Achterbahn Achterbahn - Vision
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Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Max-Grundig-Schule Staatliche Fachoberschule Fürth Partnerfirma: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Schuljahr: 2010/2011 Achterbahn Material für den Unterricht Projektteam Achterbahn Seite 1 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Informationen ....................................................................................... 3 2. Zusammenfassung ................................................................................................. 4 3. Projektdokumentation ............................................................................................. 5 3.1. Zielstellung ....................................................................................................... 5 3.2. Beschreibung der Projektarbeit ........................................................................ 6 3.3. Aufgabenverteilung/Kommunikation ................................................................ 8 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug ............................. 8 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, Arbeitsblätter, andere Unterlagen ...................... 10 6. Quellen und Recherchen ...................................................................................... 11 7. Datum und Unterschrift ......................................................................................... 12 Seite 2 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 1. Allgemeine Informationen Thema: Achterbahn Bearbeitet von Jahrgangsstufe: 11. Klasse Schulart: Fachoberschule Bearbeitet im Fach: Physik, Technologie, fachpraktische Ausbildung Metall und Elektrotechnik, Deutsch Themengebiet: Gleichmäßig beschleunigte Bewegungen Benötigte Vorkenntnisse: Physik und Mathematik, Mittelstufe Wurden Experimente durchgeführt? Messungen am Modell Wurde ein Modell / Objekt gebaut? Kugelbahn, Eisenbahn Seite 3 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 2. Zusammenfassung Die Fürther Kerwa ist der Ausgangspunkt für unser diesjähriges Projekt. Die Achterbahn, wenn auch in Fürth nicht vertreten, besteht aus Elementen der Beschleunigung und des Abbremsens. Diese physikalische Größe ist den Schülern noch aus der Mittelstufe bekannt. Unser diesjähriges Thema beschäftigt sich daher mit konstant beschleunigten Bewegungen. Im Mittelpunkt des Projekts stehen die physikalischen Größen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Strecke in Abhängigkeit von der Zeit. Im Rahmen des Projekts wird eine Kugelbahn entworfen und gebaut, mit der verschiedene konstant beschleunigte Bewegungen anschaulich im Unterricht untersucht und ausgewertet werden können. Parallel dazu bauen die Auszubildenden von SEMIKRON eine Eisenbahnteststrecke auf, mit der sich verschiedene Beschleunigungsprofile nach„fahren“ lassen. Ziel des Projektes ist, die Theorie der konstant beschleunigten Bewegungen an dem Modell Kugelbahn zu entwickeln, Voraussagen für beliebige konstante Beschleunigungsprofile zu erstellen und zu überprüfen. Mit Hilfe der Eisenbahnteststrecke wird der Stoff spielerisch er„fahren“. Die Kugelbahn besteht aus fünf Segmenten. Das erste Segment ist zusätzlich mit der Startvorrichtung versehen. Alle fünf Segmente haben eine Länge von 400 mm und lassen sich sowohl horizontal als auch vertikal verschieben. Sie werden unabhängig voneinander mit einem Neigungs- bzw. Steigungswinkel versehen. Der Neigungswinkel bestimmt die Beschleunigung der Kugel, die Beschleunigung ist das zentrale Element des Projektes. Jedes Segment verfügt über zehn Reflexlichttaster, die zur Messwerterfassung dienen. Die Auswertung der Messwerte erfolgt über ein selbstentwickeltes Computerprogramm. Die Startvorrichtung des ersten Segments erlaubt die Einstellung verschiedener Startgeschwindigkeiten. Diese Kugelbahn ist damit universal einsetzbar und kann die klassische Luftkissenbahn ersetzen. Der zweite Teil des Projektes ist die Eisenbahnteststrecke. Eine etwa 2,5 Meter lange, gerade Eisenbahnstrecke wird auf derselben Grundplatte wie die Kugelbahn montiert. Die Eisenbahnstrecke verfügt ihrerseits über ebenso viele Messgeber wie die Kugelbahn, die mit demselben Computerprogramm ausgewertet werden. Die Steuerung der Eisenbahn erfolgt über einen Transformator per Hand. Ziel ist es, die mit der Kugelbahn aufgenommenen Beschleunigungsprofile mit der Eisenbahn nachzufahren. Der Zusammenhang von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Strecke in Abhängigkeit von der Zeit wird an der Strecke von den SchülerInnen selbst er„fahren“. Unser Partnerunternehmen SEMIKRON, mit dem wir schon seit Jahren äußerst erfolgreich zusammenarbeiten, hat uns sowohl bei der Projektfindung als auch bei allen auftretenden Problemen konstruktiv unterstützt. Begleitet wird unser Projekt von einem Firmenbesuch bei SEMIKRON. Der Einsatz des Modells soll als Motivationsgrundlage für den Unterricht dienen, Zusammenhänge, die mit den Schülern an einem Objekt erarbeitet werden können, erhöhen das Interesse an dem Stoff, der Stoff selber bleibt besser im Gedächtnis. Alle SchülerInnen haben neben ihren sonstigen schulischen Verpflichtungen freiwillig an dem Projekt teilgenommen. Seite 4 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung Ausgehend von dem Erlebnis Achterbahn werden konstant beschleunigte Bewegungen untersucht. Es wird ein Modell entworfen, geplant und gebaut, das eine hohe Flexibilität haben soll und im herkömmlichen Unterricht sinnvoll und ergänzend eingesetzt werden kann. An dem Modell sollen die theoretischen Grundlagen erarbeitet und evaluiert werden. Theorie und Praxis werden von den SchülerInnen gemeinsam erarbeitet. Der Bau der Kugelbahn ergänzt die fachpraktische Ausbildung (fpA). Die genaue Planung, Durchführung und Fertigstellung der Kugelbahn gilt es hierbei in die Praxis umzusetzen. Die Erkenntnisse des physikalischen und chemischen Praktikums können die Schüler einsetzen. SEMIKRON übernimmt den Entwurf und Bau der Eisenbahnteststrecke. Die Koordination zwischen Schule und Partnerfirma übernehmen die Schüler, die erfolgreiche Kommunikation ist dabei ein eigenes Ziel. Das Thema konstant beschleunigte Bewegungen kommt in den Lehrplänen der verschiedenen Schularten in verschiedenen Jahrgangsstufen immer wieder vor. An der Fachoberschule (FOS) nimmt dieses Thema in der 11. Klasse der technischen Ausbildungsrichtung im Fach Physik einen wichtigen Platz ein. Die Größen Zeit, Strecke und Geschwindigkeit sind in der Regel allen SchülerInnen sicher vertraut. Ziel ist es, den Zusammenhang zwischen diesen Größen zu vermitteln und die Beschleunigung als zentrale Ausgangsgröße zu bestimmen. Der erste Schritt ist die Beschreibung des Zusammenhangs zwischen der Zeit t und der Strecke x bei konstanter Geschwindigkeit. Wird der Neigungswinkel zu 0° gewählt, entspricht der Aufbau der Kugelbahn dem der Luftkissenbahn, die häufig im Unterricht vorgestellt wird. Der zweite Schritt ist der Übergang zu konstant beschleunigten Bewegungen. Bei der Luftkissenbahn wird die Beschleunigung über eine umgelenkte Gewichtskraft erreicht und entspricht der Erdbeschleunigung g. Der Versuchsaufbau Luftkissenbahn ist nicht variabel, eine Änderung der Beschleunigung an sich und während der Strecke x ist nicht möglich. Hier setzt das Projekt Achterbahn an. Zunächst werden alle Elemente der Bahn mit demselben Neigungswinkel versehen. Der Aufbau entspricht dem der Luftkissenbahn. Die Beschleunigung wird über die Hangabtriebskraft berechnet. Ist die Kräfteverteilung für einen Körper auf der schiefen Ebene nicht bekannt, muss diese erarbeitet bzw. wiederholt werden. Dabei werden die Winkelfunktionen und das Umformen von Gleichungen geübt – die Trigonometrie wird hierbei noch einmal anschaulich vertieft. Zunächst wird der Zusammenhang x ~ t² durch Versuche ermittelt. Der Proportionalitätsfaktor kann durch verschiedene Neigungswinkel erarbeitet werden. Neben dem Einsatz in der Physik 11. Klasse lassen sich auch Lehrplaninhalte der 12. Klassen, Ausbildungsrichtung Wirtschaft und Technik, umsetzen. Die schiefe Ebene, Kräfteplan, Reibung und Energieumwandlung können so anschaulich im Unterricht vertieft werden. Weitergehende Betrachtungen des Flächeninhalts unter dem Graphen bis hin zum Integrieren der Funktionen ermöglicht das Modell, der Einsatz im Mathematikunterricht ist durchaus vorstellbar. Seite 5 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn In einem dritten Schritt kann die Kugelbahn variabel gestaltet werden, so dass Elemente mit Steigung, Gefällen und geraden Stücken einander abwechseln. Verschiedene Beschleunigungsprofile sind somit im Experiment darstellbar. Die Aufgabe „Ein Auto beschleunigt, fährt mit konstanter Geschwindigkeit, beschleunigt und bremst Q“ lässt sich im Experiment überprüfen. Werden die aufgenommenen Messwerte ausgewertet, muss auf die Fehlerbetrachtung eingegangen werden. Hierbei wird den SchülerInnen klar, dass Theorie und Praxis erst durch Überlegung möglicher Fehlerquellen sinnvoll zusammengebracht werden können. Die im Lehrplan aller Schulen verankerten Kompetenzen wie Versuchsdurchführungen, wissenschaftliche Recherche, wissenschaftliche Protokolle usw. sind weitere wichtige Aspekte des Projekts. Die theoretische Auseinandersetzung mit dem Thema wird in verschiedene, von den SchülerInnen selbst gewählte Teilprojekte gegliedert. Wichtig hierbei ist, dass alle Gruppen nach dem gleichen Schema vorgehen, die Erstellung mit Versuchsprotokollen, Protokollen, Recherche wird dabei geübt. Den SchülerInnen soll dabei bewusst werden, wie wichtig eine einheitliche, nachvollziehbare Form und Dokumentation ist. Diese Fertigkeiten erarbeiten die Schüler in dem Fach Deutsch und dem physikalischen Praktikum. Dort wenden sie diese Fertigkeiten auch an. Auch die Notwendigkeit technischer Zeichnungen wird an dem Projekt von den SchülerInnen erlebt. Im Anhang sind die Ergebnisse der einzelnen Gruppen ausführlich dokumentiert. Die physikalischen Grundlagen werden von den Schülern selbstständig erarbeitet und können mit den Experimenten belegt werden. 3.2. Beschreibung der Projektarbeit Um sich dem Thema zu nähern, wird zunächst mit allen Schülern beim ersten Treffen eine Mindmap erstellt (Anhang 1: Mindmap). Die daraus gewonnenen ganz unterschiedlichen Aspekte teilen die Schüler selbstständig in einzelne Teilprojekte ein und übernehmen die Bearbeitung eigenverantwortlich. Folgende Themen ergeben sich: - Leitung und Koordination des Projektes (SchülerInnen und Lehrer) Entwerfen und Bauen der Kugelbahn (fpA Mechanik) Entwerfen und Bauen der Startvorrichtung (fpA Mechanik / Elektrotechnik) Entwerfen und Bauen der Schaltungen für die Lichtschranken (fpA Elektrotechnik) Entwicklung und Bauen der Eisenbahnteststrecke (SEMIKRON) Theoretische Grundlagen (SchülerInnnen) Entwicklung eines Auswerteprogramms (SchülerInnen und Lehrer) Inbetriebnahme und Test der Kugelbahn und Eisenbahnteststrecke (SchülerInnen) Entwerfen von Unterrichtseinheiten (Lehrer) Film (SchülerInnen) Präsentation (SchülerInnen) Die Projektarbeit gestaltet sich an der Fachoberschule zunächst schwierig, da alle SchülerInnen neu an der Schule sind und vor großen Herausforderungen von der schulischen Seite her stehen. Bedingt durch die Probezeitentscheidung zum Halbjahr und den vier- bis fünfwöchigen Wechsel zwischen Unterricht und fpA ist ein geordnetes Projektmanagement kaum zu koordinieren. Die Einhaltung des anfangs überlegten Zeitplanes ist daher nicht immer möglich. Seite 6 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Die Kugelbahn entsteht daher erst, nachdem die SchülerInnen das Thema Bewegung bereits im Unterricht vollständig durchgearbeitet haben. Das Projekt kommt also erst den folgenden SchülerInnen zu gute. Demgegenüber steht das bereits erworbene Wissen um die Größen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Strecke. Die theoretische Aufarbeitung gestaltet sich daher einfacher, die SchülerInnen sind mit der Materie bereits vertraut und können daher die Grundlagen zügig in die Praxis umsetzen. Der Anhang 2: Physikalische Grundlagen stellt die Theorie da. Sie dienen während des Projektes als Grundlagen für die Auslegung der Kugelbahn. Das Projekt nimmt seine endgültige Gestalt während des dritten Treffens der Gruppe zusammen mit den Auszubildenden SEMIKRONs an. Die Theorie der konstant beschleunigten Bewegung wird mit einer Kugelbahn praktisch umgesetzt und durch ein selbst erarbeitetes Computerprogramm graphisch dargestellt. Parallel zu der Kugelbahn soll das Bewegungsprofil von Hand nachge„fahren“ werden. Dazu baut SEMIKRON eine Eisenbahnteststrecke auf, auf der ein Zug per Hand (Transformator) beschleunigt, gebremst oder mit konstanter Geschwindigkeit gefahren werden kann. Das Computerprogramm soll ebenfalls das Bewegungsprofil des Zuges aufzeichnen und darstellen können. Die Auszubildenden von SEMIKRON haben den Versuchsaufbau in einer Skizze (Anhang 3: Konstruktionszeichnung, SEMIKRON und Anhang 4: Unterlagen SEMIKRON, Ideenskizze 3. Treffen) festgehalten. Der größte Meilenstein des Projektes ist die Fertigstellung des ersten Segments der Kugelbahn, damit alle bisherigen Überlegungen überprüft werden können. Ausgehend von der Skizze des Modells entwickeln die SchülerInnen den Prototyp des ersten Segments, zunächst ohne Starteinrichtung. Die zu bauenden Teile werden zunächst als ordentliche technische Zeichnungen festgehalten (Anhang 5: Technische Zeichnungen). Die technischen Zeichnungen werden im Unterrichtsfach Technisches Zeichnen allen SchülerInnen vorgestellt und besprochen. Vor allem am Projekt unbeteiligte SchülerInnen sehen die Notwendigkeit technischer Zeichnungen an diesem Beispiel in einem anderen Rahmen, Zitat Schüler: „Das hat ja tatsächlich einen Sinn, was wir hier machen.“ Das erste Segment soll später die Startvorrichtung enthalten. Das Segment ist länger als die anderen. Die Startgeschwindigkeit soll frei wählbar sein, so dass durch den voreingestellten Winkel des ersten Segments die Länge der Erstbeschleunigung variabel eingestellt werden muss. Um die Startlänge in Abhängigkeit des Winkels und der gewünschten Geschwindigkeit zu bestimmen, ist im Technologieunterricht eine Excel-Tabelle erstellt worden (Anhang 6: Excel-Tabelle für Startgeschwindigkeit). Der Bau des Modells ermöglicht es in der fachpraktischen Ausbildung der 11. Jahrgangsstufe der Fachoberschule die Ausbildungsinhalte des Lehrplans Metalltechnik anzuwenden und zu vertiefen: spanende Bearbeitungsverfahren, sägen, bohren, drehen, fräsen, reiben, räumen, Gewinde schneiden, senken, feilen verschiedener Metalle und Kunststoffe, Werkstücke formen, erfassen, messen und schrauben. Im Anhang 7: Bau Kugelbahn, Bericht mit Fotos findet sich ein Bericht des Baus des Modells, auftretende Schwierigkeiten werden beschrieben und Fotos verschiedener Arbeitsschritte angegeben. Die Ausbildungsinhalte im Bereich Elektrotechnik werden für den Bau der Lichttaster ebenfalls ergänzt und vertieft, insbesondere das Messen elektrischer Größen und Kenntnisse elementarer elektronischer Schaltungen. Zunächst müssen die SchülerInnen mit Hilfe des Datenblatts (Anhang 8: Datenblatt Lichttaster) die Voraussetzungen für den Bau der Lichttaster ermitteln, Die Schaltung wird zunächst auf einer Steckkarte aufgebaut und Seite 7 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn getestet. Abschließend muss die selbstgeätzte Platine so gestaltet werden, dass Platine und Kugelschiene zusammen passen (siehe Anhang 9: Bau Lichttaster, Bericht mit Fotos). Die Signale der Lichttaster werden an eine käufliche I/O Karte (Velleman P8055, siehe Anhang 10: USB Experimentier-Interface-Board) gegeben, die die Signale entsprechend aufarbeitet und über die USB-Schnittstelle an den Computer weitergibt. Ein selbst entwickeltes Computerprogramm wertet die Signale aus und stellt sie graphisch dar. Neben der Darstellung der Signale von Kugelbahn und Eisenbahnteststrecke kann ein Bewegungsprofil vorgegeben und simuliert werden, um dann das Ergebnis der Simulation mit der Realität zu überprüfen. Die zentralen Programmzeilen (Anhang 11: Programm (zentraler Teil)) der Simulation werden von den SchülerInnen und dem Lehrer gemeinsam aus der Theorie heraus entwickelt und mit der von ihnen erarbeiteten Theorie (Anhang 2: Physikalische Grundlagen) verglichen. Ein Screenshot der Programmoberfläche ist im Anhang 12: Screenshot Programm wiedergegeben, die Auflösung ist allerdings für die Darstellung über Beamer noch zu groß. Zentrales Anliegen eines Projektes stellt die Zusammenarbeit mit der Partnerfirma dar. SEMIKRON und die Max-Grundig-Schule arbeiten seit Jahren erfolgreich zusammen. Die Kommunikation Schüler-Auszubildende ist ein wichtiger Aspekt des Projekts. Die Schüler müssen die technischen Details mit den Auszubildenden besprechen und sich bei Problemen und Missverständnissen konstruktiv mit den Auszubildenden auseinandersetzen. Im Anhang 13: Unterrichtseinheit, 11. Klasse Physik, FOS wird ein Entwurf für den Unterricht im nächsten Jahr vorgestellt. Ergänzt wird er von einem Arbeitsblatt (Anhang 14: Arbeitsblatt Kugelbahn), welches die neue Kugelbahn vorstellt. 3.3. Aufgabenverteilung/Kommunikation Bereits bei dem ersten Treffen werden die Schüler auf die zu erstellende Dokumentation hingewiesen. Um eine einheitliche und gute Dokumentation sicherzustellen, werden Standards wie in den Protokollen des physikalischen Praktikums festgelegt. Nach der Aufteilung in Gruppen bearbeiten alle Schüler selbständig ihr Teilprojekt und stellen es bei den regelmäßigen Treffen den anderen Projetteilnehmern vor. Auftauchende Probleme werden miteinander besprochen und gelöst. Der Zeitumfang für die Bearbeitung variiert dabei zwischen den einzelnen Gruppen. Eine Gruppe übernimmt zusätzlich das Projektmanagement. Im Anhang befinden sich mehrere Protokolle (Anhang 15: Protokolle Sitzungen). 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug Das Partnerunternehmen SEMIKRON ist in dem Bereich der Leistungselektronik tätig und beschäftigt sich mit der Handhabung großer elektrischer Energien. Unser Projekt hat nur im übertragenen Sinn mit dem Kerngeschäft SEMIKRON zu tun, die Lokomotive der Eisenbahnteststrecke setzt keine nennenswerte Energie um, ein handelsüblicher Transformator reicht zur Steuerung aus. Ein Projekt von Anfang bis Ende zu bearbeiten stellt die Schüler vor eine besondere Herausforderung, wird doch im normalen Schulalltag Wissen meist nur abstrakt vermittelt. Die Frage „Wozu brauche ich das?“ kann oft nicht sinnvoll beantwortet werden. Etwas zu bauen, zu recherchieren und auch anfassen zu können stellt eine wesentliche Komponente des Lernens dar. Die Planung und Durchführung von Experimenten und die anschließende Überprüfung der zuvor erarbeiteten Theorie ist für das wissenschaftliche Handeln und Denken von entscheidender Bedeutung. Seite 8 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Die explizite Formulierung von Anforderungen wird leider selten geübt. Trotz der bekannten Anwendung stellt es eine oft überraschende Herausforderung für die Schüler dar, diese in Worte zu fassen. Auch im Arbeitsleben scheitern viele Projekte an mangelnder Klärung der Anforderungen. Aspekte, die auch im späteren Berufsleben wichtig sind, können anhand des Projektes gezielt geübt werden. Ein weiterer wichtiger Bezug zur Praxis kommt im Projekt zum Tragen. Die Schüler erschließen sich die Probleme anhand der gegebenen und selbst zusammengestellten Materialien selber. In der heutigen Arbeitswelt ist es unerlässlich, sich Themengebiete selbstständig zu erarbeiten und diese in Gruppen mit anderen umsetzen zu können. Über den gesamten Projektzeitraum bestand für die Schüler der Kontakt zu den Auszubildenden der Firma SEMIKRON. Die Erkenntnis „Ich kann etwas, was in der Industrie gemacht wird“ ist eine positive Erfahrung für Schüler. Im Anhang 16: Kommentare Schüler werden Schülerkommentare wiedergegeben. Seite 9 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, Arbeitsblätter, andere Unterlagen Anhang 1: Mindmap .............................................................................................................14 Anhang 2: Physikalische Grundlagen ...................................................................................15 Anhang 3: Konstruktionszeichnung, SEMIKRON..................................................................18 Anhang 4: Unterlagen SEMIKRON, Ideenskizze 3. Treffen ..................................................19 Anhang 5: Technische Zeichnungen ....................................................................................20 Anhang 6: Excel-Tabelle für Startgeschwindigkeit ................................................................23 Anhang 7: Bau Kugelbahn, Bericht mit Fotos .......................................................................24 Anhang 8: Datenblatt Lichttaster ..........................................................................................26 Anhang 9: Bau Lichttaster, Bericht mit Fotos ........................................................................27 Anhang 10: USB Experimentier-Interface-Board ..................................................................29 Anhang 11: Programm (zentraler Teil)..................................................................................30 Anhang 12: Screenshot Programm ......................................................................................31 Anhang 13: Unterrichtseinheit, 11. Klasse Physik, FOS .......................................................32 Anhang 14: Arbeitsblatt Kugelbahn ......................................................................................35 Anhang 15: Protokolle Sitzungen .........................................................................................37 Anhang 16: Kommentare Schüler .........................................................................................42 Seite 10 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 6. Quellen und Recherchen Die Recherche für das Projekt erfolgte im Wesentlichen über das Internet. Das Technologieund das Physikfachbuch wurden soweit wie möglich verwendet. Holler E. (Hrsg.), Technologie für die berufliche Oberschule, Verlag H. Stam GmbH, Köln 2001 Hammer, Krauth, Kühnel, Physik 11, Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH, München 1997 Kuchling H., Taschenbuch der Physik, Fachbuchverlag Leipzig – Köln, Leipzig 1995 Seite 11 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 7. Datum und Unterschrift Seite 12 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Für die sachliche Richtigkeit: Max-Grundig-Schule Fürth, den 5. Mai 2011 Seite 13 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 1: Mindmap Seite 14 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 2: Physikalische Grundlagen Abschnittsweise gleichmäßig beschleunigte Bewegung Versuch: In unserem Versuch lassen wir eine Kugel verschiedene, aneinandergereihte schiefe Ebenen, welche je dieselben Wegstrecken beinhalten, entlang rollen. Hierbei messen wir mit Hilfe von Lichtschranken die Zeit, die die Kugel für eine Teilstrecke (10 je Abschnitt) benötigt. Aus der Messung der Zeit, den Winkeln der Abschnitte in Bezug auf die Waagrechte und unserem physikalischen Grundwissen können wir im Nachhinein die Beschleunigung, die in den jeweiligen Abschnitten auf die Kugel wirkt, und die Geschwindigkeit der Kugel an jedem beliebigem Ort der Bahn berechnen. Um dies zu bewerkstelligen benötigen wir die Formeln der gleichmäßig beschleunigten Bewegung, die Beschreibung einer Kraft (nach Isaac Newton) und die grundlegenden Kenntnisse über lineare Gleichungen. Aus diesen Gegebenheiten können wir gleichmäßig beschleunigte Bewegung physikalisch beschreiben. Beginnen wir mit der 1. gleichmäßig beschleunigten Bewegung: Definition: Eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung ist eine geradlinige Bewegung, die durch eine zeitlich gleichmäßige Änderung der Geschwindigkeit gekennzeichnet ist. Hierbei ist die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeitintervall immer konstant. Die Beschleunigung kann sowohl in positiver also auch in negativer Richtung erfolgen. Zeit-Weg-Gesetz (gleichmäßig beschleunigte Bewegung) ଵ ଶ ݔሺݐሻ = ∗ ܽ ∗ ݐ² + ݒ ∗ ݐ+ ݔ • • • • • [1] x ist die Strecke in m a0 ist die Beschleunigung in m/s2 t ist die Zeit in s v0 ist die Anfangsgeschwindigkeit in m/s x0 ist der Anfangsweg in m Beginnt die Bewegung aus dem Stillstand und vom Anfangspunkt aus, vereinfacht sich die Formel zu: ଵ xሺtሻ = ଶ ∗ a ∗ t² [2] Seite 15 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz (gleichmäßig beschleunigte Bewegung) [3] ݒሺݐሻ = ܽ ∗ ݐ+ ݒ • • • • v ist die Geschwindigkeit in m/s a0 ist die Beschleunigung in m/s2 t ist die Zeit in s v0 ist die Anfangsgeschwindigkeit in m/s Beginnt die Bewegung ohne Startgeschwindigkeit, vereinfacht sich die Formel zu: ݒሺݐሻ = ܽ ∗ ݐ [4] 2. Kraft: Definition : Kräfte erkennt und beschreibt man anhand ihrer Wirkungen. Dazu ein paar Anhaltspunkte: • Eine Kraft kann die Bewegungsrichtung eines Körpers ändern • Eine Kraft kann die Geschwindigkeit eines Körpers ändern • Kräfte können andere Objekte zum Beispiel beim Aufschlag verformen • Eine Kraft wirkt in eine bestimmte Richtung (Stichwort: Vektor) Kräfte werden in Newton [N] angegeben, benannt nach Isaac Newton, der die Grundlagen zu Kräftegesetzen im 17. Jahrhundert entdeckte und aufschrieb. Statt 1 N kann auch 1 kg m/s2 geschrieben werden. Zudem gibt es noch einen Zusammenhang zwischen Kraft, Beschleunigung und Masse eines Körpers. Diese Kenntnisse werden auch als 2. Newtonsches Gesetz bezeichnet. 2. Newtonsches Gesetz: ܽ∗݉= ܨ • • • [5] F ist die Kraft in N m ist die Masse des Körpers in kg a ist die Beschleunigung in m/s2 Seite 16 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn 3. Schiefe Ebene: Definition: • Die Kraft FG ist die Gewichtskraft des Körpers. Diese berechnet sich aus Masse mal Erdbeschleunigung • FA ist die Hangabtriebskraft. Diese entspricht der Kraft, welche das Objekt nach unten rutschen lässt. • FN die Normalkraft. Diese entspricht der Kraft, welche das Objekt auf die Schräge drückt. • Je größer die Steigung, desto größer ist der Winkel α Kräfte berechnen: ݃ ∗ ݉ = ீܨ [6] ܨ = ݉ ∗ ݃ ∗ ߙ݊݅ݏ [7] ܨே = ݉ ∗ ݃ ∗ ܿߙݏ [8] • FG ist die Gewichtskraft in N • FA ist die Hangabtriebskraft in N • FN ist die Normalkraft in N • m ist die Masse in kg • g ist die Erdbeschleunigung, g = 9,81 m/s² • α ist der Winkel des Abschnitts in ° Lösen wir Gleichung [5] nach a auf und setzen sie zusammen mit [6] in Gleichung [3] ein. Die Geschwindigkeit nach je einem Abschnitt : =ݒ ிಲ ∗ ݐ+ ݒ = ݒሺ݃ ∗ ߙ݊݅ݏሻ ∗ ݐ+ ݒ [9] [10] Die Beschleunigung wird also nur durch den Winkel α bestimmt. Seite 17 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 3: Konstruktionszeichnung, SEMIKRON Seite 18 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 4: Unterlagen SEMIKRON, Ideenskizze 3. Treffen Ideenskizze Vision-Ing-Projekt Im Rahmen des Vision-Ing. Projektes 2011 wollen wir den Zusammenhang zwischen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Strecke darstellen. Dazu lassen wir vorerst eine Murmel eine Bahn entlang rollen. Diese Bahn besteht aus 5 Elementen, welche jeweils 400mm lang sind. Steigung, bzw. das Gefälle der einzelnen Elemente kann variabel eingestellt werden. Entlang der Murmelbahn befinden sich in den einzelnen Elementen alle 40mm eine Reflexionslichtschranke. Sobald die Murmel die Lichtschranke passiert, gibt diese ein Signal (high) an einen Signalwandler weiter. Von dort werden die Signale an den PC weitergegeben, wo mithilfe eines selbstentwickelten Programms zeitabhängige Kurvendiagramme erstellt werden. Hierbei ist also nicht wichtig, welche Lichtschranke in der Bahn reagiert, sondern nur der Zeitraum zwischen zwei Impulsen. Je größer t, desto langsamer die Murmel, je kleiner t, desto schneller die Murmel, z.B. t1 = 5 s, t2 = 4 s Murmel beschleunigt, t1 = 5 s, t2 = 6 s Murmel bremst ab. Das bisher Genannte wird zum größten Teil von den Schülern der Max-Grundig-Schule übernommen. Dazu gehört auch die Entwicklung des Programms. Des Weiteren wollen wir einen Zug über dieselbe Entfernung fahren lassen, die auch die Murmel zurückgelegt hat. Der Zug braucht zusätzlich Strecke zur ersten Beschleunigung bzw. zum Abbremsen. Auch an der Zugstrecke werden alle 50mm Sensoren (Reed Kontakte) angebracht, welche ebenfalls ihre Signale über den Signalwandler an den PC weitergeben. Die Steuerung des Zuges soll über einen Stelltrafo erfolgen. Somit soll nun „per Hand“ das im PC festgehaltene Kurvendiagramm der Murmelbahn nachgefahren werden. Den Aufbau der Zugstrecke übernehmen die Azubis der Firma SEMIKRON. Außerdem soll eine 4-stellige LED-Anzeige erstellt werden, auf der sowohl Geschwindigkeit als auch Beschleunigung und Strecke angegeben werden. Dies erfolgt entweder parallel 3 verschiedene Anzeigen, oder eine Anzeige für alle drei Werte (allerdings müsste dafür entweder die Anzeige umschaltbar sein oder es müssten automatisch in einer bestimmten Taktung die Werte durchwechseln. Das Messsignal bekommt die Anzeige über den PC. Auch der Aufbau der Anzeige wird von den Azubis der Firma SEMIKRON durchgeführt. Offene Fragen: • Welche Signale kommen an der Anzeige an, müssen diese noch gewandelt werden, und über was für Schnittstellen wird das Signal ausgegeben? • Welche Schnittstelle wird benötigt, um die Signale der Zugstrecke auf den PC zu übertragen? • Bekommt das bereits aufgebaute Gestell der Murmelbahn noch einen Unterbau (Rollen, Füße, o.ä.)? wer baut dieses? • Erstellen der Platinen sowohl für Murmelbahn als auch für Zugstrecke durch wen? Seite 19 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 5: Technische Zeichnungen Seite 20 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Seite 21 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Seite 22 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 6: Excel-Tabelle für Startgeschwindigkeit Seite 23 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 7: Bau Kugelbahn, Bericht mit Fotos Bauteil Aufnahme (Aluminium): Wir sägen zuerst das Material grob zu und bringen es anschließend auf Endmaß (100 x 100 x 10 mm). Anschließend fräsen wir rechts und links Material ab um einen mittigen, erhabenen Steg zu erhalten. Dieser hat eine Breite von 8.3 mm. Es werden zwei M4 Gewinde in die Platte eingebracht, an denen später das Bauteil Winkel angeschraubt wird. Dazu muss man erst die Kernlöcher bohren und anschließend das Gewinde schneiden. Nun wird eine Bohrung mit dem Durchmesser 6,1 mittig auf die erhobene Fläche gebracht, um die Aufnahmeplatte an dem Profil des Gestells zu befestigen. Bauteil Führung (POM-Polyoxymethylen) Das Rohrmaterial hat die Maße 36 x 30 x 27 mm. Dieses wird als erstes aus einer Stange passend gesägt. Nun werden durch fräsen drei Bezugsflächen erzeugt, die zueinander im rechten Winkel stehen. Das Werkstück bringen wir dann auf Endmaß (34 x 28 x 25), indem wir die gegenüber liegende Flächen auf Maß fräsen. Das Werkstück hat nun die oben angegebenen Maße. Die nächsten Arbeitsschritte sind das Ausfräsen der Nuten und der Schrägen, das Bohren des Kernlochs und anschließend das Schneiden des Gewindes. Als erstes machen wir uns daran, die Hauptnut zu fräsen. Diese hat die Maße 22 x18 x 25. Die Vorderseite wird mit zwei Ausklinkungen versehen, so dass eine Führung mit den Maßen 34 x 2 x13 entsteht. Zuletzt werden die beiden seitlichen Nuten gefräst. Diese dienen als Halterung für die Laufschiene. Die beiden Schrägen, die jetzt angebracht werden, dienen der Befestigung der Schiene, da diese eine Schwalbenschwanznut besitzt. Die Schrägen haben einen Winkel von 45°. Jetzt fehlt nur noch das Gewinde (M4) für die Befestigungsschraube. Dazu bohren wir erst das Kernloch und anschließend wird das Gewinde geschnitten. Die Führung ist nun fertig. Vorsicht: Viele Kunststoffe müssen mit Vorsicht bearbeitet werden. Arbeitsgänge wie Bohren, Fräsen, Gewindeschneiden müssen mit den entsprechenden Geschwindigkeiten gemacht werden, da das Werkstuck sonst zu schmelzen droht. Bei dem uns vorliegenden Material jedoch besteht keine Gefahr, da es ein recht harter Kunststoff ist, der eine hohe Schmelztemperatur (140°C) besitzt und sich hervorragend zerspanen lässt. Fertigung der Laufschienen Seite 24 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Bauteil Winkel: Um den Winkel der Laufschiene messen zu können, verwenden wir einen handelsüblichen Winkelmesser. Dieser muss lediglich mit drei Bohrungen versehen werden. Zuerst werden zwei Löcher mit einem Durchmesser von 4.5 mm gebohrt. Sie dienen zur Verschraubung mit dem Bauteil Aufnahme, das dritte Bohrloch (4 mm) befindet sich auf dem Schenkel und dient der Befestigung des Bauteils Führung. Bauteil Laufschiene(Aluminium): Auf der Laufschiene rollt später die Kugel. Die gesamte Bahn besteht aus fünf Einzelschienen, die jeweils eine Länge von 400 mm haben. Es müssen auf jeder Laufschiene 10 Löcher gebohrt werden. Durch diese erfassen die Lichtschranken die Kugel. Die Löcher haben einen Durchmesser von 15 mm und haben einen Abstand von 40 mm zueinander. Auch die Schwalbenschwanznut, welche zu Befestigung der Schiene auf der Führung dient, wird angebracht. Diese ist auf beiden Seiten der Schiene vorhanden und mittig. Die Nut hat eine Länge von 100 mm. Das Gestell ist von der Firma Minitec. Endmontage der Segmente Aufbau der Eisenbahn von Semikron Seite 25 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 8: Datenblatt Lichttaster Seite 26 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 9: Bau Lichttaster, Bericht mit Fotos Wie kann ich die Zeit messen? Na klar, Lichtschranken! Wenn man sich mit den physikalischen Formeln von Geschwindigkeit, Bewegung und zurückgelegtem Weg beschäftigt, stößt man unweigerlich auf die Zeit t. Will man das Ganze auch noch praktisch darstellen und ausarbeiten, ergibt sich wieder die Frage: „Woher nehme ich die Zeit?“ Nun, heutzutage ist das kein großes Problem mehr. Wozu wurden Lichtschranken erfunden?! Also geht man in ein Elektrogeschäft an das Regal mit den Lichtschranken und was findet man? Richtig! Lichtschranken in Hülle und Fülle. Doch was ist was? Einweg-Lichtschranke? Reflexions-Lichtschranke? Reflexions-Lichttaster? So viele verschiedene! Welche davon soll man nur nehmen??? Zunächst: Das Prinzip einer Lichtschranke ist immer gleich. Ein Lichtstrahl wird von einem Sender losgeschickt (und meist reflektiert). Der Empfänger empfängt das optische Signal und erzeugt ein Signal in Form eines elektrischen Impulses, wenn sich etwas am Ausgangszustand verändert. Dieser Ausgangszustand ist hierbei von Art zu Art unterschiedlich. Auch der abgegebene Impuls kann negativ oder positiv beschaltet sein. Man unterscheidet grob zwischen Einweg-Lichtschranke, Reflexions-Lichtschranke und Reflexions-Lichttaster. Einweg-Lichtschranke: Die Einweg-Lichtschranke beschreibt, wie der Name schon sagt, einen Weg. Sender und Empfänger werden so montiert, dass das Signal vom Sender direkt auf den Empfänger strahlt und somit die Elemente miteinander verbunden sind. Wird dieser Lichtstrahl unterbrochen, so schickt der Empfänger den Impuls los, der sich dann durch den gesamten Stromkreis fortpflanzt und z. B. eine Stoppuhr beschalten kann. Reflexions-Lichtschranke Bei der Reflexions-Lichtschranke befinden sich der Empfänger und der Sender nebeneinander. Gegenüber wird ein Reflektor aufgestellt, der den ausgesandten Lichtstrahl umlenkt und auf den Empfänger richtet. Wenn der bewegte Gegenstand nun vorbeikommt, wird der Reflektor bedeckt, folglich kommt also kein Licht mehr am Empfänger an. Reflexions-Lichttaster Der Reflexions-Lichttaster ist noch etwas einfacher aufgebaut als die Reflexions-Lichtschranke. Der Lichttaster hat auch nebeneinander den Sender und Empfänger. Doch statt des zusätzlichen Reflektors ist nun der bewegte Gegenstand als Reflektor eingesetzt. Kommt der Gegenstand, z. B. eine Metallkugel, zum Lichttaster, so reflektiert die Kugel das Licht und gibt damit das Signal an den Empfänger weiter. Hierbei ist aber zu beachten, dass der bewegte Gegenstand gut reflektieren kann. Metall oder eine helle Farbe sind also Grundvoraussetzungen. Wir vom Projekt Achterbahn verwenden den OPIC Light Detector IS471F von SHARP – einen Reflexions-Lichttaster. Da ein guter Reflektor gebraucht wird, verwenden wir eine Metallkugel als bewegten Gegenstand, die dann über eine Kugelbahn rollt. Seite 27 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Der Schaltplan wurde eigenhändig vom Team entwickelt und die Testplatine dazu geätzt, verlötet, eingebaut und auf Funktion getestet. getestet. Beim Bau verwenden wir SMD-Bauteile, wodurch 10 Lichttaster problemlos auf eine Platine kommen. Die endgültige Platine wird der Größe wegen von SEMIKRON gefertigt. Die einzelnen Signale der Lichttaster lassen dann einen Transistor nach dem anderen durchschalten. Das Signal der Lichtschranken wird auf die I/O-Karte (input/output) Velleman 8085 gegeben, die einen TTL-Pegel unterstützt. Die Betriebsspannung für die Lichttaster liegt zwischen 4,5 V und 16 V. zu den weiteren Detektoren aufgebaute Testschaltung +5 V TTL-Ausgang 0V Schaltplan Platinenlayout eingebauter Lichttaster, IR-Diode oben, IS471F unten Lötseite der Platine Seite 28 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 10: USB Experimentier-Interface-Board Schnittstelle zur Einspeisung des TTL-Signals USB Experimentier-Interface-Board Beschreibung Das Interface-Board hat 5 digitale Eingangs- und 8 Ausgangskanäle. Zusätzlich stehen noch 2 analoge Ein- und 2 Ausgänge mit einer 8 Bit Auflösung zur Verfügung. Die Anzahl der Einund Ausgänge kann noch weiter vergrößert werden, indem bis max. 4 Karten mit den USBAnschlüssen des PCs verbunden werden. Alle Kommunikationsprogramme sind in einer Dynamic Link-Library (DLL) K8055D.DLL gespeichert. Sie können maßgeschneiderte Windows® (98 SE, 2000, ME, XP) Applikationen in Delphi, Visual Basic, C++ Builder oder jedem anderen 32 Bit Windows®-Hilfsprogramm für Applikationen, die DLL unterstützen, schreiben. Ausstattung • Separater Eingangs-/Ausgangstest • Zähler-Funktion bei Eingängen 1 und 2 mit anpassbarer Entprellung • Säulendiagramm • 5 digitale Eingänge (0 = GND, 1 = offen. Test Tasten auf der Platine) • 2 analoge Eingänge mit Option für Dämpfung und Verstärkung (interner Test +5 V vorgesehen) • 8 digitale Ausgangsschalter mit offenem Kollektor (max. 50 V/100 mA, LED-Anzeige auf der Platine) • 2 analoge Ausgänge (0 bis 5 V, Ausgangswiderstand 1k5) oder PWM 0 bis 100% "offener Kollektor"-Ausgang (max. 40 V/100 mA. LED-Anzeige auf der Platine) • Allgemeine Konvertierungszeit: 20 ms pro Befehl. Lieferumfang • Diagnose-Software und DLL. Systemvoraussetzungen • Pentium-Klasse CPU • USB 1.0 oder höher • Windows® 98 SE oder höher (Win NT ausgeschlossen) • CD-ROM-Laufwerk. Technische Daten Betriebsspannung Über USB Stromaufnahme 70 mA Ausführung Bausatz Abmessung 88 x 145 x 20 mm (L x B x H) Seite 29 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 11: Programm (zentraler Teil) daten[1,1,1]:=2.0; daten[1,1,2]:=0.0; daten[1,1,3]:=0; daten[1,1,4]:=0.0; daten[1,1,5]:=0.0; //Messwerte Simulation //1,1,3: a Start //Messwerte Bahn //Messwerte Zug daten[1,2,1]:=6.0; daten[1,2,2]:=0; daten[1,2,3]:=0; daten[1,2,4]:=0.0; daten[1,2,5]:=0.0; //Messwerte Simulation //1,2,3: v Start //Messwerte Bahn //Messwerte Zug daten[1,3,1]:=10.0; daten[1,3,2]:=0; //Messwerte Simulation daten[1,3,3]:=0; //1,3,3: s Start daten[1,3,4]:=0.0; //Messwerte Bahn daten[1,3,5]:=0.0; //Messwerte Zug daten[1,4,1]:=14.0; daten[1,4,2]:=0; //Messwerte Simulation daten[1,4,3]:=0; //1,4,3: t Start daten[1,4,4]:=0.0; //Messwerte Bahn daten[1,4,5]:=0.0; //Messwerte Zug //t wird aus interner Uhr erzeugt //segment gibt das aktuelle Segment 1..5 an a:=daten[segment,1,3] ; v_alt:=daten[segment,2,3]; s_alt:=daten[segment,3,3]; t_alt:=daten[segment,4,3]; v:=a*(t-t_alt)+v_alt; s:=(0.5*a*(t-t_alt)*(t-t_alt)+v_alt*(t-t_alt)+s_alt)*100; if (s>(segment*40)) then begin segment:=segment+1; daten[segment,2,3]:=v; //in m/s daten[segment,3,3]:=s/100; //in cm daten[segment,4,3]:=t; //in m/s² if segment>5 then start:=false; end; Seite 30 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 12: Screenshot Programm Seite 31 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 13: Unterrichtseinheit, 11. Klasse Physik, FOS Geradlinige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit Versuch: Eine Murmel wird leicht angestoßen und rollt die ebene Bahn entlang, alle ∆x = 0,2 m wird die Zeit t gemessen. (Hinweis: Es soll der Weg in Abhängigkeit der Zeit ermittelt werden, messtechnisch bedingt wird aber die Zeit in Abhängigkeit vom Weg ermittelt, in der Tabelle wird dies gleich umgedreht.) v x t=0s 0,2 m t t x ∆x/∆t t x ∆x/∆t in s in m in m/s in s in m in m/s 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Auswertung: Der Quotient ∆x/∆t wird für alle Messwertpaare bestimmt. ݒ = ∆ݔ = ݇ݐ݊ܽݐݏ݊ ∆ݐ Die Geschwindigkeit v0 ist der Quotient aus der zurückgelegten Strecke ∆x und der benötigten Zeit ∆t. Daraus lässt sich folgende Funktion aufstellen: Zeit-Ort-Funktion ݔሺݐሻ = ݒ∗ ݐ Beide Funktionen x(t) (blau) und v0 (grün) werden in ein Diagramm eingetragen. Seite 32 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Geradlinige Bewegung mit konstanter Beschleunigung Versuch: Eine Murmel wird bei x = 0 m losgelassen und rollt die geneigte Bahn (α = 1°) entlang, alle ∆x = 0,2 m wird die Zeit t gemessen. Der Versuch wird mit einer Neigung der Bahn von α = 2° wiederholt. (Hinweis: Es soll der Weg in Abhängigkeit der Zeit ermittelt werden, messtechnisch bedingt wird aber die Zeit in Abhängigkeit vom Weg ermittelt, in der Tabelle wird dies gleich umgedreht.) a v x t=0s (nicht korrekt wiedergegeben) 0,2 m t t (1°) t (2°) x ∆x/∆t ∆v/∆t t (1°) t (2°) x ∆x/∆t ∆v/∆t in s in s in m in m/s in m/s² in s in s in m in m/s in m/s² 0,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,0 0,0 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Auswertung: Der Quotient ∆x/∆t wird für alle Messwertpaare bestimmt. =ݒ ∆ݔ ≠ ݇ݐ݊ܽݐݏ݊ ∆ݐ Der Quotient ∆v/∆t wird für alle Messwertpaare bestimmt. ܽ = ∆ݒ = ݇ݐ݊ܽݐݏ݊ ∆ݐ Die Beschleunigung a0 ist der Quotient aus der Geschwindigkeitsänderung ∆v und der benötigten Zeit ∆t. Seite 33 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Daraus lässt sich folgende Funktion aufstellen: Zeit-Geschwindigkeit-Funktion ݒሺݐሻ = ܽ ∗ ݐ Zeit-Ort-Funktion 1 ∗ ܽ ∗ ݐ² 2 Die Funktionen x(t) (blau), v(t) (grün) und a0 (rot) werden in ein Diagramm eingetragen. ݔሺݐሻ = Bestimmung von a0. Ohne äußere Krafteinwirkung bleibt ein Körper in Ruhe oder in einer geradlinigen gleichförmigen Bewegung. Kräfte verursachen eine Änderung des Bewegungszustandes (1. Newtonsches Gesetz). Das 2. Newtonsches Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung, es gilt: ܽ∗݉= ܨ FH FN FG α ݃ ∗ ݉ = ீܨ ܨே = ∗ ீܨcos α ܨு = ∗ ீܨsin α ܨு = ݉ ∗ ݃ ∗ sin α Die Beschleunigung a0 ist demnach ausschließlich vom Neigungswinkel α abhängig. Es gilt: ܨு ܽ = ݉ ܽ = ݃ ∗ sin α Seite 34 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 14: Arbeitsblatt Kugelbahn Geradlinige Bewegungen (violett mit SchülerInnen ausfüllen) Kräfteplan m FH FN FG α FG = m * g FH = m * g * sin α FN = m * g * cos α a0 = FH / m = g * sin α Versuchsaufbau Kugelbahn Versuch I: Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit t x ∆x/t in s in m in m/s 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0 Bestimmen Sie den Quotienten ∆x/∆t. Definition der konstanten Geschwindigkeit ݒ = ∆ݔ = ݇ݐ݊ܽݐݏ݊ ∆ݐ Zeit-Ort-Funktion ݔሺݐሻ = ݒ ∗ ݐ Versuch II: Bewegung mit konstanter Beschleunigung t (1°) t (2°) x ∆x/∆t ∆v/∆t in s in s in m in m/s in m/s² 0,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Bestimmen Sie die Quotienten v0 = ∆x/∆t und ∆v/∆t. Definition der konstanten Beschleunigung ܽ = ∆ݒ = ݇ݐ݊ܽݐݏ݊ ∆ݐ Zeit-Geschwindigkeit-Funktion ݒሺݐሻ = ܽ ∗ ݐ Zeit-Ort-Funktion ݔሺݐሻ = 1 ∗ ܽ ∗ ݐ² 2 Seite 35 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Seite 36 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 15: Protokolle Sitzungen Max-Grundig-Schule Staatliche Fachoberschule Fürth Niederschrift über das 1. Treffen der Vorbereitungsgruppe Vision-Ing21 im Schuljahr 2010/2011 am Dienstag , 9. November 2010 Ort : Beginn : Ende : Anwesend : Max-Grundig-Schule Fürth , Raum 129 13.15 Uhr 14.00 Uhr Mathias Hammerand (SEMIKRON), Martina Surer (SEMIKRON), Sven Behringer (SEMIKRON) Alexander Eidenhardt (FOS Fürth), Josef Iberl (FOS Fürth), Andreas Renau (FOS Fürth), Eckhard Höhl (FOS Fürth) sowie die Schüler der 11Tb und 11Td: Jens Schmidt, Waldemar Fink, Dennis Thamm, Batur Alp Töksöz, Miriam Memmel, Julian Schneider, Katrin Bartsch, Ilja Schljachtow Abwesend: Protokoll: Julian Schneider, Jens Schmidt Tagesordnung: 1. Beschreibung des Vision-Ing21 2. Über Semikron selbst 3. Wahl des Projektthemas „Beschleunigung“ 4. Ideensammlung für die Darstellung 5. Terminplanung Zu Top 1 : Herr Renau begrüßt die Schüler der 11ten Klassen, welche dieses Jahr am Vision-Ing21 Projekt teilnehmen. Er drückt seine Freude über das zahlreiche Erscheinen aus und hofft auf eine gute Zusammenarbeit. Anschließend erzählt Herr Renau Genaueres über Vision-Ing21. Vision-Ing21 ist ein Technik-Projekt von Schülern mit Hilfe von Lehrern. Dieses ausgewählte Projekt wird von den Schülern in Teilschritten selbst mitentwickelt und hergestellt. Die MaxGrundig-Schule hat bereits in Partnerschaft mit Semikron den Wettbewerb die letzten Jahre drei Mal in Folge gewonnen. Der Sinn des Projektes ist, dass die Schüler einen Einblick in die Technik bekommen und selbst dabei sein können, wie das Projekt entsteht. Zu Top 2 : Als nächstes stellen sich die Auszubildenden von Semikron vor und berichten kurz über Semikron. Mathias Hammerand, der Leiter der Ausbildungsabteilung, erklärt den Schülern, dass er sich auf die gemeinsame Zusammenarbeit freut, er wird später die Arbeiten begleiten. Martina Surer war früher auch auf der FOS in Fürth und arbeitet heute als Auszubil- Seite 37 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn dende bei Semikron. Sven Behringer, ebenfalls Auszubildender, erzählt uns nun etwas über Semikron und ihre Tätigkeitsbereiche. Semikron fertigt Bauelemente für Leistungselektronik. Semikron beschäftigt etwa 3600 Mitarbeiter weltweit. Semikron ist ein globales Unternehmen mit vielen Produktionsstätten im Ausland wie China, Italien und Frankreich und so weiter. Mittlerweile ist Semikron Marktführer bei der Herstellung von Dioden und Thyristor- Modulen. Also alles in allem ein großes Unternehmen, so fasste es Mathias zusammen. Zu Top 3 : Nach allen formalen Sachen wenden sich jetzt die Schüler und Lehrer der Auswahl des Projektthemas zu. Einige Projektvorschläge wurden bereits im Voraus gesammelt. Nach langer Diskussion einigen sich die Schüler und die Lehrer auf das Unterrichtsthema Beschleunigung. Die Schüler sind sich alle einig, dass das Projekt das Thema besonders gut veranschaulichen soll, also mehr Praxis als Theorie. Zu Top 4 : An der Tafel werden nun Ideen zum Projekt Beschleunigung in Form einer Mindmap gesammelt. Es werden Vorschläge wie Achterbahn oder Carrerabahn und viele weitere sinnvolle Vorschläge notiert. Herr Renau weist daraufhin, dass es nicht technisch extrem aufwendig sein darf, sondern technisch realisierbar sein sollte. Die Schüler finden den Vorschlag Kugelbahn am besten und wählen diesen als Projektvorstellung. Sie versprechen weitere Ideen zu sammeln, um das Projekt zu erweitern. Zu Top 5 : Herr Renau verabschiedet die Schüler und sagt ihnen, dass das nächste Treffen kurzfristig ausgemacht wird. Unterschrift der Protokollanten: ____________________________________ Max-Grundig-Schule Staatliche Fachoberschule Fürth Seite 38 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Niederschrift über das 3. Treffen der Projektgruppe Vision-Ing21 im Schuljahr 2010/2011 am Dienstag, den 7. Dezember 2010 Ort : Max-Grundig-Schule Fürth , Raum 129 Beginn : 13.15 Uhr Ende : 14.00 Uhr Anwesend : Mathias Hammerand, Martina Surer, Sven Behringer (SEMIKRON) Alexander Eidenhardt, Josef Iberl, Andreas Renau (FOS Fürth) sowie die Schüler der Klassen 11Tb und 11Td: Adrian Gramß, Jens Schmidt, Waldemar Fink, Dennis Thamm, Batur Alp Töksöz, Miriam Memmel, Julian Schneider, Linda Sproßmann, Julian Stahringer, Katrin Bartsch, Ilja Schljachtow, Parfait Fejou Abwesend: Eckhard Höhl (FOS Fürth) Protokoll: Julian Schneider, Jens Schmidt Tagesordnung: 1. Projekterläuterung 2. Arbeitsverteilung 3. Terminplanung TOP 1: Nach der herzlichen Begrüßung der Teilnehmer durch Herrn Renau wurde die Thematik des Projektes den neu hinzu gekommenen Schülern vorgestellt und der genaue Ablauf des Projektes besprochen. Die Thematik Beschleunigung, welche momentan in der 11 Klasse in Physik durchgenommen wird, soll an einer Kugelbahn und einer Eisenbahn gezeigt werden. Eine Kugel soll mit einer Anfangsgeschwindigkeit v eine Bahn mit verschiedener Steigung und damit auch verschiedener Beschleunigung durchlaufen. An festgelegten Punkten auf der Bahn werden Lichtschranken installiert, welche ein Signal direkt auf einen Computer liefern. Mit Hilfe dieser Signale wird ein Programm genau die Beschleunigung zu bestimmten Zeiten berechnet und übersichtlich darstellen. Parallel zur Kugelbahn wird die Eisenbahn aufgebaut. Schüler können dann versuchen mit der Eisenbahn das Bewegungsprofil der Kugel genauso nachzufahren. Das Projekt soll den Schülern zeigen, was Beschleunigung ist und wie sie dargestellt werden kann. Die Kugelbahn und deren benötigte Materialien werden in unserer eigenen Werkstatt gefertigt, ebenso die Platinen für die Lichtschranken. Seite 39 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Die Schüler des Projektes können sich vorstellen, dass der Aufbau auch den kommenden Schülern der Technik-Klassen im Physikunterricht helfen wird, Beschleunigung besser zu verstehen und dies anhand der Eisenbahn selbst zu testen. Die Eisenbahn wird von SEMIKRON gekauft und die passenden Gleise in deren Lehrwerkstätten hergestellt. TOP 2: Aufteilung der einzelnen Teilarbeiten: Adrian Gramß Jens Schmidt Waldemar Fin Dennis Thamm Batur Alp Toksöz Julian Schneider Julian Stahringer Katrin Bartsch Parfait Fejou Linda Sproßmann Miriam Memmel Ilja Schljachtow Zeichnungen Protokoll Physikalische Grundlagen Physikalische Grundlagen Physikalische Grundlagen Mindmap, Protokoll Mindmap Bericht Bau Lichtschranke Bericht Bau Werkstatt Präsentation/Film Präsentation/Film Präsentation/Film TOP 3: Weitere Terminplanung: Nächste Ziele: - Fertigstellung des ersten Segments, März 2011 Zusammenstellung der Projektunterlagen, April 2011 Film, April/Mai 2011 Präsentation,Ende Mai 2011 Nächsten Treffen: spontan, nach Lage der Dinge Julian Schneider, Protokoll Seite 40 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Max-Grundig-Schule Staatliche Fachoberschule und Berufsoberschule Fürth Niederschrift über das 5. Treffen der Vorbereitungsgruppe Vision-Ing21 im Schuljahr 2010/11 am 1. März 2011 Ort: Beginn: Ende: Anwesend: Abwesend: Protokoll: Tagesordnung: Max-Grundig-Schule Fürth, Raum 318 13.15 Uhr 14.00 Uhr Martina Surer, Sven Behringer (SEMIKRON) Alexander Eidenhardt (MGS), Josef Iberl (MGS), Andreas Renau (MGS) sowie die Schüler der Klasse 11 Tb und 11Td: Adrian Gramß, Jens Schmidt, Waldemar Fink, Dennis Thamm, Batur Alp Töksöz, Miriam Memmel, Julian Schneider, Linda Sproßmann, Julian Stahringer, Katrin Bartsch, Ilja Schljachtow, Parfait Fejou Eckhard Höhl (MGS) Jens Schmidt 1. 2. 3. Bericht Semikron Bericht MGS Film, sonstiges Zu TOP 1 : Nachdem Herr Renau den Schülern den Ablauf des Projektes erklärt hat, berichtet SEMIKRON von den ersten Erfolgen in deren Werkstatt. Die entsprechende Eisenbahn mit der Spurgröße HO und die passenden Gleise wurden bereits gekauft. Ebenso führte SEMIKRON erste Tests über die benötigte Fahrzeit für die Strecke durch. Den Schülern werden Bilder aus den Lehrwerkstätten gezeigt, um die Arbeitsverhältnisse bei SEMIKRON zu zeigen. Die Schüler waren sehr begeistert, wie technisch gut ausgestattet die Werkstätten von SEMIKRON sind, und baten um eine Werksführung, soweit dies möglich wäre. Die Schüler äußern den Wunsch, an die Lok einen Waggon dranzuhängen. SEMIKRON versprach ihnen, sich zu bemühen, den Wunsch der Schüler zu realisieren. Zu TOP 2 : Parfait berichtet über die ersten Schritte beim Bau des ersten Segmentes, Katrin hat sich mit der Schaltung zur Lichtschranke beschäftigt und bereits als frei verdrahtete Schaltung getestet. Herr Renau mahnt zur Eile. Zu TOP 3 : Zur Veranschaulichung des Projekts brachten die Schüler Ideen für einen Kurzfilm ein. Die dazu benötigten Materialien und technischen Geräte stellt die Max-Grundig-Schule zur Verfügung. Herr Renau erklärte den Schülern, sie seien in der Darstellung vollkommen frei, solange es was mit dem Thema zu tun hat. Die Schüler werden sich Ideen zum Film überlegen und diese dann beim nächsten Treffen vorstellen. Nächstes Treffen: 15. März 2011 Jens Schmidt, Protokoll Seite 41 von 42 Schule: Max-Grundig-Schule Fürth, FOS Partner-Unternehmen: SEMIKRON Altersklasse: 16++ Thema: Achterbahn Anhang 16: Kommentare Schüler Katrin Bartsch Die Arbeit im technischen Praktikum an der FOS ist sehr interessant. Leider aber fehlt dabei das gewisse Etwas. Wir machen zumeist Sachen, die schon 100 andere Schüler vor uns auch gemacht haben. Das Äußere von Projekten ist vorgegeben, uns werden Unterlagen gegeben, die bestimmte Maße angeben, die eingehalten werden müssen. Wie ein Schraubstock in der Metallwerkstatt zu fertigen ist, ist vorgegeben. Vision-Ing21 gibt mir persönlich die Chance meinen Kopf einzuschalten und mitzudenken. Auch die Teamarbeit ist toll. Ideen suchen, finden und kombinieren ist etwas Neues. Sich Gedanken zu machen, was zu tun ist und was verbessert werden kann. Durch Vision-Ing21 wird bei uns an der Schule ein Einblick in den Ingenieurs-Beruf gegeben und es ist wahnsinnig aufregend, immer neue Möglichkeiten zu haben, das eigene Projekt umzugestalten und noch besser zu machen. Für mich ist das Projekt eine Herausforderung und eine Möglichkeit meine im Praktikum gelernten Fähigkeiten einzusetzen und noch mehr über Arbeitsweisen im Ingenieur-Beruf zu lernen. Adrian Gramß Mein erfinderischer Ideenreichtum gab mir den Anlass am Vision-Ing21-Projekt teilzunehmen. Ich habe mir darunter erfolgreiche Zusammenarbeit mit den Teamkollegen (Lehrern und Schülern sowie Auszubildende und deren Ausbilder von Semikron) und gemeinsam durch Teamarbeit von einem Anfang bis zu einem produktiven Ergebnis zu kommen, vorgestellt. Diese Vorstellungen wurden voll und ganz umgesetzt. Darüber hinaus wurden Fähigkeiten zum selbstständigen, verantwortungsvollen Arbeiten und Kompromissfähigkeit vermittelt. Julian Schneider Die meisten Schüler sitzen von morgens bis abends in der Schule und lernen theoretischen Stoff, den sie später einmal beim Studieren brauchen werden. Das Vision-Ing21 Projekt ist genau das Gegenteil, dort arbeiten die Schüler selbstständig an einer Aufgabe. In einem Team lösen sie Probleme und arbeiten an einem Ziel. Die Treffen waren nicht nur lustig, sondern man hat auch viel gelernt über Zusammenarbeit und Teamwork. Man konnte selbst sehen, wie das Projekt begann, sich immer weiter entwickelte über Fertigung, Planung und sonstiges, bis zum Endprodukt. Vision-Ing21 hat mich bestätigt in meinem Wunsch später mal einen technischen Beruf auszuüben. Ich bin sehr froh, dass ich teilgenommen habe und würde es jedes Jahr wieder tun. Martina Surer, Dominic Birkicht, Hannes Bauer, Alexander Sommer, Sven Behringer, Marco Ebner (alle SEMIKRON) Das Vision-Ing-Projekt war für uns Azubis die perfekte Gelegenheit, ein Projekt selbst mit zu betreuen und zu verfolgen. Außerdem konnten wir unsere bereits vorhandenen Kenntnisse anwenden und erweitern. Desweiteren lernten wir verschiedene soziale und betriebliche Kompetenzen kennen. Diese beinhalteten die anfängliche Ideenfindung, die Kommunikation zwischen Lehrer, Schüler und Azubis bis hin zur Umsetzung, Änderungen und Fertigstellung des Projekts. Aus dem Projekt nahmen wir somit wichtige Erfahrungen mit, welche wir im weiteren Berufsleben sicher gut nutzen können. Natürlich hat uns das Vision-Ing-Projekt durch die Zusammenarbeit mit den Schülern in einem Team viel Spaß gemacht und Abwechslung in das Berufsleben gebracht. Seite 42 von 42
