Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation – Materialien für den Unterricht
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Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel Vision-Ing21 2012/13 Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation – Materialien für den Unterricht Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Informationen 2. Zusammenfassung 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 3.3. Aufgabenverteilung / Kommunikation 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, andere Unterlagen 6. Quellen und Recherchen 7. Datum und Unterschrift Seite 1 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel 1. Allgemeine Informationen Thema: Lärmampel Bearbeitet von Jahrgangsstufe: 6 bis 7 Schulart: Gymnasium Bearbeitet im Fach: Wahlfach Themengebiet: Physik Benötigte Vorkenntnisse: Lötarbeiten, Funktion eines Mikrophons, einfache Schaltpläne Erforderliche technische Ausstattung: Regelbare Lötstation, drei Bausätze für Klatschschalter, diverses Zubehör, wie Holz, Lampen, Batteriekasten, etc. Wurden Experimente durchgeführt? Es wurden Experimente zur Schallausbreitung, und zur Umsetzung von Schall in elektrische Signale durchgeführt. Wurde ein Modell / Objekt gebaut? Modellschaltung zum ersten Verstehen Seite 2 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel 2. Zusammenfassung 2.1 Teilnahme am Schüler-Team-Wettbewerb Vision-Ing21 Die Gruppe kam zur Teilnahme durch Ansprache von einer Lehrerin. 2.2 Entstehungen des Themas Ursprung war die Überlegung, was man im Schulhaus positiv verändern kann. Folgend Idee kamen von Teilnehmern: Elektronische Hausaufgabenerinnerung, Kreide, die die Tafel leichter säubern lässt (Lotusblüteneffekt), Tafelbeschichtung zur Unterdrückung von Reflexionen, Programm zur Erstellung von Sitzplänen, Lärmpegelampel, Hausaufgabenroboter und elektronische Seitenanzeige für das Schulbuch. Alle Teilnehmer einigten sich auf den Vorschlag zum Bau einer Lärmpegelampel. 2.3 Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Das Gehäuse der Lärmpegelampel ist ein ca. 40 cm hoher Quader mit der Grundfläche von 20 cm mal 15 cm. Es ist aus Sperrholz gefertigt und hat seitlich eine Tür aus Plexiglas, damit das „Innenleben“ sichtbar ist. Auf zwei Zwischenböden, ebenfalls aus Holz, wurden jeweils die benötigten Platinen (Klatschschalter) aufgeschraubt. Die Klatschschalter, deren Empfindlichkeit jeweils nach Bedarf über ein Potentiometer auf der Rückseite des Gehäuses geregelt werden können, reagieren über kleine, an der Vorderseite des Gehäuses eingebaute Mikrofone auf Geräusche im Raum. Über die Klatschschalter werden eine rote Lampe (für hohe Lautstärke) und eine gelbe Lampe (für leichte Lautstärke) geschaltet. Im Klatschschalter kann über einen kleinen internen Schalter auf „Monoflop“ oder „Flipflop“ geschaltet werden. Hier wurde die Einstellung „Flipflop“ gewählt, d.h., bei einem Geräusch geht die Lampe an und nach kurzer Zeit wieder aus. Dadurch entsteht bei hohem Lärm im Klassenzimmer ein ständiges Flackern beider Lampen, bei geringem Lärm flackert nur die gelbe Lampe. Bei Ruhe sind beide aus. Die Leuchtmittel bestehen aus Niedrigvolt-Power-LEDs (12 V / 1,5W). Die Anlage wird mit 8 Akkus oder Batterien (je 1,2V) in einem eingebauten Batterieblock betrieben. Zur leichten Entnahme der Batterien wurde eine flexible Befestigung mit Gummibändern gebaut (siehe nebenstehende Abb.). Durch die Bauweise ist die Lärmpegelampel überall leicht aufzustellen. (Sie ist nicht für feuchte Räume oder den Außenbereich geeignet.) Seite 3 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel Fertige Platine 2.4 Zusammenarbeit mit den Partnerunternehmen Beim ursprünglichen Industriepartner wurde ein erster Schaltplan erstellt und Lötversuche zur Übung durchgeführt. Aus Zeitgründen konnte das Projekt dort aber nicht weitergeführt werden, so dass das Team einen neuen Partner suchte. Dafür kam die Elektrofirma Schramm aus Neustadt an der Aisch in Frage. Das Unternehmen hat sich bereiterklärt das Team zu unterstützen. 2.5 Rahmen der Teilnahme Vision-Ing21 Die Teilnahme an Vision-Ing21 fand im Rahmen eines Wahlfachs an der Schule statt. 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung: Zielstellung war es, eine Lärmpegelampel zu bauen, die bei zu hoher Lautstärke einen Ton von sich gibt und dabei ein rotes Licht erscheinen lässt. Wenn die Lautstärke angemessen ist, soll die Ampel keinen Ton von sich geben, sondern ein grünes Licht soll erscheinen und bei durchschnittlicher Lautstärke soll ein orangenes Licht leuchten, jedoch auch keinen Ton ertönen. Im Laufe der Entwicklung schien das grüne Licht überflüssig: Im Normalfall muss nicht unbedingt eine dauernd brennen Lampe Energie verschwenden. Auf das Tonsignal wurde schließlich auch verzichtet, ein Nachrüsten ist immer noch möglich. (siehe auch 2.3) 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 3.2.1 Folgendes wurde getan: Zunächst wurde eine Idee entwickelt, wie der Schall einen Schalter betätigen kann, der eine Lampe anschaltete. Dazu wurden im Physiksaal Experimente aufgebaut (siehe 3.2.3). Dann wurde vom Team Gym Herzo ein selbst entworfener Schaltplan skizziert, der vom ersten Teampartner verbessert wurde. Nach diesem Schaltplan hatte sich das Team zunächst gerichtet und im Physiksaal eine Modellschaltung aufgebaut, eine konkrete Umsetzung für das Seite 4 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel geplante Endprodukt war aber lange noch nicht ersichtlich. Auf Anraten des neuen Teampartners Elektro Schramm wurde der alte Plan verworfen und auf eine Konstruktion mit Bausätzen für Klatschschalter umgestellt. Das Team hat an mehreren Nachmittagen drei Klatschschalter mit KondensatorenMikrofon von der Firma Conrad gebaut. Dazu waren vorher wieder einige Lötübungen mit feineren Lötkolben und geringerer Temperatur nötig. Die zwei besten „Löter“ übernahmen dann die Lötarbeiten, während die Anderen zuarbeiteten, bzw. die Dokumentation schrieben. Nach der zugehörigen Bauanleitung und dem Schaltplan wurden die Bauteile zunächst von zwei Schülern herausgesucht und die Platinen richtig bestückt. Bei dem Aufbau der Platine musste man mit den kleinsten Bauteilen, dies waren die Widerstände anfangen, und zum Schluss erst die größten einbauen, damit ein Verlöten überhaupt möglich war. Nach dem Lötvorgang hat ein anderer Schüler die abstehenden Drähte mit einer Zange abgeknipst. Auf diese Weise entstanden wie auf einer kleinen Produktionsstrecke drei Klatschschalter, von denn letztlich nur zwei weiter verwendet wurden. Diese wurden anschließend vom Industriepartner getestet und schlechte Lötstellen wurden korrigiert. Beim Bau des Gehäuses der Lärmpegelampel war der aktuelle Teampartner Elektro Schramm dem Team ebenfalls behilflich. Vom Team jedoch wurden noch relativ viele Arbeiten selbst ausgeführt, wie zum Beispiel der Einbau der Plexiglasscheibe, Bau des Batteriekastens, Bau und Einbau der Zwischenböden, Einbau der Klatschschalterplatinen, Einbau der Mikrofone und der Lampen. 3.2.2 Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt: • Experimentieren zum Schall • Plan einer einfachen Schaltung • Korrekturen am Plan • Modellbau mit Material der Physiksammlung • Lötübungen • Bau der Klatschschalter • Bau des Gehäuses • Einbau der Platinen und des Batteriefachs • Verstehen der Funktionsweise der Schaltung, dazu Unterteilung des Schaltplans in größere Funktionsbereiche (siehe 3.2.4) • Testen des Gerätes unter Variieren der Empfindlichkeit 3.2.3 Folgende Experimente wurden durchgeführt: • Experiment zur Energieübertragung durch Schall: Zwei Tamburine wurden einander gegenüber auf einen Tisch montiert. Vor das eine wurde an einem Faden ein Flummi gehängt, vor das andere ein Tischtennisball. Schlägt der Flummi gegen das Trommelfell des einen Tamburins, so wird gleich darauf der Ball vom anderen Tamburin weggestoßen. • Experiment zur Induktion: Seite 5 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel • • • • 3.2.4 Ein Stabmagnet wird durch eine Spule bewegt, die an einem Strommesser angeschlossen ist. Beobachtung: Bei Bewegung entsteht aus dem „Nichts“ ein Strom. Aus den Beobachtungen beider Experimente wurde überlegt, wie man aus einem Geräusch ein elektrisches Signal gewinnen kann. Idee des Teams: Man könnte am Tamburin einen Magneten befestigen, der sich dann in einer Spule bewegt. Damit war das Mikrofon „erfunden“. Experimente zum Relais: Um die Frage zu klären, wie mit dem geringen Strom eine Lampe leuchten kann, wurden Experimente mit Spulen gemacht, die bei Stromdurchfluss magnetische Eigenschaften zeigen. Dies legt die Idee des elektrischen Schalters durch Magnetismus nahe. Ein in der Physiksammlung vorhandenes Relais wurde getestet. Aufbau einer einfachen Schaltung mit Relais und Glühbirne. Baupläne, Skizzen und evtl. Teilelisten Erster eigener Schaltplan. Bestückungsplan aus der Bauanleitung [1] Seite 6 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel Schaltplan aus der Bauanleitung des Klatschschalters [1] mit handschriftlich eingefügter Einteilung in Funktionsbereiche Schematisch vereinfachte Darstellung der Funktionsweise der Schaltung Erklärung zur Funktionsweise: Durch das Mikrofon wird eine Spannung von 2 mV an den OP (Operationsverstärker) geleitet, welcher das Signal des Mikrofons auf mindestens 3,5 V verstärkt (frequenzabhängig), so dass es von dem nachfolgenden Logikbaustein (hier: Flipflop) verarbeitet werden kann. Dieser gibt das Spannungssignal zum An- oder Ausschalten an die Basis eines Transistors. Anschließend schaltet der Transistor den Strom für das Relais frei oder sperrt. Zum Schluss schaltet das Relais den Stromkreis für die Lampe frei. 3.2.5 Folgende Ziele wurden erreicht: siehe 2.3 Seite 7 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel 3.2.6 Diese Herausforderungen gab es: Das Team hatte teilweise wirklich schwere Herausforderungen, darunter befinden sich die Lötarbeiten und die Bestückung der Platinen, sowie die Überlegungen wie das Projekt am besten auszuführen ist. 3.2.7 Welche theoretischen Grundkenntnisse aus dem Unterricht konnten in der Praxis angewendet werden? Da die Siebtklässler den Schaltplan gezeichnet haben, konnten sie ihre Kenntnisse aus dem Physikunterricht mit einbringen, ebenfalls waren für das Dokumentationsteam Computerkenntnisse nötig. 3.3. Aufgabenverteilung/Kommunikation Aufgabenverteilung in der Gruppe Dokumentationsteam: Tim Steiner, Carsten Hesse Konstruktionsteam: Johannes Bohn, Jonas Dobler Theoriteam: Oliver Mirschberger, Felix von Keitz Kommunizieren der Ergebnisse und der Gruppen. Meist fand die Kommunikation durch direkte Absprache oder durch E-Mails statt. So viel Zeit wurde in das Projekt investiert: Jeden Donnerstag traf sich die Gruppe 1 bis 2 Stunden, wenn es nötig war trafen sich die Teilnehmer auch mehrmals in der Woche. 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug 4.1 Welche Anwendungen in der Industrie wurden evtl. besichtigt? Der erst Teampartner hatte dem Team die Grundkenntnisse des Lötens in deren Lehrwerkstatt erklärt und den Schaltplan verbessert, mit diesem hatte sich das Team ca. fünfmal getroffen. Anwendungen in der Industrie wurden nicht besichtigt. 4.2 Wobei haben Sie die Unterstützung des Partnerunternehmens erhalten? Elektro Schramm hat dem Team über den Ansprechpartner Herrn Norbert Klimpel beim Bau des Gehäuses geholfen, Hinweise zum Löten und Aufbau der Platinen gegeben, die selber gelöteten Platinen auf Schäden kontrolliert und anschließend die Fehler behoben. Außerdem wurde der Schaltplan so aufgearbeitet, dass ein Verständnis für die Altersstufe möglich ist. 6. Quellen und Recherchen [1] Conrad Electronic GmbH, Bedienungsanleitung Klatschschalter mit KondensatorMikrofon, Version 06/02, Hirschau, 2001, S. 28/29 Seite 8 von 9 Schule: Gymnasium Herzogenaurach Teamname: Gym Herzo Partner-Unternehmen: Elektro Schramm Altersklasse: 11 bis 13 Thema: Lärmampel 7. Datum und Unterschrift Datum Unterschrift(en): Für die sachliche Richtigkeit: Unterschrift des Lehrers Seite 9 von 9
