Op, ned og hele vejen rundt om Newton

Op, ned og hele vejen rundt om Newton Mål At eleverne får viden om de tre fysiske love for legemers bevægelse fremsat af Isaac Newton i 1687. At give eleverne mulighed for at demonstrere, hvordan alle tre love om bevægelse fungerer i praksis ved at bygge og affyre en modelraket. Materialer 1 stk. Alpha III Bulk Pack med 12 stk. raketter 1 stk. A8-3 raketmotorer Bulk Pack 24 stk. 1 elektronisk tændingssystem 1 affyringsrampe Balloner Uddrag fra Fælles Mål for /Kemi Formålet med undervisningen i fysik/kemi er, at eleverne tilegner sig viden om vigtige fysiske og kemiske forhold i naturen og teknikken med vægt på forståelse af grundlæggende fysiske og kemiske begreber og sammenhænge samt viden om anvendelser af fysik og kemi. Undervisningen skal anvende varierede arbejdsformer og i vidt omfang bygge på elevernes egne iagttagelser og undersøgelser, bl.a. ved laboratoriearbejde. Undervisningen skal udvikle elevernes interesse og nysgerrighed over for fysik, kemi, naturvidenskab og teknologi og give dem lyst til at lære mere. Tid Fire lektioner Lektion 1: Fremlæggelse og diskussion af Newton på baggrund af hjemmeopgaver Lektion 2 og 3: Raketbygning og affyring Lektion 4: Bearbejdning og læringsopsamling 1

Baggrund Sir Isaac Newton Det vi ved om raketter i dag, kan spores tilbage til Sir Isaac Newtons (1642-1727) tid. Efter han blev ramt i hovedet af et faldende æble, beskrev Newton (i sin bog Philosohpiae Naturalis Principia Mathematica) hvordan genstande, der falder til jorden bevæger sig. I bogen beskriver han tre love for legemers bevægelse. Hans love er enkle udsagn om fysiske forhold, der styrer objekter i bevægelse. De tre love beskriver sammenhængen mellem kraft, masse og acceleration. Selvom Newton beskriver naturens principper, gælder hans love også for raketter. De kan bruges til at give præcise forklaringer på, hvorfor en raket flyver, som den gør. Newtons første lov: "Et legeme som ikke er påvirket af en kraft, eller af kræfter, der ophæver hinandens virkning, vil enten være i hvile eller foretage en jævn retlinet bevægelse." Under affyring af en modelraket kommer kræfter skiftevis i balance og ud af balance. En raket på affyringsrampen er i en tilstand af hvile. Den er afbalanceret, fordi overfladen af affyringsrampen skubber raketten op, mens tyngdekraften forsøger at trække den ned. Der skal en ubalanceret kraft til for, at en raket kan lette fra rampen. Når raketten affyres, ændres hviletilstanden til en tilstand af bevægelse. Den vil bevæge sig i en lige linje op i luften med samme hastighed, medmindre den påvirkes af en ubalanceret kraft (luftmodstand og tyngdekraft). Luftmodstanden og tyngdekraften er de to ubalancerede kræfter, der påvirker en model raket i luften. Luftmodstanden er friktionskraften mellem overfladen af et objekt i bevægelse og den omgivende luft. Luftmodstanden stiger med stigende hastighed. Tyngdekraften er den kraft, der trækker et objekt tilbage til Jordens overflade. Den samlede kraft er proportional med objektets samlede masse. Når raketten løfter sig fra affyringsrampen, styres den af en stang, der sikrer, at den flyver lodret op. De ubalancerede kræfter (luftmodstand og tyngdekraft) får rakettens bane til at bue, hvorefter den til sidst falder til jorden. Alpha III raketten har en faldskærm, der aktiveres, når raketten når sin maksimumhøjde. Dette sikrer, at raketten lander sikkert på jorden og kan klargøres til endnu en affyring. 2

Newtons anden lov: "En resulterende kraft er lig ændringen i et legemes impuls." En raketmotors tryk (kraft produceret af en raket motor) bestemmes af mængden af gas, der produceres samt, hvor hurtigt gassen strømmer ud af raketten. Jo højere hastighed, hvormed raketbrændstoffet afbrændes og jo hurtigere hastigheden af den udstrømmende gas, jo større er trykket fra raketmotoren. Newtons tredje lov: "Et legeme der påvirker et andet legeme med en kraft, vil blive påvirket med en lige stor modsat rettet kraft." Den tredje lov er den sidste af de tre kendte love, sir Isaac Newton fremsatte, som har haft decideret betydning for fysikken, nærmere bestemt mekanikken. Denne lov kaldes også loven om "aktion lig reaktion", og det er i sin enkelhed også, hvad den handler om. I en raket er handlingen (aktionen), at der strømmer gas ud af raketmotoren. Reaktionen er, at raketten bevæger sig i den modsatte retning. Raketten drives op i luften af de frigjorte gasser, som udvikles ved en kemisk reaktion mellem brændstof og et iltningsmiddel i forbrændingskammeret. Reaktionen (at raketten flyver) svarer til den modsatrettede (aktion) eller kraft fra raketmotoren. Newtons tre love i sammenhæng En ubalanceret kraft skal udøves for at en raket kan lette fra affyringsrampen eller for, at et fartøj i rummet kan ændre hastighed eller retning (første lov). Mængden af tryk (kraft) produceret af en raketmotor bestemmes af mængden af gas, der produceres samt, hvor hurtigt gassen strømmer ud af raketten (anden lov). Reaktionen (at raketten flyver) svarer til den modsatrettede (aktion) eller kraft fra raketmotoren (tredje lov). Aktiviteter Step 1: Lærerens forberedelse Step 2: Elevernes hjemmeopgave (inden første lektion) Step 3: Lektion 1: Introduktion til Isaac Newton på baggrund af hjemmeopgaver Step 4: Lektion 2 og 3: Newton i praksis - byg og affyr en raket Step 5: Lektion 4: Bearbejdning og læringsopsamling 3

Step 1 Lærerens/underviserens forberedelse Følgende punkter er vigtige for lærerens forberedelse: a) Anskaf og afprøv de nødvendige raketter i god tid, før du skal bruge dem til undervisningen. Gerne 14 dage før. Det er vigtigt, at du selv har prøvet at samle og affyre den rakettype, du skal bruge senere i undervisningen. Det giver dig et præcist billede af den tid, der skal afsættes, opgavens kompleksitet og eventuelle opmærksomhedspunkter samt praktiske forhold, der skal være på plads, når raketten skal samles (f.eks. lim, saks og batterier) og affyres (f.eks. sikkerhedskrav og krav til affyringsstedet). b) Læs "Sikkerhedsprincipper for modelraketter": At bygge og affyre modelraketter er en sikker aktivitet, når blot sikkerhedsprincipperne følges. Det er vigtigt, at du læser principperne grundigt og planlægger din undervisning, så sikkerheden er i top. Bemærk f.eks. at modelraketter kun må affyres ved relativ svag vind. Det betyder, at du ikke altid kan planlægge præcist, hvornår du kan teste (under forberedelsen) og affyre (i forbindelse med undervisningen) raketter. Sørg for at have en plan B (en alternativ lektion) klar, hvis det skulle ske, at der er for meget vind den dag, du skal affyre raketter som en del af undervisningen. c) Forbered med afsæt i punkt a) og b) ovenfor de 4 lektioner. Brug eventuelt de følgende steps som inspiration til din forberedelse. 4

Step 2 Elevernes hjemmeopgave (inden første lektion) Som forberedelse til første lektion om Newton forbereder hver af eleverne en af følgende 4 opgaver: a) Mennesket: Hvem var Isaac Newton? Hvad var hans baggrund og personlighed og, hvordan påvirkede dette hans arbejde? Hvad er dit indtryk af Newton som menneske? b) Tiden: Hvad kendetegnede samfundet på den tid, hvor Newton levede? Hvilke forskere inspirerede Newton og, hvem kom før ham? Hvad er de vigtigste forskelle på dengang sammenlignet med nu? c) Forskeren: Hvordan arbejdede og forskede Newton? Hvilke principper brugte han til at skabe ny viden? Hvilken betydning har Newtons arbejde/principper i dag? d) De tre love: Hvad er princippet i Newtons 1., 2. og 3. lov? Hvordan virker en raketmotor og, hvad har dette med Newtons love at gøre? Hver elev skal (gælder alle 4 opgaver): Besvare en af de fire opgaver ved at søge information på Internettet. Der skal skrives mindst en sides besvarelse til opgaven (medbringes i kopi til alle i klassen). Forberede sig på at fremlægge opgaven for - og undervise - 3 klassekammerater i opgavens konklusioner på 5-7 minutter. Efter fremlæggelsen deles besvarelsen ud til alle. Step 3 Lektion 1: Introduktion til Isaac Newton på baggrund af hjemmeopgave Byg en Alpha III raket. Placer den på en affyringsrampe på en fremtrædende plads i dit klasseværelse. 5

Start med at lade eleverne fremlægge de 4 hjemmeopgaver for hinanden. Når eleverne skal fremlægge, deles klassen op i grupper á 4 elever, som hver indeholder en elev, der har besvaret h.h.v. opgave a), b), c) og d). Fremlæggelsen foregår ved, at eleven med opgave a) fremlægger først, herefter b), c) og d) således, at alle i gruppen bliver undervist i alle 4 emner. Går antallet af elever i klassen ikke op i 4, kan nogle elever gå sammen to og to eller, man kan nøjes med 3 opgaver. Styr tiden og råb "skift", når de 7 minutters fremlæggelse i en runde er gået. Efter de 4 fremlæggelser laves en fælles opsamling omkring de fire hjemmeopgaver i plenum. Slut af med at demonstrere hvordan kræfter og energi i en ballon svarer til det, der sker i en raketmotor. Spørg eleverne, hvad der vil ske, når du blæser luft ind i en ballon. Hvad vil der ske, hvis du slipper ballonen? Pust ballonen op og hold dysen tæt, så luften ikke kan slippe ud (potentiel energi). Luften i en oppustet ballon er som brændstoffet i en raket (lagret energi). Slip dysen for at frigøre luften. Luften blæse ud af ballonen, og den flyver rundt i klasseværelset. Når luften slippes ud, svarer det til at antænde brændslet i en raket (kinetisk energi). Ballonen og raketten er i hvile, indtil frigørelsen af energi tvinger dem i bevægelse i den modsatte retning af den frigjorte energi - Newtons tredje lov om bevægelse. Step 4 Lektion 2 og 3: Newton i praksis - byg og affyr en raket Byg raketter (60 minutter) Aktivitet a) For at demonstrere, hvordan alle Newtons love om bevægelse kommer til udtryk, når raketter affyres, skal de studerende bygge og affyre en modelraket. b) Del eleverne op i teams af 2-5 personer. Hvert team bygger en Alpha III raket med afsæt i de instruktioner (på engelsk) der medfølger samt din hjælp. Under Step 1 (Lærerens/underviserens forberedelse) fik du et overblik over alle de materialer, der skal være klar for, at raketten kan bygges (f.eks. lim, Stanley kniv, saks, engelsk ordbog og batterier) 6

Affyr raketter (30 minutter) Forberedelse af affyringen 1) Forbered affyringsstedet før eleverne ankommer. Sæt din affyringsrampe og et kontrolbord op. Brug kridt eller mærkning for at markere en cirkel med en 20 meters sikkerhedszone omkring affyringsrampen, som alle (bortset fra den, der affyrer raketten) skal stå udenfor. Bemærk vindretningen og vindhastigheden. Hvis vinden er stærkere end 7,9 meter i sekundet (jævn vind), bør du udskyde din affyring. Det anbefales, at du peger affyringspinden lidt ind i vinden for at lette indsamlingen af affyrede raketter. På den måde lander de ikke helt så langt væk. 2) Brug andre voksne eller ældre elever som hjælpere. Gør (hvis det er muligt) en, der kender til raketter, til sikkerhedschef. Hun eller han inspicerer raketter inden affyring og sørger for, at motor og tændsats er korrekt monteret. Det kan være en god idé at få andre til at hjælpe dig med at styre begejstringen hos eleverne. 3) Sørg for at affyringsrækkefølgen er fastlagt på forhånd. Når man har med unge mennesker at gøre, ønsker alle at være først. Hvis du fastlægger rækkefølgen på forhånd, kommer du eventuelle problemer i forkøbet. Man kan bruge alfabetisk rækkefølge, omvendt alfabetisk rækkefølge, alder, erfaring eller trække lod. Vælg metoden på forhånd og hold dig til den. 4) Sørg for at have ekstra batterier til dit elektroniske tændingssystem. Intet skuffer dine elever mere end, hvis motoren ikke kan starte. Ved affyring af en stor mængde af raketter, kan batterierne hurtigt blive flade. 5) Indstil affyringsrampen, så toppen af affyringspinden peger over øjenhøjde. Behold sikkerhedskapslen på toppen af affyringspinden mellem affyringer. Selve affyringen 1. Gennemgå "Sikkerhedsprincipper for modelraketter" for alle. Bed alle om at underskrive principperne (i bunden af papiret) for at vise, at man vil overholde ALLE principper. 2. Et par supplerende regler, som egner sig til affyringer for elever: a) Alle er fuldt opmærksomme hele tiden. b) Alle står udenfor sikkerhedszonen på 20 meter under affyringer bortset fra den, der affyrer raketten. c) For at undgå, at raketter bliver trådt på eller ødelagt, henter man sin egen raket. 7

!"#$%!&'"()* +!,)%+!-(./012( )*%'&%&'( "!-1),3$+( 41-/)2)( (!""#$%&'( Klargøring af raketter 1. Som gruppe forbereder I sammen raketterne til affyring. Følg instruktionerne til raketten med hensyn til landingssystemet (faldskærm eller streamer), indsætning af brandsikkert vat (wadding), motor, tændsats og plasticprop. a) Krøl et stykke brandsikkert vat sammen og skub det ned i toppen af raketrøret. b) Fold faldskærmen eller streameren sammen. Den skal passe løst i raketrøret, så den nemt kan skubbes ned i røret. Fold faldskærmen efter de instruktioner, der fremgår af skærmen. c) Skriv navn og telefonnummer på raketten med en tuschpen. 2. Alle går til affyringsstedet. Når alle har indtaget deres pladser, kan affyringen begynde! 3. Flere ideer som kan krydre din affyring. 8

a) Brug flag til at markere, hvor raketter lander og se, hvilken raket der lander tættest på et på forhånd afmærket målområde. b) Brug en højdemåler (Altimeter - kan købes hos WILDTOYS) og registrer den maksimale højde, som hver enkelt raket opnår. Step 5 Lektion 4: Bearbejdning og læringsopsamling a) Lad eleverne (i de grupper der var sammen om at affyre en raket) designe en plakat, der skal vise, hvordan alle Newtons tre love kom til udtryk gennem arbejdet med at bygge og affyre deres Alpha III raket. Brug farver. b) Hold "fernisering" hvor hver gruppe præsenterer sin plakat for resten af holdet og diskuterer og opsamler lærepunkter. c) Lav en fælles opsamling og afrunding i plenum. 9