Woord vooraf. Achtergrond. Eindtermen

Transcriptie

1 EEN INITIATIEF VAN Woord vooraf Techniek is een prachtig huis met vele kamers. Als leerkracht technologische opvoeding bent u uitstekend geplaatst om jongeren met een technische knobbel te begeleiden op hun ontdekkingstocht door dat huis. Maar omdat uw tijd beperkt is, loopt dat niet altijd van een leien dakje. Daarom ontvangt u nu de derde lesbrief voor leerkrachten van toekomstopwielen. be, het ideale hulpmiddel om techniek en auto s op een leuke manier in uw lessen aan bod te brengen. Achtergrond Dankzij dit theoretische hoofdstukje kan u zich de inhoud van het onderwerp eigen maken en kan u inschatten over welke kennis de leerlingen moeten beschikken om de opdrachten aan te kunnen. Eindtermen Een overzicht van de eindtermen technologische opvoeding die met de opdrachten in deze lesbrief behandeld worden. Opdrachten De eigenlijke opdrachten zijn doorspekt met tips en didactische wenken om de opdracht nog beter in te kleden en te kaderen. De opdrachten variëren in moeilijkheid voor het 1ste en het 2de jaar, maar altijd gaat het om: het opstellen van een schema of overzicht het opsporen van een fout of storing het uitvoeren van een proef of opstelling. De lesbriefonderwerpen: Nummer 1: technisch communiceren (reeds verschenen) Nummer 2: beslissen met poorten en sturingen (reeds verschenen) Nummer 3: elektrische kringloop (nu beschikbaar) Nummer 4: overbrengingen (mei 2008) Evaluatie Dit laatste hoofdstuk bevat de resultaten of oplossingen van de opdrachten en suggesties voor een nabespreking. Lesbladen De invulbladen voor de leerlingen worden u apart aangeboden. U kan ze makkelijk zelf in de gewenste oplage afdrukken. Vier lesbrieven, vier verschillende onderwerpen die perfect inspelen op de eindtermen van het leerplan. Maar de indeling van de lesbrieven verandert niet. Elke editie heeft vijf vaste hoofdstukken: Log met uw persoonlijke paswoord in op de leerkrachtenpagina van de Garagastensite. Op leerkrachten kan u zowel de lesbrief als de lesbladen in pdfformaat downloaden. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 1

2 1 Achtergrond elektrische kringloop 1 ste jaar Elektriciteit is overal. De voornaamste reden daarvoor is wel dat elektriciteit zo handig is. Via leidingen kunnen we de energie overal brengen waar die nodig is. Typisch voor elektriciteit is dat ze voortdurend in een kring loopt. Om ze te gebruiken, moet je dus een stroomkring bouwen. Daar heb je een aantal onderdelen voor nodig: Stroombron. Het stopcontact en de batterij of accu zijn de bekendste stroombronnen. Ze hebben altijd twee aansluitpunten. Verbruiker. Het voorwerp (zoals een lamp) of toestel (zoals een computer of een tv) dat de elektriciteit van de stroombron nodig heeft om te functioneren. Stroomdraad. De stroomdraad verbindt de stroombron met de verbruiker(s) zodat de stroom gaat vloeien. Daarom wordt voor stroomdraad altijd geleidend materiaal gebruikt, meestal koper, dat zoals alle metalen prima geleidt. Materialen zoals plastic, glas, steen of hout noemen we isolatoren omdat ze geen stroom doorlaten. Schakelaar. Toestel dat de stroomkring opent en sluit en de verbruiker dus aan- en uitschakelt. Ze bestaan in verschillende soorten, maar de drukschakelaar is wellicht de meest gebruikte. Door de knop in te drukken, sluit je de stroomkring. Als je de knop loslaat of nog een keer indrukt, open je de stroomkring weer en staat het toestel uit. Daarnaast heb je nog de schuifschakelaar (zoals bij een haardroger) en de draaischakelaar (zoals bij een wasmachine). Een bijzonder soort schakelaar is het relais. Die bestaat uit een koperen spoel waar elektriciteit doorheen gestuurd wordt. Onder invloed van stroom wordt koperdraad magnetisch en dus fungeert de spoel als een elektromagneet. Als je zo n elektromagneet gebruikt om een tweede schakelaar te bedienen, spreek je van een relais. Om een relais te sluiten, heb je weinig stroom nodig. De eerste stroomkring wordt daarom weinig belast en kan uit dunne kabels bestaan. Het relais sluit altijd een stroomkring waar veel meer stroom op staat, genoeg bijvoorbeeld om de elektromotor van een auto te doen starten. Natuurlijk kan je ook meerdere verbruikers, schakelaars en stroombronnen in dezelfde stroomkring plaatsen. Je kan dan kiezen uit twee manieren: serie of parallel. Als je de verbruikers (of de schakelaars of de stroombronnen) achter elkaar plaatst, staan ze in serie. Zet je ze naast elkaar, elk op hun eigen vertakking van de stroomkring, dan staan ze parallel geschakeld. Dit zijn de mogelijkheden: Schakelaars in serie: de stroom vloeit als alle schakelaars gesloten zijn. Schakelaars parallel: de stroom vloeit als één van de schakelaars gesloten is. Verbruikers in serie: elke verbruiker krijgt een deel van de spanning en dus werken ze minder krachtig. Als één van de verbruikers stuk is en dus geen stroom doorlaat, krijgen ook de andere verbruikers geen stroom. Verbruikers parallel: elke verbruiker krijgt de hele spanning en dus werken ze allemaal even krachtig. Ook als één verbruiker uitvalt, blijven de andere verbruikers werken. Stroombronnen in serie: de totale spanning is de som van de verschillende spanningen. Elke bron levert evenveel energie. Stroombronnen parallel: de totale spanning is hetzelfde als de spanning van elke stroombron. Elke bron levert dan ook een deel van de energie. Het risico van parallelgeschakelde verbruikers is overbelasting. Dan vragen de verbruikers meer energie dan de leidingen aankunnen en kan er een vlam ontstaan. Daarom is het elektriciteitsnet beveiligd met automatische zekeringen die de stroomkring onderbreken zogauw overbelasting dreigt. De zekeringen staan verzameld in de zekeringkast. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 2

3 1 Achtergrond Om de communicatie over elektriciteit en stroomkringen te vergemakkelijken, geven we de kring weer in een stroomschema. Dat is een technische weergave met vaste, afgesproken symbolen. Die staan verzameld op de bijgevoegde fiche. In de opdrachten bij deze lesbrief worden ook bedradingsschema s gebruikt. Dat zijn duidelijke tekeningen van elk onderdeel en van de manier waarop ze met elkaar verbonden zijn. Omdat een bedradingsschema enig tekentalent vergt, hoeven de leerlingen zulke schema s niet zelf te tekenen. 2 De jaar Vandaag is elektriciteit een veelgebruikte vorm van energie. Toch is het pas 200 jaar geleden dat geleerden ontdekten hoe elektriciteit ontstaat. Stroom moet namelijk worden opgewekt. Er moet dus energie geïnvesteerd worden om elektrische energie te verkrijgen. Dat kan op twee manieren: met chemische energie of met bewegingsenergie. In batterijen en accu s wordt chemische energie omgezet in stroom. De eerste batterij werd rond 1800 gebouwd door de Italiaanse graaf Alessandro Volta. Hij had ontdekt dat er een elektrische stroom ontstaat als je twee verschillende geleidende materialen in een geleidende vloeistof plaatst. Volta gebruikte zink, koper en verdund zwavelzuur. Vandaag gebruiken we moderne materialen zoals lithium, mangaandioxide of zilveroxide. Maar het principe van Volta blijft bestaan. Nadeel van batterijen is dat de spanning vrij klein is. Ook de zware batterijen (accu s) die in een auto worden gebruikt, leveren niet meer dan 12 volt. En er gelden nog meer afspraken in de communicatie over elektriciteit. Bij de opdrachten werken de leerlingen bijvoorbeeld met lampjes van een bepaald voltage. Het is daarom belangrijk dat ze een aantal grootheden en hun symbolen kunnen duiden: Volt (V) is de eenheid van spanning. Spanning zit op een stroombron die geen deel uitmaakt van een gesloten stroomkring. Wordt de stroomkring gesloten, dan gaat de stroom lopen. De hoeveelheid elektriciteit die dan stroomt, is de stroomsterkte, uitgedrukt in ampère (A). De totale hoeveelheid stroom die een verbruiker nodig heeft om te werken, noemen we het vermogen. Dat wordt uitgedrukt in watt (W). Een hogere spanning bereik je door elektriciteit op te wekken uit beweging. Daar is de fietsdynamo een goed voorbeeld van. Bij zo n dynamo (of fietsalternator) zet het draaiende fietswiel een as in beweging waaraan een magneet hangt. Die magneet beweegt langs een spoel van koperdraad, waardoor er in die spoel stroom ontstaat, genoeg om voor- en achterlicht van energie te voorzien. Hoe sneller de beweging, hoe meer stroom. Om een hele stad van elektriciteit te voorzien, wordt hetzelfde principe gebruikt, met enorme dynamo s die generatoren genoemd worden. Ook in elektriciteitscentrales staat beweging dus centraal. Die beweging wordt geleverd door waterdamp. De stoom van verhit water drijft immers enorme turbines aan (de schoepen in die turbines vervullen dezelfde rol als de draaiende kop van de fietsdynamo). De turbine geeft een draaiende beweging door aan de generator. Ook daarin draait een magneet in een omhulsel van koperdraad waardoor in die koperdraad stroom ontstaat. De centrale levert elektriciteit onder hoge spanning ( volt). LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 3

4 1 Achtergrond Om de waterdamp te produceren die nodig is om de turbines aan te drijven, wordt meestal een fossiele brandstof gebruikt (steenkool, aardgas of aardolie). Bij de verbranding daarvan komen vervuilende stoffen vrij, onder meer koolstofdioxide (CO 2 ), een stof die bijdraagt tot de opwarming van de aarde. Een kerncentrale gebruikt geen fossiele brandstof maar wel uranium om stoom te produceren. Bij het splitsen van uraniumdeeltjes komen immers enorme hoeveelheden energie vrij. Het radioactieve afval dat in kerncentrales geproduceerd wordt, is helaas een zware last voor het leefmilieu. Gelukkig zijn er ook milieuvriendelijke manieren om stroom te produceren. Net als klassieke elektriciteitscentrales zetten windturbines en waterkrachtcentrales beweging om in elektriciteit. Met dat verschil dat wind en waterkracht natuurlijke en onuitputtelijke energiebronnen zijn. Een bijzondere manier om elektriciteit op te wekken, zijn zonnecellen. Die zetten zonlicht rechtstreeks om in stroom. Zo n zonnecel is daarom opgebouwd uit een dun plaatje silicium of germanium, stoffen die elektriciteit alleen goed geleiden als er licht op valt. Dankzij een chemische bewerking krijgt de zonnecel een positieve onderlaag en een negatieve bovenlaag, te vergelijken met de twee polen van een batterij. Door die twee lagen te verbinden met een elektrische geleider ontstaat stroom. Zonnecellen op basis van silicium zitten vooral in rekenmachines en polshorloges. Germaniumcellen hebben een veel hoger rendement, maar zijn peperduur. Ze worden daarom alleen in satellieten en zonnewagens gebruikt. Zulke zonnewagens zijn prachtige staaltjes van hoogtechnologisch vernuft. Ze rijden alleen op zonne-energie en worden daarom zo licht en zo aërodynamisch mogelijk gebouwd. Ze halen hun energie uit zonnepanelen, waarmee ze een batterij voeden. Die levert op haar beurt stroom aan de elektromotor die het voertuig voortbeweegt. Topsnelheden tot 140 km/u zijn geen uitzondering en het allermooiste is: een zonnewagen stoot 0,0 gram vervuilende stoffen uit. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 4

5 2 EINDTERMEN A-stroom 1 Kennismaken met techniek en erover reflecteren De leerlingen illustreren het belang van technische tekeningen en andere technische gegevensoverdragers illustreren met voorbeelden enkele manieren van opwekking, omvorming en gebruik van energie maken kennis met de activiteiten van technische beroepsbeoefenaars, zowel mannen als vrouwen. 2 Planmatig werken en attitudes aannemen De leerlingen evalueren eigen werk in elke fase van het technologisch proces raadplegen een handleiding, plan of schema leren systematisch te werk gaan bij het uitvoeren van een technische opdracht leren het belang erkennen van de technische beroepen en van technische vaardigheden in de huidige samenleving, zowel voor mannen als voor vrouwen. 3 Enkele technische begrippen verwerven De leerlingen duiden de onderdelen aan van een technisch systeem met behulp van een eenvoudig schema (stuklijst en/of symbolen) herkennen in concrete situaties de meest gebruikte technische tekensymbolen en genormaliseerde afspraken kunnen aan de hand van eenvoudige voorbeelden de eenheden van spanning, stroomsterkte en vermogen gebruiken sommen waarneembare eigenschappen van serie- en parallelschakeling op leggen met een voorbeeld het verschil uit tussen gelijk- en wisselspanning beschrijven op een eenvoudige wijze hoe overbelasting en elektrocutie worden voorkomen. 4 Enkele technische basisvaardigheden beheersen De leerlingen gebruiken voor een eenvoudig praktisch werkstuk het gepaste gereedschap bepalen grootheden met correct gekozen eenvoudige meetinstrumenten brengen een eenvoudige tekening over op materiaal schetsen een eenvoudig technisch voorwerp maken eenvoudige elektrische verbindingen aan de hand van een schema passen probleemoplossende technieken toe. verduidelijken een eigen idee met een schets. B-stroom De leerlingen kunnen symbolen lezen die rechtstreeks in verband staan met het gekozen verkenningsgebied. kunnen eenvoudige tekeningen lezen. kunnen bij de opgelegde oefeningen juist, veilig en volgens gepaste regels omgaan met gereedschappen, toestellen of apparaten. Zij kennen ook de juiste benaming, enkele mogelijkheden en beperkingen ervan. kunnen onder begeleiding een opdracht voltooien en de kwaliteit controleren en evalueren. kunnen fouten of gebreken die ze gemaakt hebben herkennen, opzoeken en zo mogelijk herstellen. monteren (demonteren) of construeren of voegen de verschillende delen samen, herkennen de samenhang, benoemen de delen en voeren het geheel precies uit. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 5

6 3 opdrachten 1 ste jaar 1.2 Zoek de fout: waarom start de motor niet? Aanpak Elektriciteit en elektronica zijn in de autosector flink in opmars. Zonder elektriciteit raakt een auto niet eens gestart. De opdrachten hieronder zijn daarom leuke toepassingen van de elektrische kringloop in de autosector. De ene keer is het bedradingsschema gegeven, de andere keer moeten de leerlingen met icoontjes aan de slag. Maar bijna altijd tekenen ze ook een stroomschema waarin nogal wat geijkte symbolen terugkomen. Om ervoor te zorgen dat er geen misverstanden ontstaan over die symbolen, werden ze allemaal samengebracht op een handige fiche die apart beschikbaar is. Die fiche houden de leerlingen altijd bij de hand zodat ze voortdurend kunnen nagaan of ze de juiste symbolen gebruiken. In de tweede opdracht gaan de leerlingen op zoek naar de fout. De elektrische startmotor van een auto wordt met een relais geschakeld. Als een chauffeur z n contactsleutel omdraait, sluit hij een eerste elektrische kringloop die via het relais de kringloop van de startmotor sluit. Althans, dat is de theorie. Maar als je het gegeven bedradingsschema bestudeert, zie je dat er iets niet klopt. Waar zit de fout? Laat de leerlingen de fouten aanduiden op het bedradingsschema. Daarna tekenen ze het juiste stroomschema. 1.1 Hoe branden de lampen? De eerste opdracht is een mooie toepassing van de parallel- of serieschakeling. De auto op het opdrachtblad heeft vier lampen met elk twee contactpunten, een accu en een contactsleutel (als schakelaar). Laat uw leerlingen op de tekening het bedradingsschema tekenen van de elektrische kringloop die de vier lampen verbindt. Daarna tekenen ze ook het stroomschema. Opmerking: Worden de lampen parallel of in serie geschakeld? Dat is de hamvraag. Vertel uw leerlingen daarom dat, als er één lamp stuk springt, de andere lampen moeten blijven branden. Wellicht komen uw leerlingen dan al snel bij een parallelschakeling uit. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 6

7 3 opdrachten 1.3 Bouw zelf een stroomkring. 2 de jaar In de derde opdracht moeten de leerlingen zelf aan de slag om een stroomkring te bouwen. Dit is de opdracht: We gaan terug naar het circuit van de autolampen. De leerlingen krijgen twee lampjes van 1,5 volt, een platte batterij van 4,5 volt, twee schakelaars en stroomdraad. Ze bouwen nu het stroomcircuit van de autolampen na. Dat die lampen parallel geschakeld moeten worden, weten de leerlingen intussen. Maar hoe zit het met de schakelaars? Zetten ze die in serie of parallel? Aanpak Elektriciteit en elektronica zijn in de autosector flink in opmars. Zonder elektriciteit raakt een auto niet eens gestart. De opdrachten hieronder zijn daarom leuke toepassingen van elektriciteit in de autosector. De auto als elektriciteitsproducent, de zonnewagen als milieuvriendelijk vervoermiddel en de fietsdynamo als handig middel om beweging om te zetten in elektriciteit. 2.1 Waar haalt een auto elektriciteit vandaan? Opmerking: Vertel uw leerlingen dat in een auto zowel de contactschakelaar als de lichtschakelaar aangeschakeld moeten zijn voor de lichten branden. Wellicht komen uw leerlingen dan al snel bij een serieschakeling uit. Ter voorbereiding kan u hen ook het stroomschema laten tekenen. Elektriciteit opwekken kan op verschillende manieren. U hebt de leerlingen intussen verteld hoe een elektriciteitscentrale dat doet. In deze opdracht passen de leerlingen die kennis toe op de auto. Want ook de auto haalt zijn stroom uit beweging, dankzij de alternator. Alle onderdelen van dat productieproces zijn hieronder als icoontjes afgebeeld. Alles begint bij de motor, en behalve stroom produceert die ook warmte en beweging. Aan de leerlingen de vraag om de icoontjes in de juiste volgorde te plaatsen. Daartoe moeten ze gewoon de letter van elk icoontje op de juiste plaats in het schema invullen. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 7

8 3 opdrachten 2.2 Goed of fout? 2.3 Bouw zelf een stroomkring De zonnewagen is het onderwerp van de tweede opdracht. De eerste stap is info verzamelen. Laat de leerlingen gericht op zoek gaan naar wetenswaardigheden over de zonnewagen. De wagen van het Umicore Solar Team, die eind 2007 meedeed aan de beroemde Australische zonnewagenrace, is een mooi voorbeeld ( Als de leerlingen niet de mogelijkheid hebben om tijdens de les te surfen, kan u de info over de zonnewagen van afdrukken en verspreiden (op de homepage klikt u op Techniek en dan op De zonnewagen ). De leerlingen krijgen vier beweringen over de zonnewagen voorgeschoteld. Zijn die goed of fout? In de derde opdracht moeten de leerlingen zelf aan de slag om een stroomkring te bouwen. Dit is de opdracht: De vier lampen van een auto kunnen alleen branden als er een stroombron op het circuit is aangesloten én als zowel de contactschakelaar als de lichtschakelaar aangeschakeld zijn. De leerlingen krijgen vier lampjes van 1,5 volt, een fietsdynamo van 6 volt, twee schakelaars en stroomdraad. Ze bouwen nu het stroomcircuit van de autolampen na. Daarbij moeten ze eerst twee knopen doorhakken. Worden de lampen parallel of in serie geschakeld? En hoe zit het met de schakelaars? Zetten ze die in serie of parallel? Een zonnewagen is geweldig milieuvriendelijk. Hij stoot namelijk helemaal geen schadelijke stoffen uit. De zonnecellen van de wagen leveren hun elektriciteit rechtstreeks aan de motor. Zonne-energie is geen fossiele brandstof. De zonnecellen leveren hun elektriciteit via een alternator aan de accu. Opmerking: Vertel uw leerlingen dat, als er één lamp stuk springt, de andere lampen moeten blijven branden. Wellicht komen uw leerlingen dan al snel bij een parallelschakeling uit. Vertel uw leerlingen ook dat in een auto zowel de contactschakelaar als de lichtschakelaar aangeschakeld moeten zijn voor de lichten branden. De schakelaars moeten dus in serie staan. Ter voorbereiding van de opdracht kan u hen ook het stroomschema laten tekenen. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 8

9 4 Evaluatie en oplossingen Evaluatie De leerlingen kunnen vast een aantal voorbeelden van stroombronnen, schakelaars en verbruikers opsommen. Kennen ze ook voorbeelden uit hun onmiddellijke leefomgeving? En waarom werkt een verbruiker pas als de stroomkring gesloten is? Meer dan 50% van de elektriciteit in ons land komt uit kerncentrales. Toch hebben kerncentrales een aantal flinke minpunten. Kennen de leerlingen een Belgische kerncentrale en weten ze wat de nadelen zijn? Kunnen ze daar enkele voorbeelden van groene energie tegenover plaatsen? Vraag de leerlingen om in hun eigen woorden het verschil tussen serie- en parallelschakeling uit te leggen. Wat betekent dat bijvoorbeeld voor de schakelaars? Elektriciteit komt vooral voort uit chemische reacties en beweging. Daar kunnen de leerlingen vast enkele voorbeelden en toepassingen van noemen. Maar er is ook een manier waar geen chemie of beweging bij komt kijken. Weten de leerlingen welke? (zonnecellen). Oplossingen 1.1 Hoe branden de lampen? 1.2 Zoek de fout: waarom werkt de motor niet? LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 9

10 4 evaluatie en oplossingen 1.3 Bouw zelf een stroomkring. 2.1 Waar haalt een auto elektriciteit vandaan? 2.2 Goed of fout? Een zonnewagen is geweldig milieuvriendelijk. Hij stoot namelijk helemaal geen schadelijke stoffen uit. De zonnecellen van de wagen leveren hun elektriciteit rechtstreeks aan de motor. Zonne-energie is geen fossiele brandstof. De zonnecellen leveren hun elektriciteit via een alternator aan de accu. Goed. Fout, de accu slaat de energie van de zonnecellen op. Goed. Fossiele brandstoffen zoals aardolie, steenkool en aardgas, moeten verbrand worden om er energie uit te halen. Dat is met zonne-energie niet het geval. Fout, een alternator dient om beweging om te zetten in elektriciteit. Dat is hier niet nodig omdat de accu z n energie rechtstreeks van de zonnecellen krijgt. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 10

11 4 evaluatie en oplossingen 2.3 Bouw zelf een stroomkring. toekomstopwielen.be heeft een hart voor jongeren met technische talenten en zet heel wat acties op touw om hen wegwijs te maken in het technisch onderwijs en de autosector. Maar u als leerkracht laten we evenmin in de kou staan. Ontdek ons educatief pakket voor de tentoonstelling Techniek op Wielen in Autoworld in Brussel. Of neem s een exemplaar van TurboStart ter hand, het gratis magazine voor alle jongeren in het autotechnisch onderwijs. Meer info vindt u op (Bij het begin van elk schooljaar kunnen leerkrachten in het autotechnisch onderwijs TurboStart gratis bestellen voor hun leerlingen.) En natuurlijk is er nog steeds de GaragastenEncyclopedie. Vier keer per jaar verschijnt er een leuk naslagwerkje over een specifiek auto-onderwerp. Laat uw leerlingen zich gratis op deze encyclopedie abonneren via LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 11