Når du har læst elevvejledningen, er det kun detaljer, som bør nævnes uden for en elevsammenhæng. Det følger i denne korte lærervejledning.

Transkript

1

2 til CanSatBox CanSatBoxen henvender sig til de undervisere i Fysik B (og A), der ønsker at komme i gang med de fysikfaglige begreber og dataopsamling med det samme, sammen med eleverne. CanSatBox- forløbet indeholder de fleste elementer af fysik B, bortset fra radioaktivitet og kvantefysik. Både ift. læreplan, undervisningsform og inddragelse af it- udstyr, databehandling og - opsamling. I forløbet kan alle elever arbejde hands- on med dataopsamling og behandling. I øvrigt indeholder CanSatBox- forløbet en relevante elementer fra matematikken, fx kvadratsum (vektorer), parabler, grafisk afbildning af data. I CanSatBox- forløbet skal klassen sende en hjemmelavet satellit højt op i luften ved hjælp af en trykluftkanon eller en heliumballon. Satellittens sensorer måler tryk, temperatur og acceleration, mens den bevæger sig op og siden falder ned i en faldskærm, indtil den lander på jorden. Når du har læst elevvejledningen, er det kun detaljer, som bør nævnes uden for en elevsammenhæng. Det følger i denne korte lærervejledning. OBS! Denne vejledning for undervisere beskriver i øvrigt vigtige sikkerhedsmæssige forholdsregler, som man skal overholde, når man lejer CanSatBoxen. CanSatBox og materiale på skolen Hvis I gennemfører CanSatBox- forløbet hjemme på skolen, og således har lejet CanSaBox af Naturvidenskabernes Hus, så er det vigtigt, at du som ansvarlig for forløbet har tjekket, at skolen har hjemtaget følgende materialer, eller har dem liggende i laboratoriet, da disse materialer ikke medfølger CanSatBox V batteri - 12 V strømforsyning - 15 stk 9 V batterier - Balloner og ballon- eller heliumgas (se hvor du finder dette nedenfor) cl. Sodavandsdåser samt en nedstryger til at skære toppen af (forsigtigt!) - Bred tape til indpakning ifm. design af CanSats V strømadgang (evt. kabelrulle) til trykluftkanon (220 V kompressor er påmonteret) plasstikflasker til testaffyring Medbring også temperatur-, tryk- og accelerationsmålere Når I skal i marken anbefales det, at klassen medbringer temperatur-, tryk- og accelerationsmålere til sammenligning med CanSat ens måledata, fx Pascoudstyr fra laboratoriet.

3 Om undervisningsforløbet CanSatBox Der findes flere gode tilbud til undervisere om anvendelse af de såkaldte CanSats, dåsesatellitter, og eksperimenter med den såkaldte Arduino. De fleste kræver tid til at etablere kommunikationen mellem Arduino og pc, herunder installation af Arduino- software og programmering af selve Arduinoen. CanSatBox henvender sig til de undervisere, der ønsker at komme i gang med de fysikfaglige begreber og dataopsamling med det samme, sammen med eleverne, uden at begive sig ind i gør- det- selv- og open- source- miljøet, der omgærder Arduinoen (som i sig selv kan være lærerigt, men tidskrævende). En CanSat er en lille satellit, hvor elektronikken er indbygget i en 33 cl dåse. I modsætning til en rigtig satellit, så skal en dåsesatellit ikke i omløb omkring Jorden. Efter opsendelse med raket skal satellitten falde til Jorden med faldskærm. Under faldet modtager man radiosignal på Jorden via en jordstation, CanSatBox, som gør data tilgængelige via en bærbar computer, en tablet eller en smartphone. Undervisningsforløbets fire faser CanSatBox er et forløb, der består af fire delforløb. Varigheden af delforløb 1 er meget afhængig af det forudgående niveau i klassen, mens delforløb 2 og 3 typisk vil tage en dag, hvis alle materialer er indkøbte og tilgængelige. 1. Introduktion og øvelser, hvor I lærer CanSatBox at kende 2. Design af CanSat og faldskærm 3. Opsendelse af CanSats og dataopsamling vha. CanSatBox 4. Efterbehandling Fjerde delforløb kan ske på skolen uden CanSatBox, mens de andre delforløb kræver arbejde med CanSatBox en enten foregår i Naturvidenskabernes Hus eller på skolen CanSatBox indeholder de fleste fagelementer i fysik B CanSatBox- forløbet indeholder de fleste elementer af fysik B, bortset fra radioaktivitet og kvantefysik, herunder særligt varmelære/tryk, mekanik, dynamik, acceleration og opdrift, temperatur, elektriske kredsløb og A/D- konvertering. Både ift. læreplan, undervisningsform og inddragelse af it- udstyr, databehandling og - opsamling. I forløbet kan alle elever arbejde hands-on med dataopsamling og behandling. Hvis der er tale om Fysik A, kan følgende faglige elementer alle inddrages i CanSatBox- forløbet: Astronomi (rumfartsteknologi), fysikkens bidrag til det naturvidenskabelige verdensbillede (fx rumfartens historie), elektriske kredsløb (A/D konvertering), energi, tryk, bølger (radiobølger), varmelære; opdrift og jordens atmosfæriske luftlag, mekanik, bl.a. tyngdekraft, newtons love, kinematik, dynamik og acceleration i tre dimensioner. Projektarbejde, eksperimentelt arbejde. Som supplerende stof kan inddrages kendskab til raketligningen. CanSat- kørekort Der kræves et CanSatBox- kørekort for at leje CanSatBox. Årsagen til dette er, at forløbet kan blive dyrt, hvis man ikke på forhånd har arbejdet med opsendelse af CanSats.

4 CanSatBox- kørekortet kan opnås enten ved at 1) afvikle et klasseforløb i Naturvidenskabernes Hus med introduktion af en medarbejdet i huset. 2) Deltage i en lærerworkshop, hvor en gruppe undervisere introduceres til CanSatBox ved gennemførelse af opsendelser med helium- ballon og trykluftkanon samt dataopsamling. CanSat- konceptet CanSat er en forkortelse for dåsesatellit. Ordet er sammensat af Can engelsk for sodavandsdåse og Sat, som er en forkortelse for satellit. Inden i sodavandsdåsen placeres en såkaldt Arduino, et mindre elektrisk kredsløb med sensorer, der via et radiolink sender sensordata til en modtager hvorefter man kan efterbehandle data om fx temperatur, tryk og acceleration og arbejde med indhold i de faglige mål for fysik B, herunder kinematik, tryk, tyngdekraft, opdrift, måleusikkerhed - og fx også A/D- signaler og sensorteknologi. CanSat- konceptet går ud på, at hverken vægt eller rumfang må overstige en standard sodavandsdåse (maks. 330 g inkl. alt). Elektronikken skal monteres på en robust plade, som kan tåle presset fra en hård opsendelse. Faldskærmen skal være forbundet til pladen, ikke dåsen, og dåsen er blot et skjold til beskyttelse af elektronikken mod direkte stød. Kort om CanSatBox- undervisningsforløbet CanSatBox en kan modtage data fra op til 15 CanSats skudt i luften med en trykluftkanon eller opsendt med heliumballon i snor. Undervisningsforløbet består af en række introducerende forløb (delforløb 1-2), som kan udføres i hhv. klassen, hvis materialekassen er lejet, hhv. i Naturvidenskabernes Hus s lokaler. I disse forløb lærer eleverne arduinoens sensorer at kende samt fysikbegreberne bag, og de får samtidig øvelse i dataopsamling og efterbehandling. Endvidere designer eleverne gruppevis deres egne CanSats samt faldskærmen. Efter introduktionsforløbene er eleverne Figure 1: The CanSat with bracket klar til opsendelsen, som sker på et åbent område fjernt fra trafik og beboelse. Opsendelsen sker vha. en til forløbet specialproduceret trykluftkanon med indbygget kompressor, eller vha. heliumballoner. Elevernes opsamler før og under opsendelse fysiske data for temperatur, tryk og acceleration på fx smartphones via et lokalt WIFI udsendt fra materialekassen. Data kan derefter sendes til en mail og behandles tilbage på klassen i efterbehandlingsforløbet. CanSatBox er udstyret med batteriadgang (12 V), så der kræves ikke strømforsyning ti boksen. Dog kræves der en 220 V strømforsyning til trykluftkanonens kompressor. Elevvejledning Elevvejledningen beskriver dels de forberedende forsøg, der giver fortrolighed med arduinoens sensorteknologi og dens anvendelsesmuligheder, dels et kortfattet undervisningsforløb med opsendelse af CanSats, herunder dataopsamling og inspiration til efterbehandling af fysiske data i klassen.

5 Anbefalet gennemgået stof For at få størst udbytte af forløbet anbefales det, at eleverne har en forståelse af følgende fagemner: - Naturvidenskabelige arbejdsmetode - Tryk - El- lære - Analoge og digitale signaler - Kinematik og dynamik - Fejltolerancer og måleusikkerhed Dataopsamling og gruppearbejde Materialekassen CanSatBox rummer en jordstation skræddersyet til maksimalt 15 grupper, der via et lokalt WIFI- access point udsender data fra op til 15 CanSats. Dataadgang er helt uafhængig af elevgruppernes maskine (smartphone/tablet, pc/mac), da data hentes via en browser, hvorefter de opsamlede data kan efterbehandles i klassen. Før I går i gang Udpakning og nedpakning CanSatBox er forsynet med en oversigt over indhold, og hver arduino med shield og radiolink er pakket i sin egen plastkasse med skum. Vær venligst forsigtig med at tage materiel op af skum, da skummet ikke holder evigt. Jordstationen i CanSatBox skal ikke forlade boksen, men bare blive liggende, mens eksperimenterne foretages. Trykluftkanonen Til opsendelse af de små dåsesatellitter benyttes en trykluftkanon, som kan komprimere luft op til 4 bar ved hjælp af påmonteret kompressor. Ved opsendelse af CanSats bør trykket ikke overstige 2 bar, hvilket er rigeligt til at udføre de beskrevne forsøg og få jeres CanSats op i mindst 50 meter højde. 220 V strøm er påkrævet husk forlængerledning eller strømgenerator til kompressoren, som er påmonteret trykluftkanonen. Sikkerhed En trykluftkanon kan være livsfarlig, hvis man ikke behandler den med behørig respekt og omtanke, og ikke gør som beskrevet. Der skal altid være en lærer til stede ved kanonen, når der opsendes. Opsendelsesområdet skal være stort, og tag altid bestik af vind, nærliggende veje, elmaster, bygninger, høje træer, græssende husdyr, biler eller andet, der kunne udsættes for fare ved nedfaldende CanSats fra stor højde.

6 Test før opsendelse Før I opsender jeres CanSats, anbefaler Naturvidenskabernes Hus, at I tester vinkel og parabelhøjde med en tom halvliters flaske. Først en helt tom flaske, dernæst en flaske halvt fyldt med vand (og påskruet låg). På den måde erfarer I det omtrentlige nedslagspunkt, og undgår at de bekostelige CanSats lander på uhensigtsmæssigt underlag. Græs eller mark er det foretrukne underlag. Endemålet er, at alle elever prøver at sende en CanSat op i luften og opsamle fysiske data mhp. efterbehandling i klassen. Opsendelsesmetode og dataoverførsel kan være vejrafhængig. Som beskrevet i elevvejledningen anbefales det derfor og i det hele taget at lave en jordtest af CanSat en, hvad enten den skal opsendes med trykluftkanon eller ballon. Jordtest Forsøget foregår på jorden for at sikre, at CanSat en virker, samt for at opsamle sensordata i jordniveau. Til forsøget kan man passende medbringe eget måleudstyr, fx Pasco GLX Explorer, samt Pasco tryk- og temperaturmåler samt et Pasco- accelerometer til sammenligning med data fra CanSat en. Dette er et godt udgangspunkt for en diskussion af sensorerne og deres målenøjagtighed og kalibrering, og dermed som basis for en vurdering af sensorernes data- validitet. OBS! Husk et sæt Pasco- udstyr til at sample med 1 Hz, da dette gør det lettere direkte at sammenligne data fra de to enheder. Ballonopsending Et spændende alternativ til opsendelse med trykluftkanon er brug af en ballon. Bestil en flaske ballongas eller helium i god tid inden opsendelsesdagen leveringstiden er typisk 3-4 dage. Bemærk den høje pris på helium i dit forløb. Man kan ikke selv afhente 10, 20, og 50 liter heliumflasker da det er flasker på 200 bar tryk. De skal transporteres korrekt og det er de færreste biller som er indrettet til denne transport. Se mere på fx (bemærk lejepris, hvis I beholder flasken mere end 3 dage). 20 liter He koster ca kroner inkl. levering (august 2013). Dette er nok til ca. 6 opfyldninger af latexballoner på 1 meters diameter, som også kan bestilles på fx ballonsalg.dk. I kange tilfælde er en enkelt opfyldning nok til en held dags ballonopsendelser, hvis ballonen lukkes eftertrykkeligt, så minimale gasmængder siver ud. 1 m diameter er en ballonstørrelse, der er fuldt tilstrækkelig til at løfte CanSats (maks. 330 g). Det er dog ikke nødvendigt at fylde ballonerne helt op, så ved forsigtig brug af den bekostelige helium kan man opnå mange opsendelser med én flaske. Databehandling Figuren i elevvejledningens afsnit om databehandling er et brugbart udgangspunkt til diskussion af datas typer og kvalitet samt sammenhængen mellem tryk og højde, som er givet ved den fysiske formel i begyndelsen af vejledningen.

7 Afslutning og feedback Pak hele boksen ned, som da I åbnede den. Hvis noget er gået i stykker, så noter det på en samlet liste, som du sender til kontakt@nvhus.dk med subject- teksten: CanSatBox. Dette kan ske under så høje tryk fra kanonen, og særligt hvis faldskærmen ikke folder sig ud, er der risiko for, at CanSat en eller arduinoen inden i kan udsættes for skade. Arduinoer er ikke billige, så derfor er det vigtigt, at der er styr på eventuelle skader, inden CanSatBox returneres til Naturvidenskabernes Hus. Jævnfør lejeaftalen dækkes itugået materiel af lejeren. Det er ikke ualmindeligt, at der ryger en Arduino i et forløb. Den koster små kroner. Diskuter meget gerne med jeres lærer, hvad I har lært af forløbet, og hvad var bedst samt hvad der kunne have været bedre i CanSatBox- undervisningsforløbet. I øvrigt kan I diskutere, hvad I eventuelt selv kunne have gjort bedre generelt, eller fx i jeres design af CanSats og faldskærme samt udløsermekanismen, og eventuelle idéer til forbedring af holdbarhed. Alle jeres input er vigtige for os i Naturvidenskabernes Hus, og I er velkomne til at give os konstruktiv feed- back på kontakt@nvhus.dk.