Rund und rund mit einfachen Motoren

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Die Schülerinnen und Schüler schmieden eine Hypothese darüber, wie Motoren Dinge in Bewegung setzen, und bauen dann einen einfachen Elektromotor mit Draht, einem Magneten und einer D-Zellen-Batterie, um zu untersuchen, wie Motoren elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln.

Definieren Sie den Begriff „Elektromotor“.

Sagen Sie der Klasse, dass ein Elektromotor ein Gerät ist, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Magnetismus spielt in diesem Prozess eine wichtige Rolle. Erklären Sie, dass die Schülerinnen und Schüler einen einfachen Elektromotor bauen werden, den sie in einem Experiment verwenden werden, um eine Hypothese zu testen. Zuerst werden sie an einigen Demonstrationen über die Teile eines Motors teilnehmen.

Zeigen Sie, dass Magnete zwei Pole haben und dass, wenn zwei Magnete zusammengebracht werden, diese Pole ein Objekt in Bewegung setzen können.

Zeigen Sie der Klasse zwei Magnete. Fragen Sie: Was passiert, wenn diese beiden Magnete nahe aneinander gebracht werden? (Die Magnete werden an entgegengesetzten Polen voneinander angezogen und stoßen sich an gleichen Polen ab). Demonstrieren Sie mit den Magneten und lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Beobachtungen darlegen. Erklären Sie, dass Magnete zwei Pole haben, einen an jedem Ende, Nord und Süd. Wenn entgegengesetzte Pole (Nord und Süd) nahe beieinander liegen, werden sie voneinander angezogen. Wenn sich gleichartige Pole nahe beieinander befinden (z.B. Nord und Nord), stoßen sie sich gegenseitig ab. Um dies zu demonstrieren, kleben Sie einen Magneten auf die Rückseite eines kleinen Spielzeugautos. Verwenden Sie einen zweiten Magneten, um das Auto zu bewegen, indem Sie gleichartige Pole nahe beieinander halten. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler versuchen, das Auto mit Hilfe der Magnete zu bewegen. Fragen Sie: Wird sich das Auto bewegen, wenn entgegengesetzte Pole nahe beieinander gehalten werden? Lassen Sie es sich von einem/einer Freiwilligen demonstrieren.

Demonstrieren Sie die Beziehung zwischen fließender Elektrizität und Magnetismus.

Demonstrieren Sie, dass eine Drahtspule und ein Nagel wie ein Magnet wirken können, wenn Elektrizität durch den Draht geleitet wird. Halten Sie einen Nagel hoch, so dass jeder sehen kann. Fragen Sie: Werde ich mit diesem Nagel Büroklammern aufheben können? Wird er wie ein Magnet wirken? Halten Sie den Nagel an die Büroklammern, um zu zeigen, dass Sie die Büroklammern nicht nur mit dem Nagel aufnehmen können. Stecken Sie nun den Nagel in die Spule, die Sie vor dem Unterricht erstellt haben. Fragen Sie: Werde ich die Büroklammern mit dem Nagel aufheben können, jetzt, da er in eine Metallspule gewickelt ist? Halten Sie den Nagel mit der Spule an die Büroklammern, um zu zeigen, dass Sie die Büroklammern immer noch nicht aufheben können. Erklären Sie, dass Sie den Nagel und die Spule mit Hilfe einer Batterie in einen Elektromagneten verwandeln werden.

Folgen Sie den Anweisungen unter Einrichten, um den Elektromagneten vor dem Unterricht herzustellen. Legen Sie im Unterricht eine D-Zellen-Batterie in einen D-Zellen-Batteriehalter. Kleben Sie ein Ende des Drahtes an jeden der Pole des Batteriehalters. Bitten Sie die Klasse, vorherzusagen, was passiert, wenn Sie den Nagel, der in eine Spule gewickelt und mit der Batterie verbunden ist, in der Nähe der Büroklammern halten. Halten Sie den Nagel in der Nähe der Büroklammern. Erklären Sie, dass er jetzt die Büroklammern aufnimmt, weil Sie durch Hinzufügen von Elektrizität einen Elektromagneten erzeugt haben. Der Nagel wird magnetisiert, weil elektrischer Strom durch die Spule fließt. Achten Sie darauf, die Drähte von der Batterie abzuklemmen, damit sie nicht überhitzt wird.

Erklären Sie, dass Elektrizität und Magnetismus verwendet werden können, um ein Drehmoment zu erzeugen.

Erklären Sie, dass Drehmoment ein Maß für die Rotationskraft ist. Demonstrieren Sie das Drehmoment für die Klasse. Rufen Sie einen Freiwilligen nach vorne und weisen Sie den Schüler an, ein Gummiband an zwei Enden zu halten. Führen Sie einen Plastiklöffel in die Mitte des Gummibandes ein und drehen Sie es um und um, bis das Gummiband straff und verdreht ist. Bitten Sie die Klasse, vorherzusagen, was passieren wird, wenn Sie den Löffel loslassen. Lassen Sie den Löffel los. Erklären Sie, dass durch die Anwendung von Torsion, der Drehbewegung, auf das Gummiband eine Drehkraft, das sogenannte Drehmoment, erzeugt wurde. Das Drehmoment kann zum Antrieb mechanischer Geräte wie Roboterarme und Mobilitätssysteme verwendet werden, bei denen Zahnräder verwendet werden, um die Geschwindigkeit, mit der dieses Drehmoment aufgebracht wird, zu regulieren. Drehmoment ist auch die Rotationskraft, die Sie verwenden, wenn Sie eine Flasche Soda öffnen oder einen Schraubenschlüssel verwenden, um eine Mutter zu lösen oder anzuziehen.

Sagen Sie der Klasse, dass Drehmoment durch die Kräfte der Elektrizität und des Magnetismus erzeugt werden kann – die Anziehungs- und Abstoßungskraft, die Magnete ausüben, wie sie es früher erlebt haben. Erklären Sie, dass sie in der Klasse einen einfachen Motor bauen werden, der diese Prinzipien verwendet.

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln eine Hypothese über Motoren, hören sich Sicherheitsanweisungen an und konstruieren dann einen einfachen Motor, um ihre Hypothese zu testen.

Fragen Sie: Wie könnte die von einem einfachen Motor erzeugte Bewegung genutzt werden, um Bewegung in einem anderen Objekt zu erzeugen? Schreiben Sie die Vorschläge der Studierenden an die Tafel. Fahren Sie mit den Fragereihen fort, bis die Vorschläge zu einer prüfbaren Hypothese zusammengekocht sind, die als Klasse entwickelt wurde. Erklären Sie, dass die Schülerinnen und Schüler einen einfachen Motor bauen werden, der in einem Experiment zum Testen dieser Hypothese verwendet werden kann.

Sagen Sie den Schülerinnen und Schülern vor der Ausgabe von Materialien, dass sie niemals die positive und negative Seite der Batterie direkt miteinander verbinden sollten, indem sie einen Draht oder etwas anderes Leitendes verwenden, da dies einen Kurzschluss erzeugt und die Batterie sehr heiß werden und zu einem schmerzhaften Schock führen kann. Weisen Sie die Kursteilnehmer auch an, ihr Projekt sofort zu zerlegen, falls irgendein Teil heiß werden sollte, und informieren Sie dann den Kursleiter.

Teilen Sie die Schüler in Gruppen von 2-4 Personen auf. Verteilen Sie das Arbeitsblatt „How to Build a Simple Motor“ und das Arbeitsblatt „Wissenschaftliche Methode“ an jede Gruppe. Gehen Sie die Schritte auf dem Arbeitsblatt „Wie man einen einfachen Motor baut“ mit der Klasse durch und bitten Sie dann jede Gruppe, ein Mitglied hochzuschicken, um die Gegenstände zu sammeln, die die Gruppe zum Bau eines Motors benötigt. Lassen Sie jede Gruppe die Problem-/Fragen- und Hypothesenabschnitte auf ihrem Arbeitsblatt „Wissenschaftliche Methode“ ausfüllen. Die Schülerinnen und Schüler werden auch Informationen über den Bau ihres Motors in den Prozessabschnitt eintragen. Beobachten Sie den Fortschritt jeder Gruppe während des Aufbaus. Projizieren Sie die Fotogalerie „Bauen Sie einen einfachen Motor“, die bei Bedarf jeden Schritt auf dem Handout „Wie man einen einfachen Motor baut“ dokumentiert. Stellen Sie Fragen an jede Gruppe und helfen Sie bei Bedarf.

Die Schülerinnen und Schüler entwerfen ein Experiment, um ihre Hypothese mit dem einfachen Motor zu testen.

Wenn alle Gruppen ihre Motoren erfolgreich gebaut haben, laden Sie sie ein, ihre Erfahrungen mit dem Rest der Klasse zu teilen. Dann lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in ihren Gruppen ein Experiment mit ihrem Motor entwerfen, um die Hypothese zu testen, die die Klasse zuvor entwickelt hat. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in ihren Gruppen einen Versuchsaufbau zeichnen, beschriften Sie ihre Zeichnungen und schreiben Sie eine vollständige Beschreibung der Schritte, die sie im Verfahrensteil des Arbeitsblattes „Wissenschaftliche Methode“ durchführen würden.

Lassen Sie die Gruppen ihre Versuchsbeschreibungen austauschen und führen Sie eine Klassendiskussion über die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen allen Experimenten, um dieselbe Hypothese zu testen.

Fragen Sie: Was hatten die Experimente gemeinsam? Was war an den Experimenten unterschiedlich? Wenn es die Zeit erlaubt, richten Sie ein Show-and-Tell ein, bei dem die Gruppen die Zeichnungen der Versuchsaufbauten der anderen Gruppen untersuchen können. Laden Sie die Schülerinnen und Schüler ein, sich vorzustellen, wie ein Motor grössere Objekte wie einen Roboter antreiben könnte. (Motoren werden üblicherweise verwendet, um die mechanischen Strukturen eines Roboters in Bewegung zu versetzen; Räder zur Bewegung des Roboters oder ein Arm zur Interaktion mit der Umgebung sind Beispiele dafür).

  • Informelle Beurteilung

Sammeln Sie das Arbeitsblatt „Wissenschaftliche Methode“ der Schülerinnen und Schüler sowie das Diagramm und die Beschreibung des Experiments und werten Sie es auf Vollständigkeit aus.

  • Erweitern des Lernens

Sichern Sie alle zusätzlichen Materialien, die für die Durchführung eines oder mehrerer Schülerexperimente erforderlich sind, und lassen Sie die Schüler das Experiment durchführen und den Rest des Arbeitsblatts „Wissenschaftliche Methode“ ausfüllen.