Material für den Unterricht

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1 Material für den Unterricht Material für den Unterricht Zusammenfassung Einleitung Lehrplanbezug Erforderliche Vorkenntnisse / Grundlagen Benutzte Ausstattung Materialliste Hauptteil Material Unterrichtsverlauf und Experimente Praxisbezug Verwendete Quellen Anlagen... 4 Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 1 von 8

2 1. Zusammenfassung Im Rahmen des Projektes magnetische Phänomene - Magnetschwebebahn mit Propellerantrieb sind verschiedene Materialien entstanden und Verfahren für den Unterricht untersucht worden: 1. Modell einer Magnetschwebebahn mit Permanentmagneten Zunächst wurden mit Bastelmaterialien Vorversuche zur technischen Gestaltung dieser Farbahn durchgeführt. Die perfekte technische Ausführung wurde dann nach unseren Plänen von Auszubildenden bei der Firma Siemens hergestellt. Verwendung können diese Modelle finden in der 8. Klasse: Magnetische Kräfte, in der 9. Klasse : Reibung, in der 11. Klasse: Fahrbahnversuche und auch für Facharbeiten im Leistungskurs Physik. 2. Magnetschwebebahn mit Elektromagneten in der Fahrbahn und Permanentmagneten im Wagen Unser Vorgehen war wie oben, allerdings stellten sich bislang unüberwindliche Schwierigkeiten bei der technischen Ausführung heraus. Das Modell der Fahrbahn kann trotzdem verwendet werden zu Induktionsversuchen in der 10. und 12. Klasse. 3. Bau eines Elektromotors Ein käufliches Motormodell wurde aufgebaut, die Funktionsfähigkeit getestet und verbessert. (10. Klasse) 4. Messungen Gemessen wurden die Drehzahl und Leistung eines Elektromotors, sowie magnetische Feldstärken von Permanentmagneten bei verschiedenen Messabständen. Anwendbar z.b. in der 9. und 12. Jahrgangsstufe. 2. Einleitung 2.1 Lehrplanbezug Aus den genannten Themengebieten ist ersichtlich, dass das Material vor allem im Physikunterricht Verwendung findet. Die wesentlichen Anwendungsbereiche sind Kinematik, Magnetismus, Kräfte, Arbeit und Energie. 2.2 Erforderliche Vorkenntnisse / Grundlagen Die genannten Entwicklungen und Experimente wurden mit Schülern der 9. Jahrgangsstufe (G9) durchgeführt. Komplexere Geräte (Hallsonde mit Verstärker, Messwerterfassungssystem) wurden als black box vorgestellt. 2.3 Benutzte Ausstattung Für die Vorversuche wurden käufliche Permanentmagnete, Spulen der Schülerübung sowie Kleinmaterial aus dem Baumarkt verwendet. Für die Präsentation wird Microsoft Office verwendet, für den zweidimensionalen Magnetfeldverlauf das Cassy-System der Firma Leybold sowie das Programm blender (shareware). Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 2 von 8

3 2.4 Materialliste Die vorläufigen Modelle des Wagens sowie der Permanentmagnetschiene wurden aus Plexiglasplatten (2,5mm Stärke; Baumarkt), die mit Heißkleber zusammengefügt wurden, sowie Neodynmagneten ( 8mm x 5mm Neodyn Magnete z.b. bei Conrad Best.Nr ) gefertigt (vgl. Abhang der Dokumentation). Der verwendete Motorbausatz stammt von der Firma Leopold Eschke. 3. Hauptteil 3.1 Material Im Verlauf des Projekts wurden funktionierende Modelle von Elektromotoren gebaut, Messungen zu Drehzahl und mechanischer Leistung eines Elektromotors durchgeführt, sowie zwei verschiedene Modelle einer Magnetschwebebahn entwickelt. In die Schiene (Plexiglas bzw. Aluminiumkörper) des einen Modells sind in passenden Abständen Permanentmagneten eingelassen deren gleichsinnige Polung für die Abstoßung des Wagens sorgen. Die zweite Schiene besteht aus aneinander gesetzten Elektromagneten (Selbstbau) bzw. aus einer langgestreckten Spule Hier soll die Abstoßung und das Schweben des Wagens durch einen Elektromagnet erfolgen. Der Vortrieb des Wagens wird durch einen auf dem Wagen montierten Propeller erzeugt, der innerhalb einer Röhre liegt. Hierdurch wird der Luftstrom gebündelt. Stößt der Wagen an den Anschlag am Ende der Schiene, so wird ein auf ihm montierter Schalter umgelegt, der den Motor umpolt. Der Wagen wird somit wieder in Gegenrichtung beschleunigt. 3.2 Unterrichtsverlauf und Experimente Die im Projekt erstellten Modelle können im Physikunterricht in den verschiedensten Jahrgangsstufen eingesetzt werden. 8. Klasse Wird in der 8. Jahrgangsstufe (Elektro-)Magnetismus besprochen, so können die Modelle der Schwebebahnen als interessantes Anschauungsbeispiel für magnetische Abstoßung herangezogen werden. Auch die Messung der Abstoßungskraft der Magneten oder der Schubkraft des Propellers lassen sich bei der Behandlung des Themas Kräfte gut integrieren. Die Schaltung, die dafür sorgt, dass der Wagen beim Anstoßen an das Ende einer Schiene seine Richtung ändert, lässt sich als Problemstellung zum Kapitel Elektrische Schaltungen mit den Schülern theoretisch erarbeiten und am Modell praktisch ausprobieren. 9. Klasse In der 9. Klasse bietet sich der Einsatz der gefertigten Schwebebahnen bei der Besprechung der Reibung an. Die Magnetschwebebahn kann hier als weitgehend reibungsfreies System (abgesehen von der Luftreibung und der Reibung an der seitlichen Führung des Wagens) betrachtet werden (Um die Reibung mit der seitlichen Führung des Wagens zu minimieren wurden an den von Siemens gefertigten Schienen und Wagen jeweils Teflonbeschichtungen angebracht.). Ebenso können die in der Dokumentation beschriebenen Messungen zur Drehzahl und zur mechanischen Leistung eines Elektromotors in den Unterricht der 9. Klasse eingesetzt werden. Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 3 von 8

4 10. Klasse Hier können insbesondere die Modelle der Elektromotoren zum Einsatz kommen. Auch lässt sich nun die (evt. bereits in der 9. Klasse bestimmte) mechanische Leistung des Motors mit der elektrischen vergleichen und der Wirkungsgrad kann bestimmt werden. Als Anschauungsmodell zur Anwendung des besprochenen Elektromotors kann wiederum der Propellerantrieb der Schwebebahn herangezogen werden. Die aufgenommenen Messdiagramme zur Feldverteilung über der Schiene können zur Veranschaulichung von Magnetfeldern genutzt werden. 11. Klasse In der 11. Klasse werden die verschiedenen Bewegungsarten behandelt. Die hierzu üblicherweise durchgeführten Versuche am der Luftkissenfahrbahn können nun auch an der Magnetschwebebahn durchgeführt werden. Der Rückstoß, den der Porpellerantrieb erzeugt liefert ein anschauliches Beispiel für die in dieser Jahrgangsstufe besprochene Inpulserhaltung. Auch die Drehimpulserhaltung lässt sich mit dem Modell der Schwebebahn verdeutlichen, da der Wagen sich bei verschiedenen Drehrichtungen des Propellers leicht in die entsprechenden Gegenrichtungen verkippt. 12. Klasse Wie auch in der 10. Klasse lassen sich die aufgenommenen Messdiagramme zur Feldverteilung über der Schiene zur Veranschaulichung von Magnetfeldern heranziehen. 4. Praxisbezug Anstoß für unser Projekt war die von Siemens gebaute Magnetschwebebahn und die Idee der Schüler ein Perpetuum Mobile konstruieren zu können, falls die Reibung überlistet würde. Die Einsicht in die Abstoßung bzw. Anziehung magnetischer Pole führte dann zum Wunsch einen Elektromotor zu bauen und zu verstehen. Durch die Auszubildenden von Siemens wurde unseren Schülern das Prinzip des Asyncronmotors, wie er in der U-Bahn und anderen Schienenfahrzeugen verwendet wird, anschaulich erklärt. Abgerundet wurde dieser Exkurs durch eine Betriebsbesichtigung bei der Motorenfertigung von Siemens und einem Besuch der Lehrwerkstätten Elektrotechnik und Mechatronik unserer Partnerfirma. Vier Auszubildende standen uns von Januar bis Mai regelmäßig zur Seite und lieferten neben technischem Knowhow Einblicke in Ihre Ausbildung. 5. Verwendete Quellen Verwendet wurden die üblichen Schulbücher der 8. Und 9. Klasse Gymnasium; außerdem ein Lexikon der Schulphysik. 6. Anlagen - Konstruktionszeichnungen der Permanentmagnetschiene, der Elektromagnetschiene und des Wagens - Bilder der fertigen Modelle Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 4 von 8

5 Schlitten für die Magnetschwebebahn Der Wagen sollte möglichst aus einem sehr leichten nicht magnetischen Material gefertigt werden, z.b. aus dünnem Alu oder aus Plexiglas. Als Magnete werden dieselben wie in der Schiene (I) verwendet ( 8mm x 5mm Neodyn Magnete z.b. bei Conrad Best.Nr pro Wagen 20 Stück) und in die Schlittenplatte eingelassen. 100mm Innenmaß 41mm 2mm 10mm 45mm 10mm Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 5 von 8

6 Schiene (I) mit Permanentmagneten Die Schiene sollte als Voll- oder Hohlkörper aus einem nicht magnetischen Material gefertigt werden z.b. Alu oder Plexiglas. Als Magnete werden dieselben wie im Schlitten verwendet ( 8mm x 5mm Neodyn Magnete z.b. bei Conrad Best.Nr , 120 Stück), die in die Schiene ca. 4mm versenkt werden. 6mm 12mm 4mm 10mm 600mm mm 40mm Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 6 von 8

7 Schiene (II) mit Elektromagneten Die Schiene (II) hat die gleichen Maße, wie Schiene (I) wobei z.b. in den Hohlkörper der Schiene die Elektromagneten eingepasst werden können. Die Messdaten stammen von unserem besten Probemagneten. 40mm Eisenkern T-förmig Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 7 von 8

8 Abbildung 1: Modell der Eletromagnetschiene mit provisorischem Wagen Abbildung 2: Modell der Schiene mit Permanentmagneten Abbildung 3: nach den Konstruktionszeichnungen der Schüler von Siemens gefertigte Schwebebahnen mit Wagen und Propellerantrieb Vision-Ing21 eine Initiative des Seite 8 von 8