PLAN
Mijn plan:
Ik wil de leerlingen bekend maken met 'de tirannie van de raketvergelijking'. Dat wil zeggen: om verder te komen heb je meer brandstof nodig, maar als je meer brandstof meeneemt, moet je ook meer massa versnellen, dus heb je meer brandstof nodig.... enz. Het gaat om lessen in de 2e klas.
Artikel van NASA: NASA - The Tyranny of the Rocket Equation
- ik koppel een computerspel aan NASK
- ze zijn actief bezig
- ze leren meerdere metingen te maken en tabellen/grafieken te maken in Excel, en de functie 'trendlijn' te gebruiken.
- het is NIET de bedoeling om hier in te gaan op formules.
1e les: introductie
- introductie van het thema
- met Kerbal Space Program laten zien: recht omhoog werkt niet, dan val je weer terug naar aarde. Dus: horizontaal versnellen is nodig.
- vervolgens een raket die het nèt aan haalt in een baan rond Kerbal te komen
- en dan: proberen om verder weg te komen door meer brandstof mee te nemen (voor meer dV)
Uiteraard: van te voren uitproberen wat werkt om te laten zien wat ik wil laten zien.
- Uitleg wat we gaan doen: waterrakketten lanceren, en kijken wat de beste lucht/water verhouding is.
Meer lucht: er is meer ruimte om de fles onder druk te zetten, maar er is minder water om uit te stoten (en vice-versa)
- Hierbij zullen meerdere metingen gedaan worden, in een tabel gezet worden, en een grafiek moeten worden gemaakt om te voorspellen wat de beste verhouding is, en hoe ver de raket dan komt
2e les: uitvoeren metingen
- alle raketten worden onder een hoek van 45 graden afgevuurd. Een compressor of fietspomp wordt gebruikt om de druk op te voeren.
- eerst schaalverdeling maken op de raketten, zodat kan worden bijgehouden hoeveel water er in wordt gedaan.
- Elk groepje zal meerdere keren moeten afvuren, om genoeg data te krijgen (uitproberen hoeveel minimaal nodig zijn)
- voordeel complressor: kan sneller achter elkaar, meer consistentie. Voordeel fietspompen: er kunnen meerdere groepjes tegelijkertijd aan de slag.
3e les: maken presentatie
- extra aandacht: maken van een grafiek in Excel, met de 'trendlijn' functie. Dit vinden leerlingen heel erg moeilijk.
- mogelijk: maken korte presentatie/poster met de bevindingen. Foto's/tekeningen/grafieken zijn een pré
- (groepjes die willen bewijzen dat ze inderdaad goed hebben voorspeld wat de beste verhouding is, en hoe ver de raket dan komt, kunnen dat na de les/pauze/school alsnog doen. Opzetten van de lanceerinstelling kost weinig tijd extra)
Introductie / doel van de lessenserie
Doelgroep
Deze lessenserie van 3 lessen is ontworpen voor NASK in 2 HAVO.
Voor het aanpassen van het leerniveau worden gedurende de gehele lessenserie suggesties gedaan.
Doel van de lessenserie
Het primaire doel van deze lessenserie is om de leerlingen aan te leren hoe gegevens netjes verwerkt kunnen worden in een tabel en een grafiek. Met name het gebruik van Excel, en het gebruik van een trendlijn vinden leerlingen zeer moeilijk.
Los hiervan krijgen de leerlingen een aantal andere zaken mee:
- waarom lanceren we een raket niet recht omhoog
- waarom maken we raketten niet gewoon groter als we verder willen komen
- vaardigheid: maken van een tabel in excel
- vaardigheid: inschatten hoeveel meetpunten nodig zijn voor een mooie grafiek
- vaardigheid: maken van een grafiek in excel met een trendlijn
Optionele leerdoelen
- gewichtsloos =/= massaloos
- hoogte dampkring
- verschillende banen rond de aarde (lage baan, hoge baan)
- geostationaire baan (+ mogelijk uitrekenen hoe hoog die dan moet zijn)
Les 1: Theoretische onderbouwing
Les Theoretische onderbouwing
Theoretische leerdoelen:
Waarom lanceren we een raket niet recht omhoog?
Wanneer een raket recht omhoog wordt gelanceerd, zal de raket ook weer omlaag komen. Om in een baan rond de aarde te komen, is de horizontale snelheid zeer belangrijk.
Dit kunnen we laten zien in Kerbal Space Program. Een simpele raket die recht ohoog wordt geschoten, komt ook weer naar de aarde terug. Wanneer er horizontale snelheid wordt opgebouwd, kan er wel een baan rond de aarde worden bereikt.
Raket die recht omhoog wordt gelanceerd:
https://youtu.be/ZSy8XGYN8do
Raket met gravity turn:
https://youtu.be/LC_wa1ecs9Y
Waarom maken we de raketten niet gewoon groter als we verder willen komen.
Dit werkt wel, maar beperkt. Als een raket groter wordt, dan moet er ook meer gewicht naar oven worden geschoten. Om dat extra gewicht naar boven te krijgen, is extra brandstof nodig. Maar die extra brandstof weegt natuurlijk ook wat, dus wordt de raket weer zwaarder. En als de raket zwaarder wordt is er weer extra brandstof nodig, enzovoort. De oplossing is dus niet steeds grotere raketten te gebruiken, maar vooral om betere raketmotoren te maken, die de brandstof efficiënter gebruiken. Op die manier hoeft de raket niet zwaarder of groter gemaakt te worden, om toch verder te komen.
Raket die veel meer brandstof aan boord heeft (9000kg ipv 3600kg)
https://youtu.be/qPxstZbXwWY
Waarom maken we in de natuurkunde vaak gebruik van een grafiek, en niet van een tabel?
Waarom moet je een grafiek maken van je gegeven, als je de gegevesns al in de tabel kunt lezen?
Als we metingen doen, maken we altijd wel een meetfout. Je drukte net iets te laat (of te vroeg) op de stopwatch, of je geodriehoek lag nèt niet helemaal goed. Door een grafiek te maken, en een vloeiende lijn te trekken, kunnen we veel van die meetfouten minimaliseren.
- vaardigheid: maken van een tabel in excel
- vaardigheid: inschatten hoeveel meetpunten nodig zijn voor een mooie grafiek
- vaardigheid: maken van een grafiek in excel met een trendlijn
Met behulp van Kerbal Space Program:
- laten zien dat recht omhoog lanceren geen zin heeft (raket stort weer naar aarde)
- korte theoretische uitleg (max 5 min) dat de oplossing is om horizontaal snelheid op te bouwen
- laten zien in KSP dat met horizontale snelheid er wel een baan rond de aarde bereikt kan worden.
- laten zien dat als je de raket groter maakt, dat niet automatisch betekent dat je dan ook verder komt
- noemen van de De tirannie van de raketvergelijking (NASA - The Tyranny of the Rocket Equation)
- uitleg over het practicum
Optionele leerdoelen om het niveau aan te passen, of wanneer meer tijd te vullen is:
- gewichtsloos =/= massaloos
- hoogte dampkring
- verschillende banen rond de aarde (lage baan, hoge baan)
- geostationaire baan (+ mogelijk uitrekenen hoe hoog die dan moet zijn)
Les 2: Het practicum: raketten lanceren!
Benodigdheden:
- pet-fles met schaalverdeling
- rubber stop of kurk
- fietsventiel
- fietspomp of compressor
-lanceeropstelling
- ruime hoeveelheid water
De kurk die hier is gebruikt, is doormidden gesneden. Als dat niet wordt gedaan, is het heel moeilijk om het ventiel te monteren. Voor het monteren van het ventiel in de dop, is een oude binnenband gebruikt.
Voor de lanceeropstelling is een simpele plank onder een hoek van 45 graden neergezet. Hierop kan de raket rusten. De steen achter de raket is geplaatst zodat de onderkant van de raket niet wegschuift.
De finnen die hier zijn gebruikt komen van rokit.com, maar die zijn niet nodig voor het experiment.
PET-flessen met schaalverdeling van te voren al klaarmaken. Er is maar 45 minuten de tijd, door het ter beschiking stellen van alle materiaal kan er snel begonnen worden met lanceren.
Alle raketten worden onder een hoek van 45 graden gelanceerd. Omdat de hoogte heel moeilijk te bepalen is, wordt gemeten hoe VER dat een raket is gekomen.
Leerlingen kunnen zelf de raketten vullen met water. Door de schaalverdeling kunnen ze snel zien hoeveel water er in zit, en dus ook hoeveel lucht er in zit.
Noteren: hoeveel water (en dus ook hoeveel lucht), en hoe ver de raket is gekomen. Meerdere keren lanceren.
De maximum afstand wordt ongeveer bereikt wanneer de fles tussen de 30-40% is gevuld.
Les 3
Verwerken van de gegevens:
van te voren maken: lijst met gegevens.
3 dingen voordoen:
- tabel maken met gegevens
- grafiek maken met tabel
- trendlijn aanmaken in de grafiek
Meerdere lijsten, zodat verschillende grafieken gemaakt kunnen worden op het bord, met verschilledne trendlijnen. Hiermee duidelijk maken dat leerlingen zélf zullen moeten kijken welke lijn het beste past.
Ook op ingaan: opmaak van de grafiek.
Voorbeelden van lijsten, met getallen worden toegevoegd in bijlagen.
Stappenplan voor leerlingen maken, die ze kunnen volgen om hun eigen gegevens te presenteren.
Presentatie is zeer kort: screenshot van de grafiek mailen naar docent, zodat die de grafiek op het bord kan laten zien.
