Възможно ли е да бъде построена кола, задвижвана само от въздух? С помощта на този забавен и интересен експеримент можете да ангажирате вниманието на вашите ученици върху законите на физиката или по-конкретно - върху третия закон на Нютон.
Същност на експеримента
Целта на дейността е да се проектира и построи автомобил, задвижван единствено от въздуха, излизащ от балон. Освен това автомобилът трябва да е изработен от точно определени материали и да отговаря на редица други изисквания. Можете да измислите свои собствени изисквания за дизайн, но ето някои предложения:
- колата трябва да е здрава и да не се разпада при движение;
- да се движи направо;
- да изминава определено минимално разстояние;
- да може да пренесе определен товар от точка А до точка Б.
Учебни цели
След края на проекта учениците трябва да могат да:
- обясняват третия закон на Нютон и проявлението му в текущия експеримент;
- обясняват какви фактори влияят върху изминатото от автомобила разстояние;
- аргументират направени промени в дизайна на автомобила след тестването на прототипа;
- обяснят какво означава “ограничения в дизайна”;
- изчисляват средна скорост на движение на автомобилите.
Ключови компетентности
В хода на работа учениците развиват следните ключови компетентности:
- работа в екип;
- критично мислене;
- анализиране на резултатите;
- творческо решаване на проблемите;
- даване и приемане на конструктивна обратна връзка.
Необходими материали
За провеждането на експеримента учениците ще имат нужда от следните материали:
- Хартия и молив за писане на планове за дизайн;
- Балони;
- Хартиени или пластмасови сламки;
- Ножици;
- Тиксо;
- Пластелин;
- Четири кръгли предмета за колела (напр. капачки от бутилки за вода, компактдискове)
- Материали за шасито (напр. пластмасова бутилка за вода, празна кутия от сок, дървени шишчета и др.);
- Ролетка;
- Работни листове за създаване на инженерен дизайн;
- Работни листове за тестване на прототипите.
Необходими знания и умения
- Да могат да използват ролетка или линия за измерване на разстояние;
- Да имат представа за основните стъпки в инженерния процес;
- Да имат основни познания за силите, които действат върху обектите;
- Да познават третия закон на Нютон.
Теоретична постановка
Какво се случва, когато надуем балон и го пуснем без да го завържем? Въздухът бързо излиза от балона и той започва да лети из цялата стая. Това е така, защото, когато надуваме балон, ние увеличаваме налягането на въздуха вътре в него. Въздушното налягане разтяга материала на гумения балон, точно като разтягане на ластик. По този начин се натрупва потенциална енергия, която “чака” да бъде освободена.
Когато пуснем балона, гумата се свива и въздухът бързо се изтласква от отвора му. Потенциалната енергия вътре в балона се преобразува в кинетична енергия или енергия на движение на бързо излизащия през отвора въздух. Тъй като въздухът се изтласква бързо назад, има сила на реакция, която избутва балона напред. Този принцип идва от третия закон за движението на Нютон, който гласи: “Всяко действие има равно по големина и противоположно по посока противодействие”.
Когато просто оставим балон да се движи сам, той лети произволно из стаята и е почти невъзможно да се управлява. Въпреки това, когато го прикрепим към автомобил, можем да впрегнем енергията на балона, за да задвижим колата напред! Инженерната цел в този експеримент ще бъде да се проектира, построи и тества автомобил, който се задвижва само по посочения начин.
Безплатен бюлетин с ресурси
Запиши се, за да получаваш всяка седмица практични ресурси и идеи
Ход на експеримента
Въведение
1. Запознайте учениците с целите на проекта - учениците трябва да проектират кола, която може да се задвижва от балон, като спазват следните ограничения към дизайна:
- Като градивни елементи могат да използват следните материали: един балон, сламки, тиксо или лепило, глина, парчета гъба и четири кръгли предмета за колела.
- Могат да включат не повече от пет допълнителни вида домакински материали, при условие, че са рециклируеми.
2. Раздайте на всеки ученик по един работен лист за създаване на инженерен дизайн. Разгледайте основните стъпки в него. Обърнете внимание на учениците, че рядко се постигат максимално добри резултати от първия опит.
3. Разделете учениците в групи по трима или четирима. Формирайте групите, така че да имат равни шансове за успех.
Планиране
След като всички групи се запознаят с основните цели, изисквания и предизвикателства, учениците трябва да планират изграждането на своите прототипи.
- Всеки ученик трябва да запише в работния си лист за създаване на инженерен дизайн някои основни идеи, които има за дизайна на автомобила и да направи скица, с която да ги представи. След това учениците от всяка група трябва да дискутират идеите и скиците си, да ги комбинират и да изготвят вариант за дизайн, който да удовлетворява целия екип. По желание, можете да позволите на учениците да потърсят в интернет изображения на автомобили, задвижвани от балон, които да използват като вдъхновение за собствения им дизайн.
- Следващата стъпка е учениците да определят какъв вид материали да използват за всеки от компонентите на автомобила. Най-общо, той е съставен от три основни части:
- тяло на колата (парче картон или пластмасова бутилка);
- колела на автомобила (компактдискове или пластмасови капачки от бутилки);
- оси, които свързват колелата с тялото и позволяват на колелата да се въртят (дървени шишове или сламки).
Изработване на прототип
На база направената скица учениците трябва да създадат прототип на своя автомобил. Уверете се, че всички ученици работят безопасно. Наблюдавайте процеса и оказвайте подкрепа на учениците, които имат нужда.
Тестване на автомобилите
Следващият особено важен момент е тестването на прототипите. Подгответе учениците си за вероятността от незадоволително представяне или дори счупване на пробните модели. Обяснете им, че това често се случва на всички инженери. Тестването на прототипите има за цел да покаже слабите места на изделието и възможностите за подобряването му.
- Пуснете автомобилите да се движат по равна повърхност и измерете разстоянието, което изминават с ролетка.
- Раздайте на всеки екип по един работен лист за тестване на прототипите. В него учениците трябва да запишат теглото на автомобилите, посоката и времето им на движение, както и да изчислят скоростта на движение.
- Всеки екип трябва да наблюдава внимателно движението на автомобила си. Отговаря ли на посочените изисквания? Здраво ли са закрепени частите му? Изминава ли разстоянието, което учениците са очаквали? По какъв начин може да бъде подобрен дизайнът? Направените наблюдения, изводи и идеи трябва да бъдат отбелязани в работните листове за инженерен дизайн.
Подобряване на дизайна и повторно тестване
Учениците трябва да модифицират автомобила си, като подобрят онези негови части, които не изпълняват добре функциите си, след което да направят повторни тестове. Резултатите се нанасят в работните листове за тестване на прототипите.
Дискусия
Какви изводи могат да направят работните групи за движението на проектираните автомобили? Кога те изминават най-голямо разстояние? От какви фактори зависи представянето на прототипите?
- Организирайте дискусия, с помощта на която учениците да установят по какъв начин конструкцията на най-добре представилият се автомобил му е дала предимство.
- Помолете всеки екип да разкаже как е използвал резултатите от тестовете на прототипа, за да подобри дизайна на автомобила си. Ако имаха право да направят още промени на автомобилите си, какви щяха да бъдат те?
Колите, задвижвани от балон, са забавни за конструиране и още по-забавни за игра. Освен това те могат да оживят часа ви и да помогнат за създаване на положителна нагласа към физиката. Допълнителен бонус е развиване на умения като работа в екип, творческо и критично мислене. Непременно опитайте и вие!
За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора:
Make a Balloon Powered Car | Science Project (sciencebuddies.org)
