Den här lektionen fokuserar på konstruktionsprocessen och momenten på att eleven ska identifiera en forskningsfråga, utveckla eller förändra en design, testa den valda designen, observera och samla in data, analysera data som registrerats från experimentet samt dra en slutsats för att sedan upprepa konstruktionsprocessen med eventuella förbättringar. I denna lektion är målet att maximera den spänning som erhålls från en vinddriven turbin genom att göra flera experiment.
Se gärna följande videoklipp för att lära dig mer om STEM (Naturvetenskapliga ämnen, teknik och matematik) och konstruktionsprocessen.
Instruktioner för att skapa ett vindkraftverk
Läraren bör själv skapa ett vindkraftverk för att prova innan lektionen genomförs. Följande instruktioner, inkl. videon nedan, är ett förslag på grundläggande tillvägagångssätt för lärare i förberedandet av lektionen och i byggandet utav sin egen generator.
- Creating a Wind-powered Electrical Generator
Klipp ett hyfsat brett sugrör så att det blir 2 cm långt och tryck igenom ett träspett genom sugrörets långsidor så att spettet kommer ut på andra sidan. Se till att ungefär lika mycket spett sticker ut från båda sidor utav sugröret. Gör samma sak med ytterligare ett spett, men se till att sätta det vinkelrätt mot det första spettet . Det två centimeter långa sugröret ska då bilda ett nav, där spetten korsas i mitten. Nu har du skapat din turbin, men utan blad.
Använd en penna och linjal för att rita blad på papperskort av lite tjockare papper. När du ritar bladen, tänk på att målet med uppgiften är att maximera spänningen som senare kommer att läsas av på voltmätaren. För att uppnå detta måste axeln på turbinen snurra snabbt. Hypotetiskt innebär det att desto mer vind bladen kan fånga upp, desto snabbare kommer turbinen att snurra vilket i sin tur genererar mer ström och mer spänning. Tejpa fast dem tillklippta pappersbitarna på spetten så att de utgör bladen på turbinen. Kom ihåg: för att få turbinen att snurra snabbt, så bör vinden från hårtorken träffa bladen med en så stor kraft som möjligt.
Instructions for Setting Up the Generator and Voltmeter and Adhering the Propeller (Turbine) to the Generator
Tejpa fast en linjal på ett bord med maskeringstejpen och se till att minst 5 cm av linjalen sticker ut utanför bordet. Fäst leksaksmotorn/generatorn med gummibandet eller med eltejp på den del utav linjalen som är utanför bordet och fäst sedan turbinenaxeln på generatorn. Ta hjälp utav leran för att hålla ihop de båda delarna. Se till att turbinen hänger fritt utanför kanten på bordet, detta för att bladen på turbinen inte ska slå i bordet. Det är bra om läraren testar att fästa turbinen på generatorn för att säkerställa att avståndet mellan bladen och bordet är tillräckligt. Anslut kablar från generatorn till voltmätaren, så att en spänning registreras när turbinenaxeln roterar. Nu du nu blåser med en hårtork mot turbinen bör den rotera och spänning ska registreras på voltmätaren.
Inledande diskussionspunkter
Läraren bör introducera lektionen på det sätt de anser vara mest fördelaktigt för sina elever. Huvudsyftet är att möjliggöra för eleverna att vara aktiva deltagare i sitt eget lärande med hjälp utav tidigare kunskaper, erfarenheter och egen undersökning.
Engagera eleverna i en diskussion där dem får prata om vad de redan vet om vindkraft, el och hur vinden kan utnyttjas för att driva en elektrisk generator. Följande video kan vara till hjälp i din undervisning:
Klassen bör också ha en diskussion om hur fossila bränslen genererar elektricitet. Hur värme och turbiner används för att driva elektriska generatorer bör betonas. Detta kan också vara en inledande forskningsaktivitet till konstruktionsaktiviteten. Eleverna kan också få identifiera vilken typ av bränsle och elgenereringssystem som används i de samhälle där dem själva bor, kanske genom att organisera ett studiebesök på någon utav stadens kraftanläggningar.
Punkter att täcka för den inledande diskussionen:
- Gaser och deras egenskaper (luft i synnerhet)
- Egenskaper hos elektricitet och elektriska generatorer
- En kort diskussion om fossila bränslen som en ändlig energiresurs och hur de påverkar miljön
- Alternativa bränslen (vind i synnerhet)
- Vindkraftverk, deras design och hur de fungerar. Du kan visa följande videoklipp för eleverna för ytterligare belysa den här delen av diskussionen:
Wind Turbine Animation
- Filmen belyser det faktum att vindkraftverk kan överföra mekanisk energi till elektrisk energi. Eleverna kan jämföra ånga som bildas utav att bränna fossila bränslen och med vinden som energikälla. (OBS! Eleverna kommer att genomföra experiment för att ta reda på HUR denna överföring sker.)
Diskussionsomgång 2: Hur påverkar temperatur och tryck gaser?
Starta en ny diskussion efter del 2 i genomförandeprocessen (Del 2, tävling omgång 1 - se nedan) där eleverna uppmanas att fundera på luftens egenskaper (som en gas) och på hur vind bildas. Fråga eleverna vad som påverkar gaser och deras rörelse. När du fått några svar, diskutera hur temperatur och tryck påverkar hur gaser beter sig.
Fundera på vad som händer med varm luft som stiger. När en gas värms upp är molekylerna som bildar en gasen inte är så tätt packade, men när temperaturen minskar närmar sig molekylerna varandra. Denna täthet utav molekyler beskrivs som densiteten hos gasen med hjälp utav följande ekvationen:
Consider what happens to warm air as it rises. When a gas is warmed, the molecules comprising the gas are not as closely packed together. As temperature decreases, however, the molecules come closer together. This closeness of molecules reflects the density of the gas as given by the equation:
Densitet = Massa/Volym
Vilket betyder att när volymen ökar så minskar densiteten och tvärtom.
Effekterna som trycket har på temperaturen kan beskrivas med följande ekvation:
PV= nRT där:
P = tryck
V = volym
n = ett givet antal luftmolekyler
R = Idealiska gaskonstanten 8,3145 J / (K mol)
T = Temperatur
ELLER
P(M/D)= nRT där:
M/D är Massa/densitet och ersätts matematiskt med volym.
Tips: Samarbeta gärna med matematiken så att eleverna kan få arbeta med några räkneexempel innan de gör detta experiment. Det kommer att göra sambandet mer tydligt.
När eleverna förstår hur luft påverkas av temperatur och tryck så kan man fråga dem hur de tror att vind bildas. Vind bildas när luften rör sig från en plats till en annan på grund av skillnader i temperatur och tryck. Andra saker kan också påverka rörelsen som bildar vind. Fråga eleverna vad dem tror kan påverka vindens rörelse och vilken påverkan vinden kan ha på olika delar utav jorden (t.ex. kontinenter och hav). Några exempel på saker som påverkar vindens rörelse är landskap (t.ex. kan berg fungera som ett hinder för vind), klimat, andra vindfronter samt jordens rotation.
