® Education HANDBUCH FÜR LEHRER RÄDER & ACHSEN UND GENEIGTE EBENEN EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 7862078620
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN RÄDER & ACHSEN und GENEIGTE EBENEN Handbuch Für Lehrer 96265-V4-10/14 ©2014 K’NEX Limited Partnership Group und ihre Lizenzgeber K’NEX Limited Partnership Group P.O. Box 700 Hatfield, PA 19440-0700 Besuchen Sie auch unsere Website www.knexeducation.com Email: abcknex@knex.com Telefon: 1-888-ABC-KNEX K’NEX Education ist eine eingetragene Marke der K’NEX Limited Partnership Group. Geschützt durch International Copyright. Alle Rechte vorbehalten.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Einführung: ÜBERBLICK Dieses Lehrerhandbuch wurde entwickelt, um sie zu unterstützen, während ihre Schüler das K’NEX Set Einführung Einfache Maschinen: Räder & Achsen und geneigte Ebenen erforschen.
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Wheels & Axles EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Räder & Achsen Hintergrundinformation ZIELE: Ihre Schüler werden: 1. Die Eigenschaften des Systems Rad und Achse erforschen und die Funktion verstehen. 2. Die Anordnungsbeziehung der einzelnen Teile des Systems beschreiben können. 3. Verschiedene Arten des Systems Rad und Achsen konstruieren und die Funktion demonstrieren. 4.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Widerstand: Die Kraft, die von dem Objekt/Körper ausgeht, mit dem Arbeit verrichtet werden soll; sie arbeitet gegen die Arbeit/Energie. Belastung (kurz Last): Alle äußeren Kräfte (das Gewicht des zu bewegenden Körpers oder der Widerstand), die z. B. auf das Rad und AchsenSystem einwirken. Reibung: Die Hemmung einer Bewegung: die Kraft, die freigesetzt wird, wenn 2 Oberflächen sich aneinander reiben während sich ein Körper bewegt.
RÄDER& & ACHSEN Wheels Axles Es ist zum Beispiel sehr schwer, einen Verriegelungsmechanismus ohne Türgriff zu drehen. Der Türgriff macht diese Aufgabe einfacher, indem er die für das Drehen des Verriegelungsmechanismus nötige Leistung reduziert. Der Türgriff dreht über eine größere Strecke als die Verriegelungsspindel, benötigt nur wenig Leistung für das Drehen. Zur gleichen Zeit übt die Verriegelungsspindel (Achse) eine größere Kraft auf einer kleineren Strecke aus.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANMERKUNG: Einige der Rad und Achsen-Systeme, die in einem Fahrzeug Anwendung finden, unterscheiden sich von einfachen Rad und Achsen Systemen. Diese haben Räder, die NICHT fest mit ihren Achsen verbunden sind und das Rad leichter über eine Oberfläche bewegen, indem sie die Reibung reduzieren. Wie bereits vorher angemerkt, erleichtern einfache Maschinen die Arbeit.
RÄDER& & ACHSEN Wheels Axles Der Brunnen: Der Brunnen Beispiel für ein Rad, das eine Achse dreht. ZIELE: Die Schüler werden: 1. Das physikalische Prinzip von Arbeit und die Arbeitserleichterung durch einfache Maschinen verstehen. 2. Die Eigenschaften von Rad und Achse demonstrieren. 3. Untersuchen, wie ein Rad, das eine Achse dreht, die Arbeit erleichtert. 4. Erforschen, welchen Einfluss die Größe des Rades auf den Kraftaufwand einer auszuführenden Arbeit hat.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Beginnen Sie die Stunde mit der Definition von Rad und Achse. (Eine Definition finden sie auf Seite 3 dieses Handbuchs.) Weisen Sie darauf hin, dass ein Rad mit einer Achse eine einfache Maschine ist. Zeigen Sie ein Beispiel: die Garnrolle mit dem eingeführten Stift und erklären Sie die Komponenten. Zeichnen Sie ein Diagramm an die Tafel (siehe unten.) RAD ACHSE Fragen Sie die Schüler nach weiteren Beispielen für das System Rad und Achse, die sie aus ihrem Alltag kennen.
RÄDER&& Axles ACHSEN Wheels Der Brunnen Aufgabe aus dem Bau-Set Verteilen Sie ein K’NEX Rad & Achsen und geneigte Ebene Bau-Set an jede Gruppe. Das Set sollte geöffnet werden und die Anleitung herausgenommen werden. Wenn die Schüler zum ersten Mal mit K’NEX Elementen in Berührung kommen, weisen sie auf die Seite mit dem Bau-Tipps hin. Es ist entscheidend, dass die Schüler zu diesem Zeitpunkt bereits das Bauen mit K’NEX verstehen, so lässt sich eine eventuelle Frustration später vermeiden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Zuerst sollen die Schüler das Rad und die Achse erkennen und benennen. (Der Stab über der Spitze ist die Achse. Die Kurbel, die sich im Kreis bewegt, ist das Rad.) Die Schüler sollten in ihren Heften notieren, welchen Unterschied es in Bezug auf den Kreisumfang von Rad und Achse gibt. Sie sollten feststellen, welches Teil eine größere Strecke mit einer Drehung zurücklegt. (Das Rad.
RÄDER&& Axles ACHSEN Wheels Der Brunnen 2. (a) Zum Start sollte der blaue Stab nach oben zeigen, drehe das Rad so lange, bis der Eimer hochgezogen ist. Achte darauf, dass der Stab nicht losgelassen wird, sonst wird das Seil sofort abgewickelt und der Eimer fällt. (b) Zähle die Umdrehungen, die nötig sind, um den Eimer vom Boden bis zum Tisch hochzuziehen. Jedes Mal, wenn der blaue Stab oben zu sehen ist, ist eine Umdrehung vollzogen. Schreibe die Anzahl auf.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 4. (a) Ändere die Größe des Rades durch den Einsatz längerer und kürzerer Stäbe und wiederhole das Experiment. (b) Wie verhalten sich die anderen Stäbe im Vergleich zum blauen Stab? (c) Lässt sich der Eimer leichter oder schwerer hochziehen? (d) Was sagt das über den Einfluss der Größe des Rades auf die zu leistende Arbeit? Die Schüler sollten erkennen, dass der Einsatz längerer Stäbe am Rad, das Drehen der Achse erleichtert. Kürzere Stäbe erschweren das Drehen der Achse.
RÄDER&& Axles ACHSEN Wheels Der Brunnen 2. Bitten Sie die Schüler, die Mechanische Übersetzung der gebauten Rad und Achsen Kombinationen zu berechnen. Folgen Sie diesen Vorgaben: (a) Messen Sie den Durchmesser des Rades und der Achse – wo immer die Kraft aufgebracht wird. Dann halbieren Sie den Radius und erhalten den Kraftradius (RK). (b) Messen Sie den Durchmesser des Rades und der Achse – wo immer keine Kraft aufgebracht wird. Dann halbieren Sie den Radius und erhalten den Reibradius (RR).
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Das Schaufelradboot RÄDER& & ACHSEN Wheels Axles Das Schaufelradboot Ein Beispiel für eine Achse, die ein Rad dreht. ZIELE Die Schüler werden: 1. Entdecken, wie eine Achse, die ein Rad bewegt, die zurückgelegte Strecke und die Geschwindigkeit eines Objektes erhöht. 2. Prüfen, inwieweit ein größeres Rad die zurückgelegte Strecke mit jeder Umdrehung erhöht.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Aufgabe aus dem Bau-Set Verteilen Sie ein K’NEX Räder & Achsen und geneigte Ebenen Bau-Set an jede Gruppe. (ACHTUNG: Stellen Sie sicher, dass alle Schüler verstehen, dass das Gummiband bei Überdehnung zurückschnellen oder außer Kontrolle geraten kann; sie müssen sehr vorsichtig sein. Siehe auch Sicherheitshinweis am Anfang des Handbuches.) Bitten Sie die Schüler, auf Seite 4 der Bauanleitung zu blättern und das Modell SCHAUFELRADBOOT zu bauen.
RÄDER& & ACHSEN Wheels Axles 4. Bitten Sie die Klasse, zu überlegen, inwieweit Abdeckungen an den Schaufelradblättern (grüne Stäbe), die Bewegung des Bootes beeinflussen würden. (Wenn Sie das schwer finden, fragen Sie die Schüler, was passiert, wenn sie beim Schwimmen Flossen tragen.) Das Schaufelradboot Die Schüler sollten vorhersagen können, dass die Schaufelblätter das Boot weiter fahren lassen, auch wenn der Motor auf die gleiche Weise aufgezogen wurde.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN HEFTEINTRÄGE: Nach jedem Abschnitt bitten Sie die Schüler, die Ergebnisse in ihren Schulheften festzuhalten. Folgendes sollte im Heft eingetragen sein: 4 Identifikation von Rad und Achse Mechanismus. 4 Bestimmung, ob das Rad oder die Achse gedreht werden um damit das Boot zu bewegen. 4 Erklärung wie die Drehung der Achse hilft, das Boot über eine größere Strecke und in höherer Geschwindigkeit zu bewegen. 4 Vergleich der Schaufelradfunktion mit und ohne Schaufelabdeckung.
Wheels &ACHSEN Axles RÄDER & Das Lenkrad: Das Lenkrad Beispiel für ein Rad, das eine Achse dreht. ZIELE Die Schüler werden: 1. Erkennen, wie ein Rad, das eine Achse dreht, die angewandten Kräfte erhöhen kann. 2. Die Beziehung zwischen Lenkrad, Lenksäule und den Rädern eines Fahrzeugs erforschen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Aufgabe aus dem Bau-Set Verteilen Sie ein K’NEX Räder & Achsen und geneigte Ebenen Bau-Set an jede Gruppe. Bitten Sie die Schüler, auf Seite 6, 7 & 8 der Bauanleitung zu blättern und das Modell LENKRAD zu bauen. Ein Schüler sollte die Schritte 1-5 bauen, der andere die Schritte 6-10. Danach sollten die beiden Teile zusammengefügt werden. (Schritte 11-14.) ERINNERN SIE DIE SCHÜLER, DASS ES HIER 3 SEITEN BAUANLEITUNG GIBT.
Wheels &ACHSEN Axles RÄDER & 2. Das Lenkrad (a) Stecke das gelbe Lenkrad zurück auf den blauen Stab. Schiebe das Fahrzeug erneut und lenke dabei. (b) Was stellst du nun in Bezug auf das Lenken fest? (c) Ist es leichter oder schwerer als vorher? Warum? Die Schüler sollten feststellen, dass es nun leichter ist, das Auto zu lenken. Das Rad ist größer als die Achse und somit besser zu greifen und leichter zu drehen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Hefteinträge: Nach jedem Abschnitt bitten Sie die Schüler, die Ergebnisse in ihren Schulheften festzuhalten. Folgendes sollte im Heft eingetragen sein: 4 Identifikation von Rad und Achse Mechanismus. 4 Bestimmung, ob das Rad oder die Achse gedreht werden und damit die Lenkung in Gang setzen. 4 Erklärung wie die Drehung des Rades die angewandte Kraft vervielfacht und damit die Aufgabe leichter macht.
Wheels & Axles EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Geneigte Ebene Hintergrundinformation ZIELE Die Schüler werden: 1. Die Eigenschaften einer geneigten Ebene erforschen und die Funktion verstehen. 2. Erkennen, das Schrauben und Keile geneigte Ebenen sind. 3. Untersuchen, wie der Einsatz einer geneigten Ebene die Arbeit in Bezug auf Kraft, Strecke, Geschwindigkeit und Richtung beeinflusst. 4.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES Belastung (kurz Last): Alle äußeren Kräfte (das Gewicht des zu bewegenden Körpers oder der Widerstand), die beim Einsatz einer geneigten Ebene einwirken. Neigung: Ein Maß für die Steilheit einer Ebene. Reibung: Die Kraft, die freigesetzt wird, wenn 2 Oberflächen sich aneinander reiben während sich ein Körper bewegt. Mechanische Übersetzung (MA*): Grundlage einer mechanischen Übersetzung ist immer das Prinzip einer einfachen Maschine.
Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Objekte werden entlang der Neigung der geneigten Ebene bewegt; die geneigte Ebene bewegt sich normalerweise nicht. Geneigte Ebenen können auch verwendet werden, um die Sinkgeschwindigkeit eines Objekts aus einer Höhe zu steuern. Schrauben erhöhen die Strecke entlang derer die Kraft einwirkt, reduzieren aber den benötigten Kraftaufwand. Die Strecke entlang dem Gewinde einer Schraube ist länger als die Schraube selbst.
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Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Steile & Lange Rampen: Rampen Beispiel für geneigte Ebenen ZIELE: Die Schüler werden: 1. Die Eigenschaften einer geneigten Ebene erforschen. 2. Verstehen, wie der Einsatz einer geneigten Ebene die Arbeit in Bezug auf Kraft, Strecke, Geschwindigkeit und Richtung beeinflusst 3. Geneigte Ebenen mit verschiedenen Winkeln untersuchen und die Kräfte ermitteln, die für das Heben eines Objektes nötig sind.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES Bitten Sie die Schüler nachzudenken, wo sie geneigte Ebenen (Rampen) gesehen haben, die helfen, eine Person oder ein Objekt in eine höher gelegene Position zu bringen. Rampen für Rollstuhlfahrer; Laderampen an einem LKW; Rampen zwischen den Stockwerken in einem Einkaufzentrum oder einem Sportstadium. Vielleicht gibt es in ihrer Schule eine Rampe für Rollstuhlfahrer oder eine Laderampe. Wenn möglich gehen Sie mit den Schülern vor Ort und lassen sie die Rampe erforschen.
(c) Die anderen Mitglieder der Gruppe sollten die Länge des gedehnten Gummibandes messen und festhalten. (d) Was denkt ihr, sagt das gedehnte Gummiband aus? 3. Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Rampen Die Schüler sollten feststellen, dass es schwer ist, das Gewicht gerade nach oben zu ziehen. Das gedehnte Gummiband zeigt die Kraft, die nötig ist, das Gewicht über die vertikale Strecke nach oben zu ziehen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES Anwendung (weiter) Die Schüler sollen den folgenden Satz über die für das Heben eines Objektes entlang einer geneigten Ebene nötigen Kräfte vervollständigen: Je steiler die Neigung einer geneigten Ebene… (desto mehr Kraft ist nötig, das Objekt über die Ebene zu bewegen.) Der komplette Satz sollte nun in die Hefte übertragen werden. Weiterführend 1. (a) Bestimme mit Hilfe der Federwaage die exakte Kraft, die nötig ist, das Gewicht über die geneigte Ebene zu ziehen.
Der Spaltkeil: Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Der Spaltkeil Ein Beispiel für einen Keil: ZIELE: Die Schüler werden: 1. Untersuchen, wie ein Keil, eine besondere Art der geneigten Ebene, für das Teilen von Dingen genutzt werden kann. 2. Erforschen, wie ein Keil die Arbeit erleichtert, indem der Kraftaufwand reduziert wird und die Richtung der angewandten Kraft geändert wird.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES Aufgabe: Wie hilft ein Spaltkeil bei der Arbeit? Wiederholen Sie mit den Schülern, dass Keile eigentlich geneigte Ebenen sind. Ihr Zweck ist es, eine Arbeit zu erleichtern, indem sie den nötigen Kraftaufwand reduzieren. Die Schüler werden dies mit Hilfe des gebauten Modells erkennen. Schritte 1. Betrachte den Spaltkeil. Warum handelt es sich um eine Art geneigte Ebene? 2. Der Spaltkeil besteht aus zwei aneinander liegenden Ebenen.
Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Der Spaltkeil Anwendung Bitten Sie die Schüler in ihre Hefte einzutragen, wie ein Spaltkeil als geneigte Ebene arbeitet und wie er sich von den anderen geneigten Ebenen unterscheidet, die sie bisher kennengelernt haben. Die Schüler sollten bemerken, dass Keile das Heben von Gegenständen erleichtern und dies macht sie zu einer geneigten Ebene. Sie sind anders, weil der Keil die Richtung der Krafteinwirkung ändert.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES HEFTEINTRÄGE 4 Diagramm und Erklärung zum Keil. 4 Messungen des Abstands. 4 Diagramm, das die Richtung der geleisteten Arbeit aufzeigt. 4 Erklärung der Funktion des Keils als geneigte Ebene und Beschreibung, wie er sich von anderen geneigten Ebenen unterscheidet. 4 34 Beispiele für den Keil aus dem täglichen Leben, mit Diagrammen.
Handbohrmaschine: Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Handbohrmaschine Bespiel für eine Schraube. ZIELE Die Schüler werden: 1. Die Eigenschaften von Schrauben erforschen und erkennen, wie sie funktionieren. 2. Erkennen, dass Schrauben eine Art geneigte Ebene sind. 3. Erfahren, wie eine Schraube die Arbeit erleichtern kann, indem die nötige Kraft verringert wird, dabei aber eine längere Strecke benötigt, als bei der Arbeit ohne diese einfache Maschine. 4.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES Gewinde Threads Bolzen Body Erklären Sie den Schülern, dass sie leicht demonstrieren können, dass die Schraube eine geneigte Ebene ist. Bitten Sie sie ein Stück Papier (A4) zu nehmen. Nun falten sie das untere Ende zum linken oberen Ende. Schneiden Sie nun entlang der Diagonale und Sie erhalten ein rechtwinkliges Dreieck. Die Schüler sollen nun einen Marker nehmen und eine dicke Linie entlang dem langen schrägen Ende ziehen. Fragen Sie, was dieses Ende repräsentiert.
Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Handbohrmaschine Aufgabe aus dem Bau-Set Verteilen Sie ein K’NEX Räder & Achsen und geneigte Ebenen Bau-Set an jede Gruppe. Bitten Sie die Schüler, auf Seite 14-15 der Bauanleitung zu blättern und das Modell einer HANDBOHRMASCHINE zu bauen. Ein Schüler sollte die Schritte 1-3 bauen, der andere die Schritte 4-6. Die beiden Teile werden dann zu einem Bohrer zusammengeführt. Geben Sie ihnen ein paar Minuten Zeit, das Modell zu untersuchen und herauszufinden, was es kann.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINENNES 5. (a) Gebe die Pingpongbälle in eine leere Kaffedose und drehe die Dose dann auf die Seite. Nimm nun den Handbohrer und bohre in das „offene“ Ende der Dose. Beachte, was mit den Bällen geschieht. (b) Warum passiert das? (c) Was denkst du geschieht mit echtem Holz, wenn du mit einem echten Handbohrer ein Loch bohrst? (d) Notiere deine Erkenntnisse in das Schulheft.
Wheels & Axles GENEIGTE EBENE Handbohrmaschine Mit Hilfe des Internets und der Bibliothek können die Schüler über die Archimedes Schraube recherchieren und mehr über das Design und die Funktionsweise erfahren. Entwerfen und bauen Sie eine Archimedes Schraube aus K’NEX. Besprechen Sie, wie die vor 2.000 Jahren eingesetzt wurde und wie sie auch heute noch genutzt wird. Quelle: American Museum of Natural History.
