Защо телата се движат? Можем ли да ги накараме да се движат в определена посока и с определена скорост? Приемаме движението на телата за даденост, но всъщност то зависи от множество фактори, които го определят. С този забавен STEM проект изследвайте как съхранената в телата потенциална енергия може да се преобразува в енергия на движението. Готови ли сте да опитате?

Същност на проекта

В този STEM проект учениците изследват силите, които действат на тяло в покой и го задвижват. Изработват прост механизъм с макара, задвижвана от вътрешна за системата сила. След това тестват движението на макарата при различни условия. Измерват пътя и скоростта на движение, изчисляват скоростта и обясняват причините за наблюдаваните разлики, в зависимост от промените в дизайна.

Учебни цели

В работата по този STEM проект са заложени следните учебни цели:

  • изследване на законите на Нютон;
  • измерване на физични величини;
  • изчисляване на скоростта на движение на телата.

Учебни умения

  • развиване на критично и аналитично мислене;
  • работа в екип.

Необходими материали

За този STEM проект учениците ще имат нужда от следните материали:

Теоретична постановка

Тази STEM дейност цели прилагане на научни идеи за проектиране, тестване и усъвършенстване на устройство, което преобразува енергия от една форма в друга, както и откриване на обяснение, свързващо скоростта на обект с неговата енергия.

За да могат да се движат, превозните средства трябва да преодолеят силите, които ги задържат на място. Това са най-вече гравитацията и триенето. За да ги преодолеят, превозните средства генерират собствени сили. Енергията може да се съхранява и всички обекти имат способността да го правят. Например батериите са проектирани да съхраняват електрическа енергия и могат да бъдат включени с едно натискане на превключвател. Дори поставянето на молив върху бюро увеличава неговата потенциална енергия. Ако бюрото падне, съхранената енергия ще се превърне в кинетична енергия, енергията на движението.

Има различни видове енергия. Моливът на бюрото или камъкът, поставен на върха на хълм, притежава това, което учените наричат гравитационна потенциална енергия. Връзките, които държат горивните атоми заедно, съхраняват химическа потенциална енергия. Ластикът, който задвижва състезателната макара в този STEM проект, съхранява енергията, необходима за нейното навиване. Това учените наричат еластична потенциална енергия. Когато ластикът се освободи, той се връща в естественото си състояние, преобразувайки съхранената енергия в кинетична енергия, използвана за задвижване на макарата напред.

Ход на проекта

Подготовка

  1. За този STEM проект ще ви бъдат необходими няколко различни макари - по една за всяка работна група. Използването на макари, изработени от различни материали и с различни размери, е препоръчително, тъй като позволява да се изследва как характеристиките на обектите влияят върху движението им при сходна задвижваща сила.
  2. Подгответе също тестова площадка, където да изпробвате движението на макарите. В единия край на площадката маркирайте стартовата линия с помощта на хартиено тиксо. Поставете шивашки метър по дължината на площадката, започвайки от стартовата линия. 

Експериментална част

Разделете учениците в групи по трима или четирима. Всеки екип ще направи експеримента, като използва различен вид макара. Раздайте на учениците по един работен лист за изследване на движението на телата, в който да записват получените резултати и направените наблюдения.

  • За начало, учениците трябва да промушат един ластик през дупката в центъра на макарата, така че двата му края да се подават от срещуположните й страни. След това през единия край на ластика се провира клечка за зъби, за да не може ластика да се извади.
  • Краищата на клечката за зъби се отчупват до ръба на макарата, така че да не ѝ пречат да се търкаля свободно. 
  • От срещуположната страна на макарата свободния край на ластика се издърпва, за да може клечката за зъби да бъде притисната плътно до макарата. За да не се размества по време на състезанието, клечката се фиксира към макарата с парче тиксо.
  • На свободния край на ластика се нанизва метална шайба и се избутва до макарата. След това се промушва молив и започва да се върти докато ластикът се усуче до такава степен, че моливът да не може да се завърти повече.
  • Макарата, заедно с молива, се поставя на стартовата линия и се оставя да се движи свободно. Засича се време за движение. Учениците наблюдават как се движи макарата и измерват изминатото разстояние. В работния лист за изследване на движението на телата се записват времето за движение, изминатия път и вида на траекторията.
  • На база измерените величини, учениците трябва да изчислят скоростта на движение на макарата.
  • Моливът се изважда от ластика, нанизва се още една метална шайба, след което моливът отново се промушва и се навива до край.
  • Измерването на пътя и скоростта на движение се повтаря. Наблюдават ли се промени? Резултатите се записват в работния лист.
  • За следващия тест учениците трябва да извадят молива от ластика, след което да оформят примка и да промушат молива през нея. Експериментът се повтаря, а получените резултати се записват в работния лист. Как се промени движението на макарата?
  • Възложете на учениците да измислят начин да накарат макарата да се движи в права линия и да увеличи скоростта си. Ако са наблюдавали внимателно проведените експерименти, вероятно им е направило впечатление, че добавянето на метални шайби увеличава скоростта на движението. Ако добавят още две шайби от страната на клечката за зъби, макарата ще се движи още по-добре. Колкото до посоката на движение, макарата се отклонява по посоката на молива. Ако клечката за зъби се замени с втори молив, траекторията на макарата ще се промени. 

Заключителна част

Всяка от работните групи представя получените резултати за посоката и скоростта на телата. Сравнете резултатите и определете коя от макарите се е движила най-бързо и коя - най-бавно. Кои са факторите, които влияят върху скоростта им?

Дискутирайте каква е ролята на ластика в тази дейност и как той помага на макарата да се движи.

Възможности за усложняване на проекта

  • Пробийте дупка през малка стиропорена топка. Промушете ластик през отвора и го застопорете по указания начин. Вместо молив на свободния край на ластика се навива клечка за зъби. След това топката се поставя в купа с вода и се освобождава. Движи ли се топката? Ще се промени ли движението, ако клечката за зъби се замени с плоска дървена бъркалка със сходни размери?
  • Направете състезание със собственоръчно направени автомобили от паста.

С помощта на този забавен и интересен STEM проект можете да въведете учениците в процеса на инженерно проектиране и да ги запознаете с някои основни принципи в конструирането и механиката. Освен че забавлението и работата в условията на взаимопомощ и сътрудничество са гарантирани, в процеса на работа учениците развиват наблюдателност и умения за решаване на проблеми. И накрая, но в никакъв случай на последно място по важност, учениците откриват реално приложение на изучаваните научни концепции, което повишава интереса им към науката и ангажираността им в учебния процес. Не се чудете повече, а грабвайте макарите и хайде на състезание!

За статията е използван следния ресурс, който е допълнен с личния опит на автора:

STEM Activities for Third Graders | STEMcadia