Dazu gehört auch die Reifen zu pumpen. Marks Manometer (ein Druckmessgerät bei Fahrradpumpen) zeigt 4 bar. Am nächsten Tag macht sich Mark mit seinem Kumpel Nick auf den Weg. Doch schon nach wenigen Kilometern passiert das Unglück. Mark fährt über einen Reissnagel und der Reifen platzt. Aufgabe: Ergänze in die unten aufgeführten Skizzen. Einmal für den funktionsfähigen Pneu und einmal für den Pneu mit Loch. Tipp: Für die Lösung benötigst du den Umgebungsdruck Erkläre in eigenen Worten was du unter absolutem und relativem Luftdruck verstehst (23 Sätze). 12 PH S200 Werkstatt Fahrrad 13 PH S200 11. Werkstatt Fahrrad Lösungen Bremsweg Einflüsse beim Bremsweg Einige Beispiele Gewählter Faktor: Bspw. Luftwiderstand Wasser Viel Kartonflächen am Körper gegen Gewicht die Geschwindigkeit Luftwiderstand. Fahrtwindrichtung erhöhen den Bremssystem Luftwiderstand .etc. Dynamo Erläutere an Hand nebenstehender Skizze das Funktionsprinzip des Fahrraddynamos: Durch die Reibung am Reifen wird das Antriebsrad in Rotation versetzt. Der mit dem Antriebsrad verbundene Permanentmagnet rotiert zwischen dem Uförmigen Eisen auf dem eine Spule sitzt. Der rotierende Magnet bewirkt ein magnetisches Wechselfeld, welches eine Wechselspannung in der Spule induziert. Handelt es sich um einen Innen oder Aussenpolgenerator: Es handelt sich um einen Innenpolgenerator, da die Magnetspule mit ihren Polen innen dreht. Liefert dieser Dynamo Wechsel oder Gleichspannung Dieser Dynamo liefert Wechselspannung. Abb.4. Abb.5. 14 PH S200 Werkstatt Fahrrad Luftdruck 5 4 1 0 Erkläre in eigenen Worten den Unterschied zwischen absolutem und relativem Luftdruck (23 Sätze).: Bsp. Absoluter Luftdruck: Ist die Differenz zwischen einem geschlossenen System (Beispiel Reifen) zum Vakuum. Relativer Luftdruck: Ist die Differenz zwischen dem Druck in einem geschlossenen System (Beispiel Reifen) und dem Umgebungsdruck (meist der Luftdruck). 15