Lernziel: Verstehen, wie positive und negative magnetische Pole Schub- und Zugkräfte aufzeigen können.

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1 1 Magnetische Pole Lernziel: Verstehen, wie positive und negative magnetische Pole Schub- und Zugkräfte aufzeigen können. 1. Zähle fünf Gegenstände auf, die ein Magnet anziehen wird. Beliebige Metallgegenstände. Kein Aluminium. Beispiele: Büroklammer, Metalllineal, Metalllöffel, Nagel, Schraube, Hammer, usw. 2. Wie werden die Enden eines Magneten genannt? Pole. Nord- und Südpole. 1. An welcher Art von Metall wird ein Magnet haften? Metalle, die Ferrum (Eisen) enthalten. 2. Was geschieht, wenn gleiche Pole eines Magneten nebeneinander platziert werden? Sie stoßen sich ab oder drücken auseinander. 1. An welcher Art von Metall wird ein Magnet haften? Eisenhaltige Metalle. Sie enthalten Eisen. 2. Was geschieht, wenn gleiche Pole eines Magneten nebeneinander platziert werden? Welche Kräfte werden erzeugt? Sie stoßen sich ab. Es werden Schubkräfte erzeugt.

2 2 Einen Kompass bauen Lernziel: Fähig sein, einen Kompass zu bauen und Nord- und Südpole zu bestimmen. 1. Nenne zwei Dinge in Deiner Schule, die von dort, wo Du jetzt stehst bzw. sitzt, Norden gegenüber liegen. (Verwende einen Kompass und finde Gegenstände in der Klasse oder um die Schule herum, die Norden gegenüber liegen). 2. Wenn Du auf dem Nordpol stehen könntest, auf welchem Ende des Erdmagneten würdest du stehen? Südpol. 1. Nenne zwei Dinge in Deiner Schule, die von dort, wo Du jetzt bist, in Richtung Norden liegen. Bewegst Du Dich an eine andere Stelle der Schule, werden diese Dinge weiterhin in Richtung Norden Dir gegenüber liegen? (Verwende einen Kompass und finde Gegenstände in der Klasse oder um die Schule herum). Die Lage der Gegenstände zu Deiner Position wird sich ändern, wenn Du Dich um die Gegenstände herum bewegst. Dies ist so, weil die Nord-Lage auf dem Kompass die gleiche bleibt. 2. Wenn Du auf dem Nordpol stehen könntest, auf welchem Ende des Erdmagneten würdest du stehen? Kannst Du erklären, warum? Da sich gegensätzliche Pole anziehen, bedeutet diese Begriffserklärung, dass der magnetische Nordpol der Erde tatsächlich ein magnetischer Südpol ist. 1. Verwende einen Kompass, um Dir zu helfen, Dich nach Norden zu wenden, und zeichne einen Plan von Deiner Klasse wie eine Karte. 2. Warum glaubst Du, werden zwei Kugeln zusammen verwendet, um den Kompass zu bauen? Die beiden Kugeln erlauben den Kompass-Zeigerspitzen sich zu drehen. Sie besitzen eine kleine Berührungsfläche und daher eine geringe Reibung.

3 3 Magnetkräfte innerhalb der Kugeln Lernziel: Verstehen, wie die magnetischen Schub- und Zugkräfte innerhalb der Kugeln verstärkt oder verringert werden. 1. Was geschieht, wenn Du zwei Bausätze jeweils mit einem Wert von -2 zusammenlegst? Sie stoßen sich ab oder drücken auseinander Was geschieht, wenn Du zwei Bausätze zusammenlegst, einen mit einem Wert von +2 und den anderen mit einem Wert von -2? +2-2 Sie ziehen sich an und rücken zusammen. 1. Was geschieht, wenn Du zwei Bausätze jeweils mit einem Wert von -2 zusammenlegst? Erkläre Deine Antwort Sie stoßen sich ab oder drücken auseinander. Die Kugeln haben das gleiche Vorzeichen und drücken deswegen auseinander. 2. Was geschieht, wenn Du zwei Bausätze zusammenlegst, einen mit einem Wert von +2 und den anderen mit einem Wert von -2? Erkläre Deine Antwort Sie ziehen sich an und rücken zusammen. Die Kugeln besitzen gegensätzliche Vorzeichen und rücken daher zusammen. 1. Schreibe Regeln auf, um zu erklären, was den Bausätzen geschieht, wenn sie nebeneinander mit Kugeln unterschiedlicher Werte gelegt werden. Weisen die Kugeln Ladungen mit gleichen Vorzeichen auf (positiv/positiv oder negativ/negativ), werden sie sich abstoßen. Weisen die Kugeln Ladungen mit gegensätzlichen Vorzeichen auf (positiv/negativ oder negativ/positiv), werden sie sich anziehen. Besitzt eine Kugel keine Ladung (Wert von Null), wird sie sowohl von einer positiven wie einer negativen Ladung angezogen werden. 2. Was geschieht, wenn eine Kugel mit einem Wert von Null eine andere Kugel mit einem Wert Null berührt? Da die Kugeln keinen Wert besitzen und daher keine Kräfte, werden sich die Kugeln weder anziehen noch abstoßen.

4 4 Magnetschwebetechnik Lernziel: Verstehen, dass sich gleiche Pole abstoßen und die Bedeutung der Magnetschwebetechnik. 1. Welcher ist der Abstand zwischen den schwebenden Stäben? Kannst Du Dir einen Weg denken, wie Du diesen messen kannst? Erkläre dies nachstehend mithilfe eines Diagramms. Setze zwei verbundene Stäbe zusammen und miss die Höhe. Vergleiche diese mit der Höhe der Stäbe in der Röhre. Der Unterschied ist der Schwebeabstand. 1. Was geschieht, wenn Du mehr Stäbe in die Röhre gibst? Der Schwebeabstand steigt. 2. Was ist der Gesamtschwebeabstand bei drei Stäben? Kannst Du Dir einen Weg denken, wie Du diesen messen kannst? Erkläre dies nachstehend mithilfe eines Diagramms. Setze die drei verbundenen Stäbe zusammen und miss die Höhe. Vergleiche diese mit der Höhe der Stäbe in der Röhre. Der Unterschied ist der Schwebeabstand. 1. Wenn 3 oder mehr Stäbe hinzugefügt werden, ist dann der Zwischenraum zwischen den Stäben gleich? Kannst Du Dir denken, wie dieser zu messen ist und Deine Theorie beweisen? Erkläre es nachstehend. Vergleiche den Abstand bei zwei verbundenen Stäben und dann mit drei. Ist der Schwebeabstand mit drei Stäben größer, zeigt dies, dass der Schwebeabstand steigt, wenn mehr Stäbe hinzugefügt werden. 2. Kannst Du an irgendwelche praktische Verwendungen für Magnetschwebetechnik oder Magnetfederung denken? Türschließer und Selbsteinzug von Schubläden (Küchen). Aufhängungen.

5 5 Ansammlung von Polaritäten Lernziel: Die Auswirkungen der Vergrößerung oder Verringerung der Magnetkräfte in den Kugeln verstehen. 1. Was passiert, wenn Du die beiden Kugeln einander näherst? Sie ziehen sich an und rücken zusammen Was passiert, wenn Du die beiden Kugeln einander näherst? Erkläre Deine Antwort. Sie ziehen sich an und rücken zusammen Zeichne und beschrifte ein ähnliches Gefüge mit nur zwei Kugeln, die sich abstoßen, bzw. Schubkräfte aufweisen. Die Kugeln müssen das gleiche Vorzeichen besitzen (positiv/positiv oder negativ/negativ) Was passiert, wenn Du die beiden Kugeln einander näherst? Erkläre Deine Antwort. Wie würdest Du die Anziehung zwischen den beiden Kugeln erhöhen oder verringern? Sie ziehen sich an und rücken zusammen. Je größer der Unterschied der Werte zwischen den beiden Kugeln ist, desto höher ist die Anziehung. Je kleiner der Unterschied, desto kleiner die Anziehung. 2. Wie bringst Du zwei Kugeln dazu, sich bei mehreren Stäben abzustoßen? Zeichne Deine Antwort hierunter mit einer kurzen Erklärung Gleiche Kugeln stoßen sich ab. Die Kugeln müssen das gleiche Vorzeichen besitzen. Je höher oder niedriger de Wert, desto größer die abstoßenden Schubkräfte.

6 6 Einfache Strukturen Lernziel: In der Lage sein, einfache Strukturen zu bilden. 1. Erkläre, warum ein Quadrat eine schwache Form ist. Die Verbindungen in einem Quadrat können sich leicht verbiegen und daher die Gestalt verformen. Es ist keine unveränderliche Form. 1. Erkläre, warum ein Dreieck eine starke Form ist. Die Verbindungen in einem Dreieck sind fest. Es handelt sich um eine stabile Form. Du kannst die Form nicht verändern. 1. Erkläre (mit Skizzen), wie aus einem Quadrat eine wesentlich stärkere Form zu machen ist. Dies würde das Quadrat verstärken, jedoch sind die Stäbe nicht lang genug. Eine quadratische Pyramide würde das Quadrat durch Verwendung von Stäben und Kugeln verstärken.

7 7 Bauen regelmäßiger Vielecke Lernziel: Wissen, was ein regelmäßiges Vieleck ist und wie man eine Reihe von Formen bildet. 1. Zeichne und beschrifte 3-, 4-, 5- und 6-seitige regelmäßige Vielecke. Gleichseitiges Dreieck Quadrat Fünfeck Sechseck 1. Zeichne und beschrifte 3-, 4-, 5- und 6-seitige regelmäßige Vielecke. Wie oben. 2. Zeichne und beschrifte 3-, 4-, 5- und 6-seitige unregelmäßige Vielecke. Jede 2-dimensionale Form mit der Anzahl von Seiten, die unterschiedliche Längen und Winkel haben können. 1. Zeichne und beschrifte 3-, 4-, 5- und 6-seitige regelmäßige Vielecke. Füge die Innenwinkel für jede Form hinzu. Form Seiten Summe der Innenwinkel Form Jeder Winkel Dreieck Viereck Fünfeck Sechseck

8 8 Dreidimensionale (3-D-) Baugefüge Lernziel: Verstehen, wie man eine Struktur aus einfachen Vielecken bildet. 1. Erkläre, was ein Baugefüge ist. Ein Baugefüge ist eine Gruppe von Elementen, die irgendwie verbunden werden, um eine Last standsicher zu tragen. 1. Erkläre, was ein Baugefüge ist. Ein Baugefüge ist eine Gruppe von Elementen, die irgendwie verbunden werden, um eine Last standsicherzu tragen. 2. Zeichne nachstehend ein Baugefüge. Beschrifte einige einfache Formen. Beispiel: Eine Brücke. Dreiecke könnten beschriftet werden. Ein Haus mit Quadraten und Dreiecken. 1. Erkläre, was ein Baugefüge ist. Ein Baugefüge ist eine Gruppe von Elementen, die irgendwie verbunden werden, um eine Last standsicher zu tragen. 2. Der nachstehende Würfel ist kein starkes Gefüge. Wie kannst Du dieses Gefüge verstärken? Zeichne Deine Ideen und erkläre, warum. Verstreben oder Dreiecke im Würfel bilden wird den Würfel stabiler machen.

9 9 Komplexe 3-D-Baugefüge Lernziel: Verstehen, wie man 3-D-Formen bildet. 1. Beschrifte und zähle die Ecken, Flächen und Kanten des unten abgebildeten Würfels. Ecken: 8 Flächen 6 Kanten: Beschrifte und zähle die Ecken, Flächen und Kanten der unten abgebildeten dreieckigen Pyramide. Ecken: 4 Flächen 4 Kanten 6 1. Beschrifte und zähle die Ecken, Flächen und Kanten eines sechseckigen Prismas. Ecken: 12 Flächen 8 Kanten 18

10 10 Starke Baugefüge Lernziel: Ein einfaches Brücken-Baugefüge bauen und verstehen wie man ein Baugefüge stabiler macht. 1. Zeichne die endgültige Brücke in einer Seitenansicht, wobei klar erkennbar wird, wie Du die Fahrbahn der Brücke verstärkt hast. 1. Zeichne die endgültige Brücke in einer Seitenansicht, wobei klar erkennbar wird, wie Du die Fahrbahn der Brücke verstärkt hast. Beschrifte jede Schub- und Zugkraft, die Du erkennen kannst. 1. Zeichne die endgültige Brücke in einer Seitenansicht, wobei klar erkennbar wird, wie Du die Fahrbahn der Brücke verstärkt hast. Beschrifte mindestens zwei Stäbe, die unter 'Druck' stehen und zwei, die unter 'Zug' stehen. Druck Zug

11 11 Fachwerkbrücken Lernziel: Verstehen, was eine Fachwerkbrücke ist und die Auswirkung von Triangulierung bei Baugefügen. 1. Zeichne unten eine Fachwerkbrücke. 2. Welche ist die wichtigste Form in einer Fachwerkbrücke? Ein Dreieck. 1. Zeichne unten eine Fachwerkbrücke. Hebe ein Dreieck hervor. 2. Erkläre, warum Dreiecke so wichtig sind. Ein Dreieck ist eine stabile Form. Dreiecke bilden hilft, die Brücke zu verstärken und stabiler zu machen. 1. Zeichne unten eine Fachwerkbrücke. Hebe ein Dreieck hervor. 2. Welches Material wird beim Bau einer Fachwerkbrücke verwendet? Stahl wird oft für das Gerippe einer Fachwerkbrücke verwendet. Die Stahlträger können verschraubt werden, um Dreiecke zu bilden und sind relativ leicht im Vergleich zu anderen Werkstoffen, wie zum Beispiel Beton.

12 12 Verwendung von Schub- und Zugkräften Lernziel: Ein Gefüge bauen, um magnetische Schub- und Zugkräfte nachzuweisen. 1. Kannst Du erklären, warum sich die Backen nicht schließen? Die Spitzen der Backen stoßen sich ab. Die Werte der oberen und unteren Kugel sind gleich. Gleiche Pole stoßen sich ab. 1. Kannst Du erklären, warum sich die Backen nicht schließen? Die Spitzen der Backen stoßen sich ab. Die Werte der oberen und unteren Kugel sind gleich. Gleiche Pole stoßen sich ab. 2. Wie kannst Du durch Hinzufügen von nur einem Stab die Backen zum Schließen bringen? Zeichne deine Antwort. Durch Anbringen eines Stabs mit gegensätzlicher Polarität an die obere oder untere Kugel wird die Abstoßungskraft verringert 1. Erkläre unter Verwendung der gelernten Begriffe, warum sich die Backen nicht schließen? Die Backen stoßen sich ab oder drängen auseinander, weil die Werte der Kugeln gleich sind und sich gleiche Pole abstoßen bzw. auseinander drängen. 2. Wie kannst Du bewirken, dass die Backen sich weiter öffnen? Man muss den Wert der Kugeln erhöhen, indem weitere Stäbe mit der gleichen Polarität angebracht werden. Dies kann entweder auf der oberen oder auf der unteren Kugel erfolgen oder auf beiden. Dies würde die magnetische Kraft vergrößern, die die Backen abstößt oder auseinander drängt und diese weiter öffnet.

13 13 Schwingungserzeuger Lernziel: Verstehen, wie man Schubkräfte einsetzt, um ein schwingendes Pendel zu bauen. 1. Wie lange wird das mittlere Dreieck schwingen? Bestimme die Zeit in Sekunden mithilfe einer Stoppuhr. Schüler stoppen das Gefüge. 1. Wie lange wird das mittlere Dreieck schwingen? Bestimme die Zeit in Sekunden mithilfe einer Stoppuhr. Schüler stoppen das Gefüge. 2. Wie glaubst Du, kannst Du die Zeit verlängern? Reduzierung der Reibung, Schwingungsbogen durch Veränderung der Abmessungen des Gefüges oder der Lage der abstoßenden Kugeln vergrößern. 1. Erkläre den Begriff Schwingung. Fällt Dir ein Gegenstand ein, der schwingt? Eine ständiges, ununterbrochenes Vor- und Zurückschwingen über einen Mittelpunkt, ein Bewegungsablauf über einer zentralen Stelle. Pendel einer Standuhr, Pendel eines Taktmessers Zeige in dem nachstehenden Diagramm die beteiligten Kräfte und den Wert der Magnetkräfte in den drei oberen Kugeln auf. -2 oder +2-3 oder +3-3 oder +3

14 14 Rotation und Reibung Lernziel: Kugeln für Verbindungen mit geringer Reibung verwenden. 1. Was geschieht mit dem Unterteil, wenn Du die orangefarbene Struktur des ersten Modells drehst? Es beginnt ebenfalls, sich zu drehen. 2. Was bewirkt sein Verlangsamen und seinen letztlichen Stillstand? Das Scheuern der Kugeln gegeneinander, auch Reibung genannt. 1. Drehe die beiden Teile des ersten Modells in entgegengesetzte Richtungen. Was geschieht schließlich? Der orangefarbene Teil wird langsamer. Dann ein Richtungswechsel des unteren Teils. 2. Was bewirkt sein Verlangsamen und seinen letztlichen Stillstand? Die Reibung zwischen den Kugeln. 1. Die Drehung des orangefarbenen Gefüges des ersten Modells lässt den unteren Teil ebenfalls drehen. Wenn Du mehr Stäbe hinzufügst, um die Polarität der oberen Kugeln zu verstärken, würde das die Wirkung verringern oder erhöhen? Warum? Verstärken, da die Kugeln fester zusammengedrückt werden. 2. Selbst, wenn keinerlei Reibung zwischen den Kugeln vorläge, würde die Drehung schließlich trotzdem aufhören. Warum? Luftwiderstand der sich drehenden Teile.

15 15 Einfache Kugellager Lernziel: Verstehen, wie einfache Kugellager arbeiten. 1. Erkläre, warum und wie ein einfaches Lager arbeitet. Lager verringern Reibung, indem sie glatte Metallkugeln oder Rollen und eine glatte Innen- und Außenfläche aufweisen, auf der die Kugeln rollen. Diese Kugeln oder Rollen tragen die Last und erlauben der Vorrichtung, leichtgängig zu drehen. 1. Erkläre, warum und wie ein einfaches Lager arbeitet. Wie oben. 2. Warum ist die Reibung in einem Kugellager geringer? Die Kugeln in einem Lager rollen eher, als dass sie gleiten. Wenn Gegenstände gleiten, bewirkt die Reibung zwischen ihnen eine Kraft, die sie verlangsamt. Wenn die beiden Flächen übereinander rollen können, wird die Reibung zum größten Teil verringert. 1. Zeichne und beschrifte die Teile für ein einfaches Lager. 2. Was würde der Bewegung des Gefüges passieren, wenn der Reibungskoeffizient Null betrüge? Sie würde ewig anhalten und niemals verlangsamen.

16 16 Drucklager Lernziel: Verstehen, wie ein Drucklager arbeitet. 1. Welche Arten von Lasten sind in einem Drucklager beteiligt? Axiallasten. Lasten in der Richtung der Welle. 2. Wäre Drucklager für ein Karussell geeignet? Warum? Ja. Ein Karussell weist senkrechte Lasten durch die Drehachse des Karussells auf. 1. Welche Arten von Lasten sind in einem Drucklager beteiligt? Axiallasten. Lasten in der Richtung der Welle. 2. Zeichne die Richtung der Axiallast des unten abgebildeten Karussells. 1. Welche Arten von Lasten sind in einem Drucklager beteiligt? Axiallasten. Lasten in der Richtung der Welle. 2. Zeichne die Richtung der Axiallast des unten abgebildeten Karussells. Wo sonst kann man Drucklager finden? Drehstühle, Bagger mit drehbarer Kabine, Baukran.

17 17 Hinzufügen einer Drehbewegung Lernziel: Verstehen, wie eine Drehbewegung mit magnetischen Schub- und Zugkräften zu verbinden ist. 1. Beschreibe, was den Backen geschieht, wenn Du das mittlere Teil drehst. Die Backen werden sich öffnen. 2. Zeige mithilfe von Pfeilen die erzeugte Drehbewegung auf dem nachstehenden Diagramm an. Welche Magnetkraft wird wahrgenommen - Schub- oder Zugkraft? Eine Schubkraft wird erzeugt, wenn sich die Backen öffnen und sich abstoßen. 1. Beschreibe alle Bewegungen, wenn Du das mittlere Teil drehst. Die Backen öffnen sich, wenn das mittlere Teil gedreht wird. Der Wert der Kugeln an den Spitzen der Backen und der Spitze des Drehzentrums ist überall gleich. 2. Zeige mithilfe von Pfeilen die erzeugte Drehbewegung auf dem nachstehenden Diagramm an. Welche Magnetkraft wird wahrgenommen - Schub- oder Zugkraft? Wie weißt Du das? Eine Schubkraft wird erzeugt, weil sich die Backen öffnen und sich abstoßen. 1. Beschreibe die Bewegung und die vorliegenden Kräfte, wenn Du das Mittelteil drehst. Erkläre, warum dies geschieht. Wenn man die Basis dreht, wird eine Drehung erzeugt. Dies bewirkt die Öffnung der Backen, wenn die Kugeln der Basis sich den Kugeln der Backen nähern. Die Kugeln stoßen sich ab, indem sie eine Schubkraft erzeugen. 2. Zeige mithilfe von Pfeilen die erzeugte Drehbewegung auf dem nachstehenden Diagramm an. Welche Magnetkraft wird wahrgenommen - Schub- oder Zugkraft? Wie weißt Du das? Eine Schubkraft wird erzeugt, weil sich die Backen öffnen und sich abstoßen.

18 18 Antriebsbewegung Lernziel: Verstehen, wie eine Antriebsbewegung durch Verwendung der magnetischen Schub- und Zugkräfte geschaffen wird. Um eine Drehbewegung zu erhalten, einfache Lager verwenden. 1. Beschreibe die Bewegung, wenn Du den oberen Abschnitt drehst. Wird der obere Abschnitt gedreht, erzeugt er eine Schwingbewegung zwischen den beiden Abschnitten, jedoch treibt er den unteren Abschnitt dazu an, sich aufgrund der Abstoßkräfte zwischen den Kugeln zu drehen. 2. Warum wird zwischen den beiden Abschnitten ein Lager benötigt? Um die Reibung zwischen den beiden Abschnitten zu verringern und zu erlauben, dass die Bewegung stattfindet. 1. Beschreibe die Bewegung, wenn Du den oberen Abschnitt drehst. Welche Magnetkraft verursacht die Bewegung? Wird der obere Abschnitt gedreht, erzeugt er eine Schwingbewegung zwischen den beiden Abschnitten, jedoch treibt er den unteren Abschnitt dazu an, sich aufgrund der Abstoßkräfte zwischen den Kugeln zu drehen. 2. Warum wird zwischen den beiden Abschnitten ein Lager benötigt? Um die Reibung zwischen den beiden Abschnitten zu verringern und dafür zu sorgen, dass die Bewegung stattfindet. 1. Erkläre, warum die beiden Abschnitte gemeinsam schwingen und sich drehen. Wird der obere Abschnitt gedreht, erzeugt er eine Schwingbewegung zwischen den beiden Abschnitten, jedoch treibt er den unteren Abschnitt dazu an, sich aufgrund der Abstoßkräfte zwischen den Kugeln zu drehen. 2. Was würde mit der Bewegung geschehen, wenn es keine Reibung in den Lagern gäbe? Ist dies möglich? Bestünde keine Reibung, würde das Gefüge längere Zeit drehen. Nur der Luftwiderstand würde die Bewegung verlangsamen. Dies ist nicht möglich, da alle sich berührenden Oberflächen etwas Reibung erzeugen.

19 19 Gleichpoliger magnetischer Motor Lernziel: Verstehen, wie ein gleichpoliger magnetischer Motor aufgebaut ist. 1. Zeichne und beschrifte die Teile für einen gleichpoligen Motor. Batterie Kupferdraht Magnet 2. Worin besteht die Ähnlichkeit dieses Motors mit einem kleinen Elektromotor, wie man ihn in Spielzeugautos findet? Die Teile in den Motoren sind gleich. Jeder Motor besitzt einen Magneten und einen Kupferdraht und wird von einer Batterie gespeist. 1. Zeichne und beschrifte die Teile für einen gleichpoligen Motor. Siehe oben. 2. Was würde geschehen, wenn Du eine Batterie mit höherer Leistung verwenden würdest Der Kupferdraht würde sich schneller drehen. 1. Zeichne und beschrifte die Teile für einen gleichpoligen Motor. Siehe oben. 2. Was würde den Kupferdraht schneller drehen lassen? Das Erhöhen der Leistung der Batterie und das Erhöhen der Magnetkraft würden den Draht schneller drehen lassen.