Fahrradtacho-Experimentierset

Transkript

1 Fahrradtacho-Experimentierset Lernanleitung zum Fahrradtacho Anhand der folgenden Experimentieraufgabe können Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig Wichtiges zum physikalischen Hintergrund und zur Funktionsweise eines Fahrradtachos erarbeiten und anhand eines selbst gebauten Modells die Funktion prüfen. Die Aufgabe ist offen gestaltet und ermöglicht es, frei zu arbeiten. Hilfsaufgaben und Tipps dienen der Erläuterung und Vertiefung von Sachverhalten. Sie sind durch Überschriften einzelnen Themen zugeordnet. Die Anleitung ist als Vorlage gedacht und prinzipiell für die Orientierungsstufe und für die Sekundarstufe I geeignet. Je nach vorangegangenem Unterricht und je nach Lerngruppe sind möglicherweise Anpassungen notwendig.

2 Wir bauen ein Fahrradtacho-Modell 1. Material- und Geräteliste 1.1. Materialliste 1 Holzleiste (H x B x T: 2 cm x 5 cm x 30 cm); dient als Halterung der Schaltung und zur Aufnahme des Nagels als Achse des Rades 1 Stück Pappe (DIN A4) 1 Reed-Kontakt 7,0 mm, 0,3 A, 24 V, 1 W 1 Nagel 0,5 mm Ø x 5 cm; dient als Achse 2 Lüsterklemmen 0,25 mm 2 1 E10-Glühbirne 3 V 1 E10-Lampenfassung mit Schraubanschluss 1 Batterieclip 1 Batteriehalterung für 2 Mignon-Batterien und Druckknopfanschluss 2 Mignonbatterien (AA) je 1,5 V 1 kleiner Neodym-Permanentmagnet 4 Nägel ca. 2,0 mm Ø x 20 mm 2 (rote und schwarze) isolierte Kabel, je ca. 10 cm x 0,25 mm² 1.2. Geräteliste 1 Hammer 1 kleiner Schlitzschraubendreher; zum Befestigen der Bauelemente in den Lüsterklemmen 1 schnell abbindender Kraftkleber ; zum Festkleben der Lüsterklemmen, Batteriehalterung, Lampenfassung und des Magneten 1 Schere 1 Zirkel 1 Abisolierzange 1 Seitenschneider 1 Stoppuhr (z. B. im Smartphone) 1 Fahrradtacho; möglichst noch funktionierend

3 2. Lernaufgaben Diese Lernaufgaben leiten dich zum Bau eines Fahrradtacho-Modells. Hierzu stehen dir die genannten Materialien und Geräte zur Verfügung. Beginne den Bau deines Fahrradtachomodells erst nach der Bearbeitung der folgenden Verständnisaufgaben Verständnisaufgaben Funktion eines Fahrradtachos Überlege dir, welche Aufgabe ein Fahrradtacho hauptsächlich hat. Notiere deine Antwort. Die Hauptaufgabe eines Fahrradtachos ist die Ermittlung der (momentanen) Geschwindigkeit. (Je nach Lehrplan: des momentanen Tempos) Bestandteile eines Fahrradtachos Finde zusammen mit deinem Tischnachbar/deiner Tischnachbarin heraus, aus welchen Teilen der Fahrradtacho besteht. Überlegt zusammen, wo am Fahrrad jedes dieser wichtigen Teile zu montieren ist. Was müsst ihr bei der Montage beachten, so dass der Tacho funktioniert? Hinweise findet ihr in der Bedienungsanleitung des Fahrradtachos. Falls ein Fahrrad mit Tacho zur Verfügung steht, probiert es aus! Weitere Tipps gibt es im Abschnitt 5. Notiert eure Antworten! Ein Fahrradtacho besteht aus einer Computereinheit (mit Anzeige oder Display), einem Schaltkontakt (Sensor) und einem Permanent- oder Dauermagneten. Die Anzeige- und Computereinheit wird am Fahrradlenker befestigt, der Schaltkontakt (Sensor) an der Gabel des Vorderrads, der Permanentmagnet an einer Speiche des Vorderrades. Die Position von Permanentmagnet und Schaltkontakt wird dabei so gewählt, dass der Abstand beider Teile während der Passage des Magneten möglichst klein ist.

4 Funktion des Sensors (REED-Kontakt) Baue eine Schaltung mit REED-Kontakt und Glühbirne nach dem abgebildeten Schaltplan auf. In Abbildung 3 siehst du eine geeignete Halterung für den REED-Kontakt. Abb. 1: Schaltzeichen für den REED-Kontakt Abb. 2: Schaltplan Abb. 3: kleiner Stabmagnet (links) und zwei Lüsterklemmen zur Halterung für den REED-Kontakt (rechts) Bringe anschließend den Magneten in die Nähe des REED-Kontaktes und entferne den Magneten wieder. Fasse deine Beobachtungen zusammen. Erkläre, welches Teil als Schalter fungiert und womit man das Ein- und Ausschalten des Stromkreises bewirken kann. Bei Annäherung des Magneten an den REED-Kontakt leuchtet das Lämpchen. Entfernt man den Magneten wieder, so erlischt das Lämpchen. Der REED-Kontakt dient als Schalter, denn er schließt den Stromkreis bei Anwesenheit des Magneten. Wird der Magnet vom REED-Kontakt entfernt, öffnet der Schalter den Schaltkreis wieder.

5 3. Baue nun dein eigenes Fahrradtacho-Modell! Verwende die zur Verfügung stehenden Materialien, um dein Modell zu bauen. Stelle die Teile des Modells und ihre Funktion zusammen. Abb. 4 und der am Fahrrad eingebaute Tacho helfen dir dabei. Fahrradfelge Magnet REED-Kontakt (s. Abb. 3 oder 5) Batteriehalterung Abb. 4: Gesamtaufbau Die Funktion eines Fahrradtachos kann durch den abgebildeten Aufbau verstanden werden. Rad, Radgabel und Radhalterung können durch einen Pappkreis, den Nagel und die Holzleiste modelliert werden. Der Nagel dient als Drehachse.

6 4. Funktionsprüfung deines Modells und Vergleich mit einem realen Fahrradtacho Funktionsprüfung Beschreibe in kurzen Sätzen, wie dein Fahrradtacho-Modell funktioniert. Durch jede Radumdrehung wird der Stromkreis geschlossen und ein Lichtimpuls ausgegeben. Je schneller sich das Rad (die Pappscheibe) dreht, desto mehr Lichtimpulse pro Zeit werden ausgelöst (oder: desto schneller erfolgen die Lichtimpulse). Daran erkennt man, wie schnell das Fahrrad ist. Durch Zählen der Lichtimpulse in einem gewissen Zeitintervall kann man die (momentane) Geschwindigkeit berechnen. Vergleich mit der Realität Überlege dir, welche Unterschiede zwischen deinem Fahrradtacho-Modell und einem echten Fahrradtacho existieren. Schreibe deine Ergebnisse auf. In einem echten Fahrradtacho übernimmt ein Computer die Berechnungen. Es gibt kein Lämpchen, das aufleuchtet. Ein echter Fahrradtacho gibt neben der momentanen Geschwindigkeit noch weitere Angaben aus. Beispielsweise werden die zurückgelegte Strecke, die Durchschnittsgeschwindigkeit und die gefahrene Zeit ausgegeben.

7 5. Fahrradtacho (real) Falls kein Fahrradtacho vorhanden ist, helfen dir die folgenden Abbildungen weiter. Magnet und Halterung REED-Schalter (Sensor) Batteriehalter (manchmal auch in der Anzeigeeinheit) Anzeigeeinheit (Display) und Rechen-Chip