® Education HANDLEIDING LEERKRACHT WIELEN & ASSEN EN HELLENDE VLAKKEN ENKELVOUDIGE MACHINES 78620
ENKELVOUDIGE MACHINES WIELEN & ASSEN EN HELLENDE VLAKKEN Handleiding Leerkracht 96265-V3-10/14 © 2014 K’NEX Limited Partnership Group and its licensors. K’NEX Education zijn gedeponeerde handelsmerken van K’NEX Commanditaire vennootschap Groep. K’NEX Limited Partnership Group P.O. Box 700 Hatfield, PA 19440-0700 Conforms to the Requirements of ASTM Standard Consumer Safety Specification on Toy Safety, F963-03. Manufactured under U.S. Patents 5,061,219; 5,199,919; 5,350,331; 5,137,486. Other U.S.
Voorwoord: ENKELVOUDIGE MACHINES Overzicht Deze handleiding voor de leerkracht is ontwikkeld om de leerlingen te kunnen begeleiden als ze werken aan de K’NEX Education Intro Enkelvoudige Machines: Wielen & Assen en Hellende Vlakken. De combinatie van het K’NEX-materiaal, het lesmateriaal voor de individuele leerling en de informatie uit deze handleiding stelt leerlingen in staat om wetenschappelijke concepten te ontwikkelen en hun onderzoeken in zinvolle leerzame ervaringen om te zetten.
2
Wielen en assen WIELEN EN ASSEN Achtergrondinformatie DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bestuderen de eigenschappen van wielen en assen om te begrijpen hoe deze werken. 2. Beschrijven de relatie tussen de onderdelen van een wiel en assen systeem. 3. Maken verschillende typen systemen van wielen en assen en demonstreren de werking. 4. Stellen vast of het wiel de as laat draaien of de as het wiel en bepalen hoe dit de werking van het systeem beïnvloedt. 5.
HANDLEIDING LEERKRACHT Weerstand: De kracht die het voorwerp(last) uitoefent als deze arbeid probeert te verrichten. Het werkt de inspanning tegen. Last: Het voorwerp(gewicht) dat bewoog of de weerstand die overwonnen is bij het gebruik van een wiel en as. Het roept een weerstand op tegen de beweging van wiel en as. Wrijving: De kracht die wordt veroorzaakt door de wrijving van twee oppervlakken als een voorwerp beweegt.
WIELEN EN ASSEN Het openen van deur zonder deurknop valt bijvoorbeeld niet mee. De deurknop vergemakkelijkt dit omdat het de benodigde inspanning om het slot te openen vermindert. De deurknop moet over een grotere afstand bewogen worden dan de as, maar dat vraagt minder inspanning. Tegelijkertijd oefent de as, door de kleinere doorsnede, meer kracht uit. WIEL: kleine inspanning verdeeld over een grote draaicirkel. AS: kleine draaicirkel levert grotere kracht.
HANDLEIDING LEERKRACHT Let op. Sommige wiel en as systemen van voertuigen verschillen van andere enkelvoudige wiel en asmachines. Deze hebben wielen die niet vast zitten aan hun as. Deze vergemakkelijken het verplaatsen door het verminderen van de wrijving. Ze geven geen beter rendement. (Bijvoorbeeld de rollende boomstammen onder de steen van een Hunebed.) Als eerder opgemerkt, enkelvoudige machines maken het werk makkelijker.
WIELEN EN ASSEN De put De Put Een voorbeeld van een wiel dat een as draait DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Begrijpen de wetenschappelijke term arbeid en het idee dat eenvoudige (enkelvoudige) machines arbeid kunnen vergemakkelijken. 2. Demonstreren de eigenschappen van wielen en assen. 3. Onderzoeken hoe arbeid makkelijker wordt als een wiel een as draait. 4. Ontdekken hoe het veranderen van de maat van het wiel invloed heeft op de hoeveelheid inspanning om de arbeid te verrichten.
HANDLEIDING LEERKRACHT Begin de les met het definiëren van wiel en as. (zie pagina 3 van deze handleiding). Wijs erop dat een wiel en as een eenvoudige (enkelvoudige) machine zijn. Gebruik hierbij een voorbeeld gemaakt van een potlood en een garenklosje om de onderdelen en werking uit te leggen. Maak een bordtekening met naam-aanduiding (zie tekening hieronder). WIEL AS Vraag de leerlingen om voorbeelden te noemen van wielen en assen in het dagelijks leven.
WIELEN EN ASSEN De put Bouw Activiteit Geef iedere groep een set K’NEX Education Wielen, Assen en Hellende Vlakken. Laat de doos openen en het boekje met bouwinstructies pakken. Als de klas voor het eerst met K’NEX werkt wijs ze dan op de pagina met tips voor het bouwen met K’NEX. Ter voorkoming van latere frustraties is het essentieel dat de leerlingen de manier van bouwen begrijpen. Stel gedragsregels voor het compleet houden van de set in de toekomst.
HANDLEIDING LEERKRACHT Laat in het model eerst het wiel en de as onderzoeken. (De slinger is het wiel en het touw zit vast aan de as.) De leerlingen noteren het verschil in omtrek van wiel en as. Ze moeten opschrijven welke afgelegde afstand het grootst is bij een enkele omwenteling. Stel de volgende vragen: (a) Draai je de slinger om de as rond te draaien? Zo ja, dan helpt de machine jou door de kracht die je uitoefent te versterken.
WIELEN EN ASSEN De put 2. (a) Begin met de blauwe staaf boven en draai de emmer helemaal omhoog. Pas op dat je de slinger niet loslaat, want dan rolt het touw weer af. (b) Tel het aantal omwentelingen dat je nodig had om de emmer van de vloer naar tafelhoogte te hijsen. (c) Hoe ver stijgt de emmer bij elke keer dat je draait? (d) Hoe kunnen een wiel en een as het makkelijker maken om een emmer op te hijsen? Afhankelijk van de tafelhoogte heb je 5-7 keer nodig om de emmer op te hijsen.
HANDLEIDING LEERKRACHT 4. (a) Maak het wiel (slinger) groter en kleiner met langere en kortere staven en herhaal het experiment. (b) Vergelijk de blauwe staaf met de andere staven? (c) Gaat het makkelijker of moeilijker om de emmer op te tillen? (d) Maakt het uit of je een groot of een klein wiel gebruikt? Leerlingen moeten opmerken dat het wiel makkelijker draait met langere staven en zwaarder met korte staven.
WIELEN EN ASSEN 2. De put Laat de leerlingen het Rendement van het wiel/as-systeem uitrekenen van de put die ze gebouwd hebben. Gebruik de volgende aanwijzingen: (a) Meet de diameter(doorsnede) van wiel of as die de inspanning levert. Neem dan de helft om de straal(radius) te berekenen. (IR=Inspannings Radius) (b) Meet de diameter van wiel of as die niet de inspanning levert. Neem daar de helft van om de Weerstand Radius te berekenen.
14
WIELEN EN ASSEN De raderboot De raderboot Voorbeeld van een as dat een wiel draait DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Ontdekken hoe een as dat een wiel draait de afgelegde afstand en snelheid vergroot. 2. Onderzoeken de relatie tussen de vergroting van het wiel en de afgelegde afstand.
HANDLEIDING LEERKRACHT Bouw Activiteit Geef elke groep een set K’NEX Education wielen, assen en hellende vlakken. (Let op: Wijs de leerlingen er op dat te ver uitgerekt elastiek kan breken.) Laat de raderboot van pagina 4 bouwen. De ene leerling bouwt de stappen 1-5, de andere de stappen 6-8. Daarna de twee delen samenvoegen. Onderzoek Activiteit: Hoe helpen wiel en as jou arbeid te verrichten? Vraag de leerlingen het wiel (witte en grijze spaken) en de as (gele staaf) in hun model aan te wijzen.
WIELEN EN ASSEN 4. Vraag de klas te bedenken wat het effect op het varen zou zijn als je de bladen(groene staven) van het waterrad zou afdekken. (Als dit te moeilijk is vraag ze dan wat het nut is van zwemvliezen.) De raderboot De leerlingen moeten voorspellen dat de dichte peddels de boot sneller laten varen. Ook als de motor hetzelfde opgewonden is. Het afdekken vergroot de oppervlakte van het waterrad (en de hoeveelheid water die verplaatst wordt). Snelheid en afstand nemen dan toe.
HANDLEIDING LEERKRACHT CHECKLIST VERSLAG Laat de leerlingen bij iedere test of experiment een verslag maken van hun bevindingen. Dit moet de volgende onderdelen bevatten: 4 4 4 4 4 18 Benoemen van wiel en as mechanisme. Aangeven of het wiel of de as de boot laat varen. Uitleggen hoe het draaien van de as de boot sneller laat varen over een grotere afstand. Een vergelijking van de werking van het rad, met en zonder bedekking van de bladen. Uitleg waarom raderboten vooral gebruikt worden op rustig water.
WIELEN EN ASSEN Het stuurwiel Het stuurwiel: Voorbeeld van een wiel dat een as draait DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Onderzoeken hoe arbeid makkelijker wordt als een wiel een as draait. 2. Onderzoeken de relatie tussen stuurwiel, stuurkolom en de wielen van een voertuig.
HANDLEIDING LEERKRACHT Bouw Activiteit Geef elke groep een set K’NEX Education Wielen, Assen en Hellende Vlakken. Laat het Stuurwiel van de pagina’s 6 – 8 uit het instructieboek maken. Een leerling bouwt stap 1 – 5 de andere stap 6 – 10. Verbind daarna de onderdelen (stap 11 – 14). WIJS DE LEERLINGEN ER OP DAT ER DRIE INSTRUCTIEPAGINA’S ZIJN. Onderzoek Activiteit: Hoe helpen wiel en as je met het werk/arbeid? Laat de leerlingen rustig het model onderzoeken dat ze gemaakt hebben.
WIELEN EN ASSEN 2. Het stuurwiel (a) Zet het gele stuurwiel weer op de blauwe staaf. Duw de wagen weer en stuur met het stuurwiel. (b) Hoe gaat het sturen nu? (c) Is het makkelijker of moeilijker dan met de as? De leerlingen moeten ontdekken dat de auto makkelijker stuurt met het stuurwiel dan met de as. Het stuurwiel is groter en daarop makkelijker te draaien dan de as. Het wiel draait over een grotere afstand, maar draait lichter.
HANDLEIDING LEERKRACHT CHECKLIST VERSLAG Laat de leerlingen bij iedere test een verslag maken van hun bevindingen. Dit moet de volgende onderdelen bevatten: 4 4 4 4 4 22 Benoemen van het wiel en as-mechanisme. Benoemen of wiel of as het systeem laten werken. Uitleg over hoe het stuurwiel het werk makkelijker maakt door de kracht te vergroten. Uitleg waarom de stuur-as gedraaid wordt met een wiel en niet met een handgreep of slinger.
HELLENDE VLAKKEN Hellende vlakken Achtergrondinformatie DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Onderzoeken de kenmerken van hellende vlakken om te begrijpen hoe deze werken. 2. Herkennen schroeven en wiggen als hellende vlakken. 3. Onderzoeken hoe het gebruik van een hellend vlak invloed heeft op werk/arbeid in relatie tot kracht, afstand, snelheid en richting. 4. Demonstreren hoe de kracht die nodig is om een last een helling op te krijgen afhangt van de steilte(hellingshoek). 5.
HANDLEIDING LEERKRACHT Hellend vlak/helling Het meten van de steilte van een helling. Wrijving De kracht die wordt veroorzaakt door de wrijving van twee oppervlakken als een voorwerp beweegt. Mechanisch voordeel/ Rendement Een verhouding die aangeeft hoe vaak de eenvoudige machine de krachtsinspanning vergroot. Voor een aflopend vlak kan het met de volgende formule worden berekend: Lengte helling Hoogte helling = Rendement (N.
HELLENDE VLAKKEN Voorwerpen worden over de schuinte van het hellend vlak bewogen; het hellend vlak beweegt normaliter niet. Hellende vlakken kunnen ook worden gebruikt om de hellingsgraad te meten vanaf een hoogte. Schroeven vergroten de afstand waarop je de krachtsinspanning toepast, maar verkleinen de benodigde hoeveelheid kracht. De afstand van de draad om de schroef is groter dan de lengte van de schroef zelf.
26
HELLENDE VLAKKEN Hellingen Steile en lange hellingen Voorbeelden van hellende vlakken DOELSTELLINGEN: De leerlingen: 1. Onderzoeken de kenmerken van een hellend vlak. 2. Begrijpen hoe het gebruik van een hellend vlak het werk/arbeid beïnvloedt met betrekking tot kracht, afstand, snelheid en richting. 3. Vergelijken hellingen met een verschillende hoek om de benodigde kracht te bepalen om een voorwerp op te tillen.
HANDLEIDING LEERKRACHT Vraag de leerlingen na te denken over plaatsen waar ze hellende vlakken hebben gezien, die gebruikt werden om een persoon of voorwerp omhoog te brengen.. Bijv. hellingbaan voor rolstoel gebruikers; laadklep om zware voorwerpen in een truck te tillen; hoogteverschillen tussen etages van een winkelcentrum of stadion. Het schoolgebouw kan voorbeelden laten zien van een hellingbaan voor rolstoelen en misschien van een hellingbaan voor een laadplateau.
HELLENDE VLAKKEN (c) Het andere groepslid meet en noteert de lengte van het uitgerekte elastiek. (d) Wat gebeurt er met het elastiek? 3. Hellingen Leerlingen zullen zeggen dat het moeilijk is om het gewicht verticaal op te tillen. Het uitgerekte elastiek laat zien hoe veel kracht er nodig is om het gewicht over de verticale afstand te verplaatsen. Omdat het elastiek ver uitgerekt is, is er veel kracht nodig om het gewicht verticaal te verplaatsen. (a) Trek het gewicht de steile(korte) helling op.
HANDLEIDING LEERKRACHT Het idee toepassen (vervolg) Vraag de leerlingen de volgende zin af te maken die de kracht beschrijft die nodig is om een voorwerp op een hellend vlak te verplaatsen: Hoe steiler de helling... (hoe meer kracht is er nodig om een voorwerp omhoog te verplaatsen.) De afgemaakte zin moet in het werkschrift genoteerd worden. Het idee uitbreiden 1. (a) Bepaal de hoeveelheid kracht die nodig is om het gewicht op de helling te verplaatsen door het gebruik van een trekveer(unster).
HELLENDE VLAKKEN De wig De splijtende wig Voorbeeld van een wig DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Zoeken uit hoe een wig, een speciaal type helling, gebruikt kan worden om zaken uit elkaar te krijgen. 2. Onderzoeken hoe een wig het werk makkelijker maakt door het verminderen van de benodigde hoeveelheid kracht en door het veranderen van de richting van de toegepaste kracht.
HANDLEIDING LEERKRACHT Onderzoek Activiteit: Hoe helpt een wig je bij het werk? Neem met de leerlingen door dat wiggen eigenlijk bewegende hellingen zijn. Ze zijn gemaakt om het werk makkelijker te maken door de hoeveelheid kracht te verminderen om een taak te volbrengen. De leerlingen bepalen hoe ze dit doen door het model te gebruiken dat ze hebben gebouwd. Stappen: 1. Kijk naar de wig. Denk erover na waarom het als een bewegende helling wordt beschouwd. 2.
HELLENDE VLAKKEN De wig Het idee toepassen Ask Vraag de leerlingen in hun werkboek op te schrijven hoe een wig functioneert als een helling en wat het verschil is met de hellingen die in de vorige activiteit zijn gebruikt. Leerlingen zullen zien dat wiggen het makkelijker maken om een voorwerp op te tillen en dit maakt dat ze werken als hellingen. Ze zijn anders omdat ze de richting van de toegepaste kracht veranderen.
HANDLEIDING LEERKRACHT CHECKLIST VERSLAG 4 4 4 4 4 34 Tekening en definitie van een wig. Gemeten afstand. Tekening van de richting die het werk oplevert, met aantekeningen over afstand en richting. Uitleg over hoe een wig werkt als een helling en hoe deze verschilt van de hellingen die ze gebruikt hebben. Lijst van alledaagse wiggen, met tekeningen.
HELLENDE VLAKKEN De Handboor De Handboor Voorbeeld van een schroef DOELSTELLINGEN De leerlingen 1. Bestuderen kenmerken en werking van de schroef. 2. Onderkennen dat schroeven een vorm van hellende vlakken zijn. 3. Onderzoeken hoe een schroef het werk makkelijker maakt omdat er minder kracht nodig is, maar wel een langere weg nodig heeft dan wanneer deze eenvoudige machine niet gebruikt was. 4. Demonstreren dat een boor net zo werkt als een schroef. 5. Beschrijven hoe een boor werkt.
HANDLEIDING LEERKRACHT schroefdraad Threads lichaam Body Leg de leerlingen uit dat ze gemakkelijk kunnen demonstreren dat een schroef een hellend vlak is. Geef de leerlingen een A4 blaadje. Laat ze dat diagonaal vouwen en doorknippen. Ze hebben nu een driehoek met een rechte hoek gemaakt. Trek dan een dikke lijn langs de schuine kant. Vraag ze wat de schuine kant voorstelt. Ze moeten snappen dat dit het hellend vlak(helling) is. Wijs ze op het verschil in lengte van de helling en de andere zijkanten.
HELLENDE VLAKKEN De Handboor Bouw Activiteit Geef iedere groep een set K’NEX Education Wielen, Assen en Hellende Vlakken. Laat elke groep de HANDBOOR maken (pag. 14-15 instructieboekje). Leerling 1 stap 1-3 en leerling 2, stap 4-6. Daarna de onderdelen samenvoegen. Laat ze het model een paar minuten onderzoeken. Let op: Wijs er op dat de grijze onderdelen bovenaan de centrale as door het gat in het midden van het witte wiel gaan.
HANDLEIDING LEERKRACHT 5. (a) Doe de tafeltennisballen in de beker en houd deze op zijn kant. Gebruik je handboor om te “boren”in de open kant van de beker. Kijk wat er met de ballen gebeurt. (b) Waarom gebeurt dit? (c) Wat zou er met hout gebeuren als je daar met een echte boor in zou boren? (d) Noteer je ideeën in je werkschrift. De leerlingen moeten opmerken dat de ballen langs de schroefdraad opgeduwd worden uit de beker. Hetzelfde gebeurt er als je een gat in hout boort.
HELLENDE VLAKKEN De Handboor Zoek in de bibliotheek en op internet informatie over bouw en werking van de Schroef van Archimedes. Bespreek hoe deze 2000 jaar gelden gebruikt werden en hoe dat tegen woordig gaat. www.encyclopedoe.nl trefwoord: Archimedes o.a. bron: American Museum of Natural History De Schroef van Archimedes bestaat uit een schroef aan de binnenkant van een buis. Aan het eind van de schroef zit een hendel. Water is zwaar en moeilijk te tillen en vervoeren in grote hoeveelheden.
