Didaktische FWU-DVD. Verbrennungsmotoren. Mit 3D-Interaktion

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Verbrennungsmotoren Mit 3D-Interaktion

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise von Viertakt-Otto- und Dieselmotoren erklären; können die Funktionsweise von Zweitakt-Motoren erklären; nutzen den 1. Hauptsatz der Thermodynamik zur Berechnung des Wirkungsgrades idealer Kreisprozesse; können die übertragene Wärme bei isobarer Zustandsänderung berechnen; können die übertragene Wärme bei isochorer Zustandsänderung berechnen; können Gründe nennen, warum der reale Wirkungsgrad unter dem theoretischen liegt; kennen Möglichkeiten, die Abgase zu reduzieren; kennen Möglichkeiten, den Wirkungsgrad zu erhöhen; können die Nutzarbeit bei idealem Otto- und Dieselkreisprozess berechnen; kennen Vor- und Nachteile eines Motortyps gegenüber anderen Motortypen. 2

3 Zum Inhalt Verbrennungsmotoren (Film 22 min) Verbrennungsmotoren sind aus unserem Alltag kaum wegzudenken. Als Antrieb von diversen Fortbewegungsmitteln bilden sie die Grundlage für unsere heutige Mobilität. In diesem Film werden der Aufbau und die Funktionsweise verschiedener Motortypen erklärt. Außerdem wird die historische Entwicklung von der Dampfmaschine bis hin zu den gebräuchlichen Motorkonzepten skizziert. Darüber hinaus werden die entstehenden Abgase genauer analysiert und ihre schädigende Wirkung genannt. Sequenzen Von der Dampfmaschine zum Verbrennungsmotor (2:50 min) Die Dampfmaschine wandelt thermische Energie in mechanische Energie um. Sie gehört zu den Wärmekraftmaschinen. Mit der Dampfmaschine erschlossen sich völlig neue Möglichkeiten für die Produktion von Waren und für das Transportwesen. Doch mit der Zeit brauchte man eine Antriebsmaschine auch für andere Geräte. Sie sollten kleiner und flexibler sein als die 3

4 Dampfmaschine mit ihrem großen Dampfkessel. So wurde schließlich eine weitere Wärmekraftmaschine erfunden: Der Verbrennungsmotor. Verbrennungsmotoren sind heute in erster Linie als Antrieb für Fahrzeuge bekannt. Dennoch waren die ursprünglichen Entwicklungsimpulse eher wirtschaftlich-ökonomischer Natur. Der Gasmotor (2:40 min) 1859 entwickelte der luxemburgische Erfinder Jean-Joseph Étienne Lenoir den ersten brauchbaren Verbrennungsmotor. Er wurde mit Gas betrieben. Am Beispiel dieses Lenoir-Motors wird der zentrale Begriff des Kreisprozesses vorgestellt. Um die Qualität der einzelnen Entwicklungsstadien beurteilen zu können, wird der thermische Wirkungsgrad als Gütemerkmal von Motoren eingeführt. Die Geburtsstunde des Viertaktmotors: Der Ottomotor (4:20 min) Ein Meilenstein in der Entwicklung der Motoren ist Nicolaus August Otto zu verdanken. Er nutzte flüssige Kohlenwasserstoffe, um seinen Motor anzutreiben. Dies führte zur Entwicklung des Vergasers. Der Vergaser erzeugt durch Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes ein verbrennungsfähiges gasförmiges Brennstoff-Luft-Gemisch. So konnten erstmals auch Flüssigkeiten als Brennstoff eingesetzt werden. Mit Ottos Viertaktmotor wird das grundlegende Funktionsprinzip moderner Motoren vorgestellt und erklärt. Die von Otto eingeführte Verdichtung brachte eine enorme Verbesserung des Wirkungsgrades mit sich, weshalb sie grundsätzlich in allen weiteren Verbrennungsmotoren genutzt wird. 4

5 Der Dieselmotor (2:40 min) Schwere Maschinen, die schwere Arbeit verrichten, brauchen einen leistungsstärkeren Motor als den Ottomotor. Hierfür erfand Rudolf Diesel den nach ihm benannten Dieselmotor. Mit ihm wird die erste Weiterentwicklung erklärt, die versucht, Ottos Innovation durch eine noch stärkere Kompression weiter zu verbessern. Beim Dieselmotor werden Lkws und Schiffe als typische Einsatzorte genannt. Dennoch gibt es auch Autos mit Diesel- als auch mit Ottomotoren. Der Zweitaktmotor (2:00 min) Es gibt viele Maschinen, die einfach, leicht und dennoch robust gebaut sein müssen. Viertaktmotoren sind für sie zu groß und zu schwer. Aber es gibt eine kleine und dennoch leistungsstarke Alternative: den Zweitaktmotor. Es kommt bei ihm insbesondere auf eine kleine kompakte Bauweise an. Um den Leistungsverlust, der mit der kleineren Bauweise einhergeht, zu kompensieren, wird versucht, die Leistung zu steigern, indem man jeweils zwei Takte zu einem Takt zusammenfasst. Damit wird einerseits das Zweitaktprinzip auf das Viertaktprinzip zurückgeführt. Andererseits wird der Nachteil der Viertaktmotoren angesprochen, dass nur bei jedem zweiten Hub Arbeit verrichtet wird. Der Wankelmotor (2:20 min) Für ein Fahrzeug ist der Motor unersetzlich. Und im Motor ist der Kolben ein wichtiges Element. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie er im Motor bewegt wird. Im von Felix Wankel konstruierten 5

6 Wankelmotor dreht sich der Kolben im Zylinder. Gewissermaßen als Exot unter den Motoren wird hier der Wankelmotor als weiteres Konzept zur Umsetzung des Viertaktprinzips vorgestellt, der ohne Ventile auskommt. Da das Viertaktprinzip bekannt ist, wird lediglich die Umsetzung im Wankelmotor erklärt. Brennstoffe und Abgase (3:20 min) Motoren werden von Kraftstoffen angetrieben. Allerdings entstehen bei der Verbrennung des Kraftstoffes in den Zylindern des Motors gasförmige Verbrennungsprodukte. Hier wird auf die Abgasproblematik eingegangen. Dabei wird zunächst geklärt, welche Stoffe sich üblicherweise im Brennstoff befinden und welche Abgase daraus entstehen. Aus den Abgasen werden schließlich die wichtigsten Schadstoffe ausgewählt und ihre schädliche Wirkung beschrieben. 3D-Interaktion Entdecke den Viertaktmotor Mit dieser 3D-Interaktion sollen die SchülerInnen den Aufbau und die Funktionsweise eines Viertaktmotors selbstständig erforschen. Sie erkennen die einzelnen Takte und ihre Aufgaben und verstehen die Abläufe in einem Verbrennungsmotor. Sie vergleichen einen Ottomotor mit einem Dieselmotor und erarbeiten Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Dabei wird Wert auf die korrekte technische Darstellung gelegt sowie auf die technisch-physikalisch richtige Umsetzung der Vorgänge im Viertaktmotor. Ergänzt wird das Modell des Viertaktmotors durch didaktische Elemente wie der Möglichkeit der 6

7 Beschriftung zum Einüben der richtigen Begrifflichkeiten und dem Lösen von Übungen rund um den Viertaktmotor zum vertiefenden Verständnis seiner Funktionsweise. Unterstützt wird dies durch anschauliche Animationen der einzelnen Takte. Zwischen den einzelnen Stufen kann jederzeit nach Bedarf gewechselt werden. Dieser Aufbau ermöglicht einen Einsatz der Interaktion in einem niveaudifferenzierten Unterricht. Die 3D-Interaktion eignet sich hervorragend für den Einsatz am digitalen Whiteboard. Grafiken Moteur Lenoir (Grafik) Diese Grafik zeigt den Zylinder eines Lenoir-Motors. Zusätzlich lässt sich die Beschriftung der wichtigsten Elemente anzeigen. Viertaktmotor (Grafik) In dieser Grafik wird einer der vier Zylinder eines Viertaktmotors im Detail gezeigt. Die Beschriftung der wichtigsten Elemente lässt sich einblenden. Mit dieser Grafik können Aufbau und Funktionsweise des Viertaktmotors wiederholt und vertieft werden. Zweitaktmotor (Grafik) Diese Grafik zeigt einen Zweitaktmotor im Detail. Die Beschriftung der wichtigsten Elemente lässt sich einblenden. Mit dieser Grafik können Aufbau und Funktionsweise des Zweitaktmotors wiederholt und vertieft werden. Wankelmotor (Grafik) In dieser Grafik wird der Aufbau eines Wankelmotors mit seinem charakteris- 7

8 tischen Kolben im Detail gezeigt. Die Beschriftung der wichtigsten Elemente lässt sich einblenden. Mit dieser Grafik können Aufbau und Funktionsweise des Wankelmotors wiederholt und vertieft werden. Didaktische Hinweise Lange Zeit suchte die Menschheit nach dem Perpetuum mobile, einer Maschine, die ständig Arbeit verrichtet, nachdem sie einmal in Gang gesetzt wurde, ohne dass ihr weiter Energie zugeführt werden müsste. So eine Maschine kann es natürlich nicht geben, da dies der Energieerhaltung widerspricht. Dennoch kann man Energie von einer Form, die nicht direkt nutzbar ist, in andere Energieformen umwandeln, um Maschinen Arbeit verrichten zu lassen. So wandeln Verbrennungsmotoren die chemische Energie, die in Brennstoffen gespeichert ist, in thermische Energie und schließlich kinetische Energie um. Die Produktion Verbrennungsmotoren soll den Schülerinnen und Schülern vor allem das grundlegende physikalische Fachwissen vermitteln. Der Film kann vielfältig eingesetzt werden, denn neben den physikalischen Grundlagen der Verbrennungsmotoren spielt auch die Chemie, beispielsweise bei der Kraftstoffund Abgasproblematik, eine Rolle. In erster Linie ist er für den Physikunterricht, je nach Schwerpunktsetzung aber auch für fächerverbindenden bzw. übergreifenden Unterricht Physik-Chemie geeignet. Gerade in der Sekundarstufe I kann der Film am Anfang der Unterrichtseinheit zum Thema Wärmekraftmaschinen eingesetzt werden, um den Schülerinnen und Schülern einen Überblick über das Thema der Verbrennungsmotoren zu geben. Andererseits kann er auch am Ende einer Unterrichtseinheit zum Thema Thermodynamik eingesetzt werden und zur Anwendung des Gelernten herangezogen werden. Begleitend zum Film gibt es sieben Arbeitsblätter und einen Infotext, die gewisse Inhalte des Films vertiefen bzw. weiterführende Informationen bieten. Mithilfe dieser Arbeitsmaterialien können einerseits grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten erarbeitet oder vertieft werden. Andererseits kann das erworbene Fachwissen auch im Kontext der Verbrennungsmotoren angewandt werden. Der Infotext zum Resonanzauspuff dient vor allem dazu, weiterführende Informationen und Erklärungen zu diesem Bauteil des Zweitaktmotors zu 8

9 liefern, die außerhalb des Fachbereiches der Thermodynamik liegen. In der Sekundarstufe II kann der Infotext ggf. auch genutzt werden, um einen Themenwechsel von der Thermodynamik zur Wellenlehre zu initiieren. Mit der 3D-Interaktion kann das Gelernte spielerisch wiederholt und gefestigt werden. Die unterschiedlichen Niveaustufen der 3D-Interaktion bedienen dabei die fachspezifischen Anforderungsbereiche. Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen; z. T. differenziert) 3D-Interaktion Infotext Grafiken Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz der Kurzfilme, der Grafiken und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Kreisprozess des Ottomotors 2) Kreisprozess des Dieselmotors 3.1) Funktion des Viertaktmotors (für Einsteiger) 3.2) Funktionsweise des Viertaktmotors (für Experten) 4) Aufbau und Funktionsweise von Zweitaktmotoren 5) Isobare Zustandsänderungen 6) Isochore Zustandsänderungen 7) Energieumwandlung und thermischer Wirkungsgrad Entdecke den Viertaktmotor Resonanzauspuff Moteur Lenoir Viertaktmotor Zweitaktmotor Wankelmotor Filmkommentar als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren Film 22 min Verbrennungsmotoren Sequenzen Untermenü Von der Dampfmaschine zum Verbrennungsmotor Verbrennungsmotoren 2:50 min Aufbau verschiedener Motoren 4 Grafiken Der Gasmotor 2:40 min Arbeitsmaterial Die Geburtsstunde des Viertaktmotors: Der Ottomotor 4:20 min Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise Der Dieselmotor Der Zweitaktmotor Der Wankelmotor Brennstoffe und Abgase 2:40 min 2:00 min 2:20 min 3:20 min 7 Arbeitsblätter (z.t. mit verschiedenen Niveaus; mit Lösungen) Infotext 3D-Interaktion 4 Grafiken Filmkommentar Programmstruktur Aufbau verschiedener Motoren Moteur Lenoir Grafik Viertaktmotor Grafik Zweitaktmotor Grafik Wankelmotor Grafik Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Verbrennungsmotoren (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Authoring und Design TV Werk, München im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Coverbild thinkstock ruigsantos 3D-Interaktion 3d-bewegungswerkstatt, Gilching Arbeitsmaterial Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referenten im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Verbrennungsmotoren Produktion Schnittblume.tv, Dresden im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 Drehbuch Volkmar Schmidt Sprecher Robby Lange Regie & Schnitt Gabriele Schubert Kamera Michael Schubert Markus Röllig 3D Animationen 3d bewegungswerkstatt, Gilching Tonstudio natom productions Nathanael Wendt Redaktion Dr. Maike Schuchmann Fachberatung Prof. Gesche Pospiech, TU Dresden Andreas Rieseler, TU Dresden Bildmaterial Felix Wankel Felix Wankel Stiftung, Heidelberg und TECHNOSEUM Landesmuseum für Technik und Arbeit Mannheim Fotolia Schadwald, Waldsterben, Smog 1908, Foto: Albert Ludorff LWL-Denkmalpflege, Landschafts- und Baukultur in Westfalen 1969, Foto: Arnulf Brückner LWL-Denkmalpflege, Landschafts- und Baukultur in Westfalen Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2014 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Verbrennungsmotoren Das Automobil veränderte das Verhältnis der Menschen zu Raum und Zeit nachhaltig. Es ermöglichte eine enorme Mobilität und förderte den Individualverkehr nachhaltig. Angetrieben werden diese Meisterwerke der Technik von Verbrennungsmotoren. Diese Produktion zeigt die Geschichte der Verbrennungsmotoren und erklärt anschaulich den Bau und die Arbeitsweise von Zwei- und Viertaktmotoren und des Wankelmotors. Dabei wird auch auf die Schadstoffproblematik einge gangen. Mit der 3D-Interaktion kann das Gelernte spielerisch gefestigt werden. Zusätzlich stehen Arbeitsblätter, didaktische Hinweise und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2014 Laufzeit: 22 min Sequenzen: 7 Grafiken: 4 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Unterrichtsmaterialien Interaktion: Arbeitsblätter: 3D-Interaktion 7 (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen, z. T. differenziert) Infotext: 1 Adressaten: Allgemeinbildende Schule (Klasse 8-12) Schlagwörter: Abgas; Adiabate; Arbeit; Dampfmaschine; Diesel, Rudolf; Druck; Energie; Gas; Getriebe; isobar; isochor; Katalysator; Kraft; Lenoir, Jean-Joseph Étienne; Motor; Otto, Nicolaus August; Schadstoff; Thermodynamik; Verbrennung; Vergaser; Viertaktmotor; Wärme; Wärmekraftmaschinen; Wankel, Felix; Wankelmotor; Wirkungsgrad; Zweitaktmotor Systematik: Physik Wärmelehre Technologie FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de