mobilität der zukunft - genius

Antriebstechnik in der Grundschule

Lehrermaterial und Kopiervorlagen Klassen 3 und 4

Mobilität der Zukunft

VERKEHR, MOTOREN, ENERGIE

Stefan Kruse

Antriebstechnik in der Grundschule

Lehrermaterial und Kopiervorlagen

3. und 4. Klasse

Daimler AG | Klett MINT GmbH

Stuttgart

Bildquellennachweis:

17, 18, 19, 20, 23, 37, 45, 47, 48, 49, 56, 60, 63, 64, 66 thinkstockphotos; 17, 20, 22, 23, 24, 25, 27, 31, 34, 37, 47, 48,

49, 54, 55, 60, 63, 64, 66 Daimler AG Stuttgart; 29, 30, 37, 39, 40, 41, 42, 51, 52, 54, 64, 65, 68 Dr. Stefan Kruse; 22 (Dieselmotor – MAN SE), 45, 60 (Fardier Cugnot – Roby | Rocket Stephenson – William M. Connolley | Diesel-

motor – MAN SE) Wikipedia; 19 Open Source Maps; 60 Archäologie Krefeld; 60 Sussex Steam Co.

1. Auflage 1 5 4 3 2 1 | 2016 15 14 13 12

Alle Drucke dieser Auflage sind unverändert. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes.Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intra-nets von Schulen oder sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.Auf verschiedenen Seiten dieses Heftes befinden sich Verweise (Links) auf Internetadressen. Haftungsnotiz: Trotz sorgfältiger inhaltlicher Kontrolle wird die Haftung für die Inhalte der externen Seiten ausgeschlossen. Für den Inhalt dieser externen Seiten sind ausschließlich die Betreiber verantwortlich. Sollten Sie daher auf kostenpflichtige, illegale oder anstößige Seiten treffen, so bedauern wir dies ausdrücklich und bitten Sie, uns umgehend per E-Mail davon in Kenntnis zu setzen, damit beim Nachdruck der Nachweis gelöscht wird.

Titel der Originalausgabe für den NwT-Unterricht an baden-württembergischen Gymnasien: Antriebstechnik – Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, Brennstoffzelle

Autoren: Dr. Tillmann Berger, Sindelfingen; Hartmut Graf, Wörth; Harald Hölz, Schorndorf; Dr. Stefan Kruse, Schwäbisch Gmünd; Josef Maier, Stuttgart; Markus Röscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Scheck, Kirchheim unter Teck

Redaktion: Hanne Lier, Medienwerk LierProjektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner, Janina Karle

Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, StuttgartGestaltung Inhalt: Bettina Herrmann, StuttgartIllustrationen: Alexander Schmitt, as-illustration, RimparBildbearbeitung: Till Traub, Bilderwerkstatt LeonbergReproduktion und Druck: Medienhaus Plump, Rheinbreitbach

Printed in GermanyISBN 978-3-942406-05-5

Vorwort

Liebe Lehrerinnen und Lehrer,

Verkehr, Motoren und Energie - diese Themen beschäftigen Sie und Ihre Schülerinnen und Schüler in der

dritten und vierten Klasse. Mit unseren Unterrichtsmaterialien können die Schüler Fragen wie „Woher kommt

Energie?“ oder „Wie funktioniert ein Motor?“ auf den Grund gehen, und Sie als Lehrkraft haben die

Möglichkeit, interessante, lehrplangerechte und praxisnahe Unterrichtseinheiten rund um die „Mobilität der

Zukunft“ zu gestalten.

Unter dem Motto „Mehr Neugier - mehr Zukunft“ möchte Genius - die junge WissensCommunity von Daimler

Kinder und Jugendliche für technische Themen begeistern. Denn die Begeisterung für Naturwissenschaft und

Technik ist nicht nur der Schlüssel zur erfolgreichen Gestaltung unserer Umwelt und Wirtschaft, sie eröffnet

der nächsten Generation auch hervorragende berufliche Perspektiven.

Mit diesen Materialien bietet bereits der Grundschulunterricht die Möglichkeit, spielerisch die Grundlagen für

das Interesse an technischen und naturwissenschaftlichen Zusammenhängen zu legen. Durch Genius erhalten

Sie als Lehrkraft direkten Zugang zu aktuellen Fragestellungen der Fahrzeugtechnik, didaktisch aufbereiteten

Unterrichtsmaterialien sowie passenden Fortbildungen.

Im fachlichen Austausch von Ingenieuren, Lehrern und Fachdidaktikern und in Zusammenarbeit mit

Klett MINT wurden für die Grundschule alters- und lehrplangerechte Materialien entwickelt, die spielerisch

und anschaulich Einblicke in die vielfältige Welt der Mobilität bieten. Neben interessanten Informationen und

Fragestellungen zu Antriebstechniken werden Schülerinnen und Schüler durch spannende Rätsel und

eigenständiges Bauen und Konstruieren an die Themen Automobil und Mobilität herangeführt.

Klett MINT ist Teil des größten deutschen Bildungsunternehmens und hat sich die Förderung der

MINT-Bildung, also der Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik in Schule, Studium

und Beruf, auf die Fahnen geschrieben. Die Genius-Unterrichtsmaterialien sind ein weiteres Ergebnis der

Zusammenarbeit zwischen der Daimler AG und Klett. Wir hoffen, dass sie Ihnen viele neue Ideen und Impulse

bieten, und wünschen Ihnen viel Freude damit im Unterricht.

Dr. Anna Maria Karl Dr. Dierk Suhr

Leiterin Genius Geschäftsführer

Daimler AG Klett MINT GmbH

Inhaltsverzeichnis

Lehrerinformationen 7

Mobilität und Verkehr

1 Wie war der Verkehr früher? 17

2 Wie sieht der Verkehr heute aus? 19

3 Wer hat die Fahrzeuge erfunden? 21

Verkehr und Verkehrsmittel

4 Woraus besteht ein Auto? 23

5 Wie funktioniert ein Automotor? 25

6 Was braucht ein Motor zum Arbeiten? 27

7 Wir bauen ein Modellauto 29

8 Fahrzeuge produzieren Schadstoffe 31

9 Zum Trainieren und Merken: Alles über Autos und Motoren 33

Energie und Elektrizität

10 Wo kommt die Energie her? 35

11 Alternative Energiequellen 37

12 Experimente mit Elektrizität 39

13 Wir bauen einen Elektromotor 41

14 Zum Trainieren und Merken: Energie und Elektrizität 43

Energie und Mobilität

15 Elektroautos gibt es schon lange 45

16 Warum brauchen Autos „Strom“? 47

17 Warum fahren nicht alle mit einem Elektroauto? 49

18 Wir bauen ein Elektrofahrzeug 51

19 Zum Trainieren und Merken: Energie und Mobilität 53

Mobilität der Zukunft

20 Autos mit zwei Motoren? 55

21 Wie sieht der Verkehr der Zukunft aus? 57

Vorlagen und Lösungen

22 Vorlagen zum Ausschneiden 60

Lösungen Kapitel 1 – 3: Mobilität und Verkehr 71

Lösungen Kapitel 4 – 9: Verkehr und Verkehrsmittel 74

Lösungen Kapitel 10 – 14: Energie und Elektrizität 79

Lösungen Kapitel 15 – 19: Energie und Mobilität 83

Lösungen Kapitel 20 – 21: Mobilität der Zukunft 87

7

Lehrerinformationen

Lehrerinformationen Verkehr vor der Erfindung des Automobils

Jäger und Sammler transportierten bereits in frühen Zivili-sationen Beute und Lebensmittel. Transportiert wurde zu Land und zu Wasser. Dabei waren schwimmende Transport-mittel auf den natürlichen Wasserwegen lange Zeit die wichtigste Transportart. Der Landverkehr war eher unbe-deutend.

Erst mit der Erfindung von Rad und Wagen (etwa Mitte des 4. Jh.s v. Chr.) entwickelte sich langsam auch der Landtrans-port. Durch die Domestizierung von Reit- und Zugtieren wurde das Verkehrsmedium „Land“ allmählich durch ein weiträumiges Straßennetz erschlossen. Dessen Ausbau er-reichte zur Zeit der Römer, etwa 100 n. Chr., mit 65 000 Ki-lometern gepflasterten Straßen den Höhepunkt.

Mit der Erfindung der Dampfmaschine (1712 von Thomas Newcomen) und ihrer Weiterentwicklung von James Watt (1769) stand eine Antriebsmaschine zur Verfügung, die an-fänglich nur stationär eingesetzt wurde. Im gleichen Jahr entwickelte der Franzose Nicholas Cugnot mit seiner Artil-leriezugmaschine das erste Dampffahrzeug, 1803 baute Richard Trevithick einen Straßen-Dampfwagen und 1804 eine fahrende Dampflokomotive. Mit diesen schienenge-bundenen Fahrzeugen und mit dem 1878 in Serie gebauten Dampfwagen „La Mancelle“ von Amédée Bollée begann der Siegeszug des motorisierten Verkehrs.

Auf dem Wasser war der Raddampfer lange Zeit eine Ver-kehrsrevolution, weil er aus eigener Kraft die Flüsse in bei-de Richtungen befahren konnte. Auf dem Festland ermög-lichte die Eisenbahn erstmals für alle Schichten der Bevölkerung Reisen über große Distanzen. Sie verband Dörfer mit Metropolen und Regionen untereinander.

Die Erfindung des Automobils

Im Industriezeitalter, das um 1830 beginnt, werden Maschi-nen erfunden, die mühelos weite Strecken überwinden: Ei-senbahnen überqueren Berge und Täler, Dampfschiffe fah-ren flussaufwärts. Aber noch fehlt ein entscheidendes Glied in der Kette der Mobilität, das den Individualverkehr ermöglicht.

Karl Benz und Gottlieb Daimler forschten unabhängig voneinander an einem kleinen, schnell laufenden Explosi-onsmotor, der ein Fahrzeug antreiben konnte. Nach vielen Rückschlägen war es 1886 so weit: Am 29. Januar meldete Benz seinen in Mannheim konstruierten Motorwagen zum Patent an. Und nur 100 Kilometer entfernt, in Cannstatt, vollendete Daimler seine Motorkutsche. Anders als Karl

Weiterführende Texte zum Modul

„Mobilität und Verkehr“ (AB 1 bis 3)

Straßen

Seit der Erfindung von Fahrzeugen haben Verkehrswege zu Land eine große Bedeutung: als Zugang zu Nahrung und Unterkunft, als Transportwege für den Handel, als Routen für jahreszeitliche Wanderungen und Wallfahrten oder als Hilfsmittel bei Angriff und Verteidigung. Die Straßen, wie wir sie heute kennen, entwickelten sich aus Straßen des Altertums, die in einem Wegenetz wichtige Städte und Orte miteinander verbanden.

Im Mittelalter zerfielen die von den Römern angelegten Straßen fast ganz. Erst im Jahr 1815 wurde durch den briti-schen Ingenieur John McAdam bei Bristol wieder die erste geschotterte Landstraße gebaut. Die Konstruktion mit ei-nem Unterbau aus grobem Schotter und darüber einer Lage aus kleineren, mit Schlacke befestigten Steinen bewährte sich so gut, dass sie schnell in vielen Ländern übernommen wurde. Das noch lange gebräuchliche Wort „Makadam“ für diese Art von Straßen leitete sich vom Namen seines Erfin-ders „McAdam“ ab.

Die Autokarte

Mit dem Siegeszug des Automobils wurde Hilfe bei der Ori-entierung in unbekannter Umgebung notwendig, denn das Automobil führte seinen Fahrer weiter aus der vertrauten Lebenswelt hinaus, als es Kutsche oder Fahrrad je ver-mochten. Anders als bei der Eisen bahn bestimmte der Auto reisende seine Route selbst. Er musste seinen Orientierungs sinn schulen und sich auf das Lesen von Stra-ßenkarten ver stehen.

Infrastruktur

Unter dem Sammelbegriff Infrastruktur werden personelle, materielle oder institutionelle Grundeinrichtungen einer Volkswirtschaft verstanden. Im Bereich Verkehr gehören neben dem Straßenverkehr auch der Schienen-, Luft- und Schiffsverkehr dazu. Die Verkehrsinfrastruktur umfasst ne-ben den Verkehrswegen mit ihren Leitsystemen auch orga-nisatorische und institutionelle Einrichtungen und Regel-systeme wie die Straßenverkehrsordnung. Zunehmend ersetzen vernetzte Verkehrsleitsysteme die herkömmlichen Landkarten.

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Lehrerinformationen

Benz, der vor allem Automobile bauen wollte, träumte Gott-lieb Daimler von der Motorisierung „zu Wasser, zu Lande und in der Luft“. Daimlers Hauptziel war zunächst die Her-stellung von geeigneten Motoren. Gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Wilhelm Maybach entwickelte er in jahrelan-ger Arbeit einen leichten und starken Motor, der ein Fahr-zeug antreiben konnte. Dieser Motor ging als die sogenann-te „Standuhr“ in die Geschichte ein. Daimler und Maybach bauten ihn 1885 zuerst in ein Laufrad ein, den „Reitwagen“, und konstruierten damit das erste Motorrad der Welt. 1886 motorisierten sie ein Boot für Versuchsfahrten auf dem Neckar. Im gleichen Jahr bauten sie eine stärkere Version der „Standuhr“ in eine Kutsche ein. Das Ergebnis war die sogenannte Motorkutsche: das weltweit erste Automobil mit vier Rädern und einem Benzinmotor. Daimler und Benz schafften, was sich die Menschheit seit Erfindung des Rades erträumt hatte: einen Wagen, der sich von selbst fortbewegt – das Automobil.

Fast parallel entwickelte Rudolf Diesel einen selbstzün-denden Motor, der eine höhere Leistung erzielte und stö-rungsunanfälliger arbeitete. Seine „ideale Wärmekraftma-schine“ löste die großen Zündprobleme von herkömmlichen Benzinmotoren, indem verdichtetes Luft-Kraftstoff-Ge-misch unter Druck in den Brennraum eingebracht wurde. Die dabei entstehenden hohen Drücke verhalfen dem Mo-tor zu einer hohen Leistungsausbeute.

Nicolaus August Ottos Viertaktmotoren funktionierten nach dem „Viertaktprinzip“, welches bis heute die Grundla-ge für viele Verbrennungsmotoren ist. 1864 gründete er mit Eugen Langen die erste Motorenfabrik der Welt und 1872 die „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“. Sein 1876 verbesserter Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung wurde später von Wilhelm Maybach weiterentwickelt und in Serie produ-ziert.

1895 bauten Benz & Cie. die ersten beiden Omnibusse der Welt. Mit ihnen begann der motorisierte öffentliche Perso-nenverkehr. Sie verkehrten auf der Strecke Siegen-Net-phen-Deuz. Weil anhaltender Regen die Straßen aufweich-te, waren die Busse nur wenige Wochen im Einsatz.

Mit dem „Modell T“ von Henry Ford erfolgte im Januar 1914 der Durchbruch der Massenfertigung von Automobi-len auf dem Fließband. Die Umstellung der Produktion er-möglichte es, den Verkaufspreis von 850 $ auf 370 $ zu reduzieren. Durch den Beginn der Massenproduktion be-gann auch in anderen Industriebereichen das Wettrennen um eine immer stärkere Rationalisierung der Fließbandfer-tigung. Die „Tin Lizzie“ (Blechliesel) war mit 15 Mio. produ-zierten Fahrzeugen lange Zeit das meistverkaufte Automo-bil der Welt. Erst im Februar 1972 wurde ihr dieser Titel vom VW Käfer abgenommen.

Woher hat der Kotflügel seinen Namen? Als die Straßen noch keine Asphaltdecke hatten, war Autofahren eine schmutzige Angelegenheit. Nicht nur der Matsch spritzte bei nasser Fahrbahn, auch Pferde äpfel wurden von den Rä-dern aufgewirbelt. Um den Fahrer vor Schlamm und Pferde-kot zu schützen, verwendeten die Automobilbauer Schutz-schilde aus Holz, die sie über den Rädern montierten. Mit diesem Bauteil hatten die Karosseriebauer früher bereits ihre Kutschen ausgerüstet. Seiner Funktion verdankt es seinen Namen: „Kotflügel“.

Die Entwicklung der Zündkerze. Alle frühen Motoren hat-ten ein gemeinsames Problem: Die Entzündung des Luft-Kraftstof-Gemisches. Dazu wurde ein elektrischer Funke in einem Magnetzünder erzeugt. Unregelmäßige und zu schwache Funken führten zu Aussetzern der Motoren und begrenzten die theoretische Drehzahl. Erst mit der Ent-wicklung der Hochspannungszündkerze durch die Werk-statt für Feinmechanik und Elektrotechnik von Robert Bosch in Stuttgart wurde dieses Problem gelöst.

Informationen zu AB 4

„Woraus besteht ein Auto?“

Bauteile und Baugruppen

Die Anzahl der Einzelteile, aus denen ein Auto besteht, hängt vom jeweiligen Fahrzeugtyp ab. In ein Automobil der Oberklasse sind aufgrund seiner Ausstattung wesentlich mehr Einzelteile verbaut als in Fahrzeuge der Kompaktklas-se. In der Regel lässt sich anhand des Autotyps, der Motor-art und -größe und der Ausstattung die Menge der Einzeltei-le eines Autos festmachen. Bei einem Mittelklassefahrzeug kann man von durchschnittlich 10 000 verbauten Einzel-teilen ausgehen.

Gewicht und Materialien

Bei einem Leergewicht von einer Tonne besteht ein Auto-mobil aus ca. 600 kg Stahl, 90 kg Aluminium und 10 kg Gusseisen. Reines Eisen ist sehr weich und deshalb für den Fahrzeugbau ungeeignet. Durch Verhüttung von Eisen (Ent-zug von Kohlenstoff) wird es gehärtet und zu Stählen wei-terverarbeitet. Stahl bietet eine große Vielfalt technischer Eigenschaften speziell für Anwendungen in der Karosserie-, Fahrwerk- und Motorentechnik und ist deshalb nach wie vor interessant als Werkstoff im Fahrzeugbau. Außerdem hat Stahl gute Verarbeitungseigenschaften, ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und gute Recyclingmöglichkeiten.

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Lehrerinformationen

Neben der Optimierung der Verbrennungsmotoren und der Gewichtsersparnis durch Leichtbauweise spielt die Fahr-zeuggröße eine entscheidende Rolle bei der Verringerung von Verbrauch und CO2-Emissionen. Allgemein gilt: 100 Ki-logramm weniger Fahrzeuggewicht verringert den Treib-stoffverbrauch um ca. 0,5 Liter/100 km. Den Bemühungen zur Gewichtsverminderung stehen jedoch steigende Sicher-heits- und Komfortansprüche und eine zu nehmende Anzahl von Elektronikkomponenten gegenüber.


„Wie funktioniert ein Automotor?“

Das Luft-Gas-Gemisch

Grundlegend für die Arbeitsweise eines Verbrennungsmo-tors ist die Verbrennung eines Gasgemisches unter hohem Druck. Die durch das Komprimieren und Entspannen des Gasvolumens erreichte Auf- und Abbewegung des Kolbens wird über Pleuel in eine Drehbewegung umgesetzt. Auf dem Arbeitsblatt wird der Zusammenhang der Bewegung von Kolben, Pleuel und Kurbelwelle didaktisch reduziert durch die Grafik verdeutlicht.

Anhand leicht nachvollziehbarer Alltagsbeispiele erschließt sich den Schülerinnen und Schülern ein Gefühl für die Vor-gänge des Arbeitsspiels.

Die darüber hinausführenden Bauteile und Funktionen ei-nes Motors werden nur ansatzweise und stark reduziert behandelt. Auf Fachsprache und den richtigen Gebrauch aller Begrifflichkeiten sollte Wert gelegt werden.

Die Funktion von Verbrennungsmotoren

Um Ottomotoren mit Verbrennungsgasen zu versorgen und die verbrannten Gase nach dem Arbeitstakt wieder ins Freie zu befördern, müssen die Brennräume (Zylinder) über Ein- und Auslassventile zum richtigen Zeitpunkt geöffnet und wieder geschlossen werden. Bereits seit 1900 werden Einlass- und Auslassventile über Nockenwellen gesteuert (Mercedes-Vierzylinder, 35-PS-Modell).

Die Nockenwelle bewirkt, dass die Ventile zum richtigen Zeitpunkt für die richtige Zeitdauer mit dem richtigen Hub geöffnet werden, um den Motor mit Verbrennungsgasen zu versorgen und nach der Verbrennung die Abgase aus dem Zylinder herauszulassen. Die Form des Nockens kann vari-ieren und beeinflusst dadurch z. B. die Ventilöffnungs zeiten.


„Was braucht ein Motor zum Arbeiten?“

In vielen Wissenschaftsdisziplinen arbeitet man mit den Be-griffen Stoff, Energie und Information.

In der Biologie beispielsweise wird der Transport von Stof-fen, Energie und Information als Voraussetzung für Lebewe-sen angesehen, ihren komplexen Stoffwechsel und andere Lebensvorgänge zu koordinieren und aufrechtzuerhalten. Auch in der Technik ist ein technisches System entspre-chend gekennzeichnet. Durch die Funktion, Stoff (Masse), Energie und / oder Information zu wandeln, zu transportie-ren und / oder zu speichern, werden Maschinen, Geräte und Apparate definiert.

Bereits in der Grundschule sollte dieser Zusammenhang spielerisch eingeführt werden. Durch die Erfahrungen aus dem Lebensbereich der Schülerinnen und Schüler werden die Komponenten, die zum Betrieb eines Fahrzeugs mit Mo-tor notwendig sind, mit dieser technischen Grundstruktur verbunden.


„Wir bauen ein Modellauto“

Hinweise zur unterrichtlichen Umsetzung

Um die Thematik auch mit praktischen Inhalten zu verbin-den, soll ein einfaches Modellfahrzeug hergestellt werden. Das Modell wird in den folgenden Kapiteln zu einem Elekt-rofahrzeug mit Energiespeicherung weiterentwickelt. Das Basisfahrzeug besteht aus einer Bodenplatte und einer Ka-rosserie aus Karton. Die Kopiervorlagen auf Seite 61 f. müs-sen dazu auf dünnen Karton geklebt werden. Danach müs-sen die beiden Vorlagen an den markierten Stellen bzw. den Falznähten ausgeschnitten werden. Die notwendigen Löcher für die Schraubverbindungen der Achs- und Motor-halterungen können mit einem einfachen Vorstecher, ei-nem Akkuschrauber mit 3-mm-Bohrer oder einem Hammer mit spitzem Nagel produziert werden. Nach dem Montieren der Winkel für die Achshalterungen werden die Fahrzeugrä-der auf die Achsen gesteckt.

Die Karosserie wird an den vorgegebenen Falzstreifen ver-klebt. Die Ecken können bei Bedarf zusätzlich mit Heft-klammern oder Tesastreifen verstärkt werden. Gleiches gilt auch für die Verbindung von Bodenplatte und Karosserie, da diese Verbindung durch späteres Auf- und Zuklappen des Fahrzeugs entsprechend beansprucht wird. Zum Schluss wird das Fahrzeug zusammengeklappt und durch eine zuvor in der Innenseite der Karosserie eingeklebte Musterbeutelklammer verbunden.

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Lehrerinformationen

Stückliste

• Kopiervorlage für Bodenplatte (Seite 61) und dünner Karton ca. 200 x 80 x 2 – 3 mm

• Kopiervorlage für Karosserie (Seite 62) und dünner Karton ca. 200 x 270 x 1 mm

• 4 Räder, Anschlussbuchse 3 mm, Durchmesser 27 mm

• 4 Metallwinkel 10 x 10 mm• 2 Achsen Durchmesser 3 mm, Stahl, Länge 70 mm • 4 Schrauben M3, 10 mm und Muttern• 1 Musterbeutelklammer, Schere, Klebstoff, Tesafilm,

Lineal


„Fahrzeuge produzieren Schadstoffe“

Schadstoffe und Filtersysteme

Zu den durch den Individual- und Massenverkehr freige-setzten Schadstoffen zählen Abgase und Rußpartikel, Fein-staub, der durch den Abrieb der Reifen, der Fahrbahn und der Bremsbeläge entsteht, und Reste von Schmierstoffen.

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen haupt-sächlich Stickstoff (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Was-serdampf. Diese Emissionen sind eigentlich unschädlich, man geht aber davon aus, dass Kohlenstoffdioxid-Emissio-nen zur globalen Erwärmung beitragen. Daneben entstehen beim Verbrennungsprozess auch schädliche Emissionen wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxide (NOx). Kohlenstoffmonoxid ist ein gifti-ges, farb- und geruchloses Gas. Kohlenwasserstoffe sind ein wichtiger Bestandteil von Smog. Stickstoffoxide verur-sachen Atemwegserkrankungen, sind für hohe Ozonwerte verantwortlich und mitverantwortlich für die Versauerung von Böden und Gewässern. Feinstaubpartikel und Diesel-rußpartikel von weniger als 10 Mikrometer Größe gelten ebenfalls als gefährlich, weil sie bis in die Lunge des Men-schen gelangen und Atemwegserkrankungen hervorrufen können.

Die durch Abrieb entstehenden Feinstäube lassen sich durch technische Maßnahmen nur bedingt verringern. Da-gegen kann die Schadstoffkonzentration in den Abgasen durch unterschiedliche technische Verfahren effektiv ver-ringert werden.

Katalysatoren reduzieren die Schadstoffe im Abgas stark. Zentrales Bauteil ist ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik mit einer Vielzahl dünnwandiger, wabenförmi-ger Kanäle. Diese sind mit katalytisch aktiven Edelmetallen, z. B. mit Platin, Rhodium oder Palladium, beschichtet.

Als Erfinder des Autoabgaskatalysators gilt der französi-sche Ingenieur Jules Houdry. Aufgrund der hohen Schad-stoffbelastung in amerikanischen Großstädten machte sich Houdry Gedanken über den Einfluss von Autoabgasen auf die Luftverschmutzung. 1956 entwickelte er einen paten-tierten Autoabgaskatalysator und gründete die „Oxy Cata-lyst Company“, ein Unternehmen, das Abgaskatalysatoren für Benzinmotoren entwickeln sollte. Seine Idee war ihrer Zeit weit voraus. Die ersten Autoabgaskatalysatoren wur-den von dem damals im Kraftstoff enthaltenen Blei zer-stört.

Ein Dieselrußpartikelfilter reduziert die Partikel im Abgas von Dieselmotoren. In der Automobilindustrie werden zwei Funktionsprinzipien unterschieden. In sogenannten Wand-stromfiltern muss das Abgas eine poröse Wand durchdrin-gen. Durch diesen Prozess wird es gefiltert. In Durchfluss-filtern fließt das Abgas im Filter an einer großflächigen Oberfläche entlang und wird dadurch gefiltert.

Um den Ausstoß von schädlichen Abgasen und Rußparti-keln zu begrenzen, gibt es die Euro-Schadstoffnormen. In ihnen wird festgelegt, wie viele Schadstoffe maximal freige-setzt werden dürfen. Dabei wird zwischen Benzin- und Die-selmotor unterschieden und die Grenzwerte werden konti-nuierlich verschärft.

Seit September 2009 gilt die Schadstoffnorm Euro 5 mit unterschiedlichen Grenzwerten für Benzin- und Dieselmo-toren. Die Schadstoffnorm Euro 6 wird ab September 2014 gelten und noch einmal Verschärfungen für Dieselmotoren mit sich bringen.

Umweltzonen

Gemäß einer EU-Richtlinie müssen Städte geeignete Maß-nahmen umsetzen, um die Luftqualität zu verbessern. Seit dem 1. Januar 2005 gilt EU-weit ein Grenzwert für Fein-staub und seit dem 1. Januar 2010 ein zusätzlicher Wert für Stickstoffdioxid (NO2). So richten immer mehr Städte und Gemeinden Umweltzonen ein, in denen Pkw und Lkw mit hohem Schadstoffausstoß bzw. unzureichenden Filtersys-temen nicht mehr fahren dürfen. Zur Kennzeichnung der Umweltzonen dient ein Verkehrszeichen. Außerdem erhal-ten Pkw, Nutzfahrzeuge und Busse Plaketten, die die einge-haltenen europäischen Grenzwertstufen farbig darstellen (rot, gelb, grün). Die Plaketten enthalten die Nummer der Schadstoffgruppe sowie ein Schriftfeld für das Kfz-Kenn-zeichen. Die Zuordnung der Kraftfahrzeuge zu den Schad-stoffgruppen erfolgt nach der in den Fahrzeugpapieren ein-getragenen Emissionsschlüsselnummer.

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Lehrerinformationen

Internetadressen

• Geschichte der Fahrzeugtechnik:

http:// autotipps.net/kfz-lexikon/geschichte-des-

automobils

http:// de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_des_

Automobils

http://de.wikipedia.org/wiki/Verkehrsmittel

www.automobil-museum.com/

www.stationspage.de/automobil/geschichte.htm

• Funktionsweise eines Otto-Viertaktmotors:

http://de.wikipedia.org/wiki/Ottomotor

http://de.wikipedia.org/wiki/Verbrennungsmotor

www.kostenlose-referate.de/referate/WkBWL/104.pdf

www.mymobil.de/kfz/motoren.html

www. uni-muenster.de/imperia/md/content/

fachbereich_physik/technik_didaktik/

funktionsmodell_ottomotor.pdf

• Arbeitstakte und Arbeitsdiagramm:

http:// library.thinkquest.org/C006011/german/sites/

ottomotor.php3?v=2

http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/otto/

• Katalysatoren, Feinstaubfilter, Umweltzonen:

http:// autotipps.net/kfz-lexikon/auspuffanlage/

katalysator

www. autozeitung.de/bussgeldkatalog-

feinstaubanordnung-umweltzonen

www. firmen-banner.de/Russpartikelfilter-

Dieselautos.html

www.kfz-tech.de/Partikelfilter.htm

www. kfztech.de/kfztechnik/motor/abgas/

kata lysator.htm

www.kues.de/leistungen/halter/unt_b/feinstaub.aspx

www.umweltbundesamt.de/umweltzonen/

Informationen zu AB 10 „Wo kommt

die Energie her?“ und AB 11

„Alternative Energiequellen“

Erdöl entstand im Laufe von Millionen Jahren bei der Um-wandlung organischer Stoffe und ist in der Erdkruste einge-lagert. Entdeckt wurde Erdöl schon vor 12 000 Jahren im Vorderen Orient, da es eine niedrigere Dichte als Wasser besitzt und dadurch in verschiedenen Gesteinsschichten an die Erdoberfläche steigt und dort zutage tritt. Zuerst wurde es zum Abdichten von Schiffsplanken (Bitumen), als Schmierstoff für Achsen und Räder und als Kriegswaffe (Griechische Feuer) genutzt. Die systematische Erschlie-ßung des Rohstoffs erfolgte erst 1856 und 1858 mit ersten Bohrungen in Niedersachsen. Der daraus folgende Boom wurde bis in die heutige Zeit stetig gesteigert. Allein in den Jahren von 2000 bis 2009 wurden weltweit etwa 38,5 Billi-

onen Liter gefördert. Erdöl gilt heute als die Grundlage un-serer Industriegesellschaft und ist neben seiner Eigen-schaft als wichtigster Energieträger auch Ausgangsstoff für zahlreiche Produkte der chemischen Industrie, wie Dünge-mittel, Kunststoffe und Medikamente.

Das Sedimentgestein Kohle entstand im Laufe von Millio-nen Jahren durch Karbonisierung von Pflanzenresten. Bei ihrer Verbrennung wird Wärme freigesetzt, die z. B. zur Stromerzeugung genutzt werden kann. So ist derzeit die Kohleverbrennung weltweit eine der meistverbreiteten Techniken zur Erzeugung elektrischer Energie.

Umweltbewusstsein und Alternativen

Erdöl und Kohle zählen zu den fossilen Energiequellen, die endlich sind, sodass sich die Ressourcen allmählich er-schöpfen. Daher wird es immer schwieriger und teurer, neue Ölfelder und Kohleflöze zu erschließen. Dies bedeu-tet, dass dringend Alternativen zu diesen Rohstoffen gefun-den werden müssen.

Durch das wachsende Umweltbewusstsein geraten Benzin-verbrauch und Schadstoffausstoß der Automobile in die Diskussion. Bereits in den 1960er Jahren begann man, al-ternative Antriebsenergien für Fahrzeuge zu entwickeln. Die Ingenieure versuchen, Benzin durch Erdgas, Strom, Al-kohol oder Wasserstoff zu ersetzen. Es bedarf technischer Entwicklungen, um den Verbrauch zu senken und die Emis-sionen zu reduzieren. Daher sollte bereits in der frühen technischen Bildung damit begonnen werden, Alternativen aufzuzeigen.

Alternative Kraftstoffe unterscheidet man durch die Art ihrer Gewinnung. Die wichtigsten alternativen Kraftstoffe in Deutschland sind Erdgas, Biogas, Ethanol aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen, Biodiesel aus veresterten Pflan-zenölen, reine Pflanzenöle aus Raps, Sonnenblumen oder Leindotter, Wasserstoff und BtL-Kraftstoff (biomass to liquid) aus Biomasse, wie z. B. Holz oder Stroh.

Der folgenden Tabelle ist zu entnehmen, dass flüssige Treib-stoffe bessere Heizwerte haben. Bei verflüssigten Gasen hängt der Energieinhalt stark vom Druck ab.

Kraftstoff Aggregat-

zustand

Dichte

in

kg/m3

Heizwert

in

kWh/kg

Heizwert

pro Volumen

in kWh/m3

Wasserstoff flüssig 67,8 37 2360

Erdgas gasförmig 0,81 12 2580

Flüssiggas flüssig 540 12,8 6966

Superbenzin flüssig 740 12,0 8760

Methanol flüssig 787 6,11 4800

Ethanol flüssig 789 7,44 5900

Diesel flüssig 833 11,8 9800

Pflanzenöl flüssig 920 10,0 9200

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Lehrerinformationen

Photovoltaik

Unter Photovoltaik wird in der Technik die direkte Umwand-lung von Sonnenlicht in elektrische Energie verstanden. Diese Technik wird seit Beginn der 1960er Jahre mithilfe von Solar- bzw. Photovoltaikzellen genutzt. Unter anderem werden diese Zellen auf Dach- und Freiflächen, an Schall-schutzwänden und in Taschenrechnern eingesetzt.

Die Kosten einer Photovoltaikanlage sind zum großen Teil von Art und Qualität der Komponenten abhängig. Eine Pho-tovoltaik-Dachanlage benötigt ca. 8 – 9 m2 Fläche pro Kilo-watt Leistung. Auf das Fahrzeug in AB 11 Aufgabe 4 bezo-gen bedeutet dies, dass bei einem Motor von 40 KW Leistung eine Solarfläche von etwa 500 m2, das bedeutet im Vergleich etwa 7 – 10 % eines Fußballfeldes, notwendig wäre!

Herstellung und Speicherung von

Wasserstoff

Um Wasserstoff zu produzieren, gibt es hauptsächlich drei Methoden: die Reformierung, thermo-, bio- oder photoche-mische Prozesse und die Elektrolyse. Aufgrund der Komple-xität und der Gefahr von Wasserstoff sind alle Verfahren nicht zur Demonstration im Unterricht der Grundschule ge-eignet. Im Beispiel der Aufgabe 6 wird die Elektrolyse ange-rissen: Wasser wird durch einen elektrolytischen Spal-tungsprozess in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt.

In Europa gibt es große Überschussmengen an Wasser-stoff, die meist als Nebenprodukt in Rohölraffinerien und in der chemischen Industrie anfallen. Diese Kontingente könnten günstig für erste Anwendungen im Verkehr einge-setzt werden, da sie bisher mangels geeigneter Verwen-dungsmöglichkeiten vernichtet werden. Mit der derzeitig in Deutschland verfügbaren Menge könnten vorübergehend sogar die ersten Brennstoffzellen-Fahrzeuge betrieben werden. Für eine flächige, langfristige Versorgung muss je-doch eine Wasserstoff-Infrastruktur neu entwickelt werden.

Am sinnvollsten erweist sich die Herstellung von Wasser-stoff durch Elektrolyse aus regenerativen Energiequellen wie Biomasse oder auch Wind-, Wasser- oder Sonnenkraft. Gerade Solar- und Windenergie bieten ein großes Potenzial, da durch die Wasserstoff-Erzeugung insbesondere die Dis-kontinuität dieser Energien überbrückt werden könnte. An dieser Stelle ausreichende Kapazitäten aufzubauen, bleibt eine der großen Herausforderungen der Zukunft.


„Experimente mit Elektrizität”


Um eine Grundlage für das Verständnis von Elektromobili-tät zu bilden, sollten einfache Experimente zum elektri-schen Stromkreis, zu grundlegenden Bauteilen und zu So-larzellen gemacht werden. In Aufgabe 2 werden die grundlegenden Bauteile der Elektrotechnik zugeordnet. Sinnvoll ist es, den Schülern die Originalteile möglichst zur Verfügung zu stellen. Im Folgenden wird ein einfacher Stromkreis erst theoretisch eingezeichnet und dann prak-tisch aufgebaut. Je nach verwendeten Bauteilen können die Drahtlitzen unterschiedlich befestigt werden. Als Erweite-rung der Aufgabe 3 sollte neben dem Getriebemotor in Auf-gabe 4 auch die Glühlampe angeschlossen werden. Die Polung der Batterie spielt nur beim Anschluss des Elektro-motors eine Rolle.

Bei den Versuchen mit der Solarzelle ist auf eine gute Son-nenausrichtung zu achten. Bei diffusem Tageslicht muss mit einer hellen Lampe ausgeholfen werden. Bei Aufgabe 5 b) ist auf die richtige Polung des Kondensators zu achten. Je nach Sonneneinstrahlung muss der Kondensator zwi-schen einer und drei Minuten geladen werden.

Stückliste

• Getriebemotor 3 V• 1 Schalter, 1 x um• 1 Batteriehalter für eine AA-Zelle und Batterie• 4 Litzen je 1 x 20 mm• 1 Glühlampe mit Fassung 2,2 V• 1 Solarzelle 2 V, mind. 40 mA • 1 Goldcap-Kondensator 1 – 2 F, ca. 16 V


„Wir bauen einen Elektromotor”


Neben Batterien bilden Elektromotoren die wichtigste Grundlage der Elektromobilität. Daher ist es wichtig, be-reits früh ein Verständnis für die Wandlung elektrischer in mechanische Energie auszu bilden. Der Bau eines einfachen Elektromotors motiviert dazu, dem Thema zukünftig offen gegenüberzustehen. Das Funktionsprinzip des vorgestell-ten Elektromotors unterscheidet sich erheblich von der professionellen Motorentechnik. Im Sinne einer didakti-schen Reduktion kann dies jedoch vernachlässigt werden. Der Motor besteht aus einer Spulenwicklung, einer Halte-

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rung, einem Permanentmagneten und der Stromversor-gung. Alle Komponenten werden auf einer Bodenplatte aus Karton befestigt. Die Kopiervorlage der Bodenplatte sollte auf festen Karton geklebt und die notwendigen Befesti-gungslöcher wie beschrieben gesetzt werden.

Bei der Herstellung der Spule ist darauf zu achten, dass der verwendete Draht mit einem Schutzlack überzogen ist (Kupferlackdraht), der entfernt werden muss. Wichtig ist eine gründliche Abisolierung der beiden Drahtenden, indem der Lack mit Schleifpapier oder einem scharfen Gegen-stand abgekratzt wird. Der Draht wird über ein ca. 2 cm starkes Rundholz (z. B. Besenstiel) gewickelt. Die Anschluss-enden müssen dabei in möglichst exaktem rechten Winkel abstehen. Zur besseren Fixierung kann die Spule an mehre-ren Stellen mit Klebeband fixiert werden. Um spätere Un-wucht zu vermeiden, muss man darauf achten, dass immer auch an gegenüberliegenden Stellen fixiert wird.

Abschließend werden die Metallwinkel zur Aufnahme der Spule, der Schalter und der Batteriehalterung mit Muster-beutelklammern auf der Bodenplatte befestigt. Bei der Ver-drahtung der Bauteile sind auch hier verschiedene Befesti-gungsarten möglich. Vor Inbetriebnahme wird der Permanentmagnet mit etwas Klebstoff exakt unter der Spu-le fixiert. Je nach Spulenstellung muss der Motor zum Start eventuell etwas angestoßen werden. Um ein übermäßiges Erwärmen der Batterie zu vermeiden, ist bei Außerbetrieb-nahme des Motors darauf zu achten, dass der Schalter wirklich ausgeschaltet ist. Es wird außerdem empfohlen, die Batterie zu entfernen.

Stückliste

• Kopiervorlage für Bodenplatte (Seite 67) und dünner Karton ca. 200 x 80 x 2 – 3 mm

• Getriebemotor 3 V• ca. 100 cm Kupferdraht für Spulenwicklung

(Kupferlackdraht)• 2 Winkel für Motorenhalterung aus Metall 10 x 20• 3 Litzen je 10 cm, kunststoffisoliert • 1 Permanentmagnet, so stark wie möglich• 1 Schalter, 1 x um • 1 Batteriehalter für eine AA-Zelle und Batterie• Tesafilm, Kleber, Rundholz, Schleifpapier, Schere• 8 Schrauben M 3, 10 mm mit Muttern (oder Muster-

beutelklammern)


„Elektroautos gibt es schon lange”

Geschichte des Elektroantriebs

Bereits die ersten Automobilunternehmen setzten auf Elek-tromotoren. Die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde stellte bereits 1898 ein erstes Elektrofahrzeug vor. Partner des Projekts war die US-amerikanische Colum-bia Electric Company in Connecticut, die bis 1918 Elektro-autos baute. 1899 bot die Motorfahrzeug- und Motorenfab-rik Berlin-Marienfelde auf der Basis des amerikanischen Patents vier verschiedene Personenwagen an. Ihr Elektro-motor übertrug seine Kraft über einen Zahnradantrieb auf die Hinterachse. Mit der raschen Entwicklung des Verbren-nungsmotors konnte das Elektromobil nach dem System Columbia Electric jedoch nicht mithalten. So wurde die Pro-duktion in Berlin-Marienfelde bereits 1902 wieder einge-stellt.

Der erste Mercedes mit elektrischem Antrieb entstand 1907 in Wien. Insbesondere für Feuerwehren und Busse wurden die Fahrzeuge vom Typ Mercedes-Electrique einge-setzt. Für solche Elektroautos entschied sich 1908 auch die Berliner Feuerwehr, als ein neuer Löschzug mit vier Merce-des-Electriques in Dienst gestellt wurde. Das erste Konzept für einen modernen Elektrotransporter entstand bei Mer-cedes-Benz 1972. 1988 brachte die Firma erste Transpor-ter mit Elektroantrieb auf den Markt. 1993 entstand ein Prototyp auf Basis der C-Klasse mit Asynchron-Elektromo-tor als Antrieb. Zebra-Hochenergiebatterien von AEG gaben dem Konzeptfahrzeug eine Reichweite von 120 Kilometern. In den folgenden Jahren entstanden Versuchsfahrzeuge mit Hochenergiebatterien vom Typ Zebra auch auf Basis des Transporters Vito 108 E und der A-Klasse. Batteriefahrzeu-ge stellen jedoch, umweltpolitisch gesehen, letztlich nur eine Notlösung dar, denn die Schadstoffemissionen entste-hen bei der Stromerzeugung in den Kraftwerken. Hybridan-triebe und auf lange Sicht gesehen Brennstoffzellenfahr-zeuge mit der Stromerzeugung an Bord bieten die deutlich besseren fahrdynamischen und wirtschaftlichen Alternati-ven.


„Warum brauchen Autos „Strom“?“

Elektrischer Strom im Auto

Moderne Autos verfügen über zahlreiche elektrische Kom-ponenten. Einerseits sorgen diese Geräte für Bequemlich-keit und Sicherheit, erhöhen andererseits aber den Treib-stoffverbrauch dramatisch. So kostet eine kWh Strom im

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Lehrerinformationen

Auto derzeit umgerechnet etwa einen Euro (vgl. im Haus-halt etwa 0,20 €). Durch entsprechende Sparmaßnahmen und effizientere Technik ließen sich bis zu 30 Prozent des Treibstoffverbrauchs einsparen.

Rekuperation

Die Energierückgewinnung durch Bremsen wird als Reku-peration (lateinisch recuperare = wiedererlangen, wieder-gewinnen) bezeichnet. Die rekuperative Bremse in einem Fahrzeug fungiert als Bremssystem, das die Bremsenergie entweder in ein Stromnetz (bei Zügen und Oberleitungsbus-sen) oder in einen Energiespeicher (bei Elektroautos oder Elektrofahrrädern) zurückspeist. In modernen Hybrid autos wird die durch Rekuperation gewonnene elektrische Ener-gie in der Batterie, in einem Speicherkondensator oder in einem Schwungradspeicher gespeichert.

Informationen zu AB 17 „Warum fahren

nicht alle mit einem Elektroauto?”

Deutschland will eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung und Einführung neuer Mobilitätsformen übernehmen. Eine Million Elektroautos sollen bis 2020 auf den Straßen zu se-hen sein. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert die Schaffung ge-eigneter Rahmenbedingungen, damit Automobilhersteller in diese Zukunftstechnologie investieren und Elektrofahr-zeuge für Kunden attraktiv werden.

Mit dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich viele Ar-gumente für und gegen Elektrofahrzeuge finden. Kritische Aspekte sind die geringere Reichweite, Batterieprobleme und das höhere Preisniveau von Elektrofahrzeugen. Mittel-fristig lassen sich bei einer Erstnutzung von vier Jahren mehrere 1000 € als Kostennachteil gegenüber vergleichba-ren konventionellen Fahrzeugen verzeichnen. Derzeit gibt es keine steuerlichen oder anderweitigen Vergünsti gungen für Elektrofahrzeuge. Schwerwiegend wird außerdem ein möglicher Komfortverlust bei der Nutzung empfunden. Auf der positiven Seite stehen ein geräuscharmer Betrieb und die Umweltfreundlichkeit mit der Hoffnung auf effektivere Motoren und eine einfache, zukunftsweisende Technik.

Elektrische Energiespeicherung

Wohl das größte Problem von Elektrofahrzeugen ist die Energiespeicherung. Trotz intensiver Bemühungen der Au-tohersteller wird sich das Problem kurzer Reichweiten und teurer Akkus in den kommenden Jahren kaum ändern. Wäh-rend der Elektromotor technisch bereits ziemlich ausgereift ist, befindet sich die Energiespeichertechnologie noch in der Entwicklung.

Die elektrische Energie lässt sich indirekt oder direkt spei-chern: In einem Tank wird Wasserstoff gespeichert, der in einer Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgewandelt wird, oder die elektrische Energie wird direkt in einem Akku gespeichert.

Zur Speicherung elektrischer Energie waren früher Blei- und Nickel-Cadmium-Akkus üblich. Diese Batterien konn-ten bei einem recht hohen Gewicht nur eine geringe Menge Energie speichern. Mit Blei-Akkus lassen sich in Elektro-fahrzeugen lediglich Reichweiten von maximal 100 km pro Ladung erreichen.

Ein großer Fortschritt in der Akkumulator-Technologie wur-de durch die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus er-reicht. Reichweiten von mehr als 300 km pro Aufladung sind derzeit möglich. Problematisch bei Li-Ion-Akkus sind allerdings der hohe Anschaffungspreis und eine Anfälligkeit zur Überhitzung, d. h. zur Brandgefahr.

Eine neue Entwicklung sind sogenannte Lithium-Titanat-

Akkus. Sie sind nicht feuergefährlich und haben einen 20-mal höheren Ladezyklus als Li-Ion-Akkus. Außerdem kön-nen sie innerhalb von zehn Minuten an speziellen Ladestationen geladen werden, während bisherige Akkus mindestens vier Stunden benötigen.

Jüngste Forschungen setzen sich mit der Entwicklung eines Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkus auseinander. Zwei Eigenschaften machen diese Batterie für die Automobilin-dustrie interessant: Erstens besitzt der Akku die besonders hohe Energiedichte von 1100 Wh/kg. Damit übertrifft er alle herkömmlichen Akkumulatoren um ein Vielfaches und er ermöglicht es, mehr Energie zu speichern und die Reich-weite der Fahrzeuge zu verlängern. Zweitens verfügt der Akku über einen besonderen Elektrodenschutz. Dadurch zersetzen sich die Elektroden deutlich langsamer, was die Nutzungsdauer der Akkus verlängert.

Eine weitere Möglichkeit, elektrische Energie zu speichern, bieten Kondensatoren. Vorteil ist ihr Wirkungsgrad von fast 100 %. Allerdings ist die Energiedichte für eine sinnvolle Nutzung in Elektrofahrzeugen zu niedrig und ihr Preis ist noch zu hoch.

Die Energiedichte

Die Energiedichte von Brennstoffen wird in Wh pro Volu-men/pro Masse angegeben. Generell ist eine hohe Energie-dichte gewünscht. Dadurch werden hohe Reichweiten von Fahrzeugen erzielt und Transportkosten für den Energieträ-ger niedrig gehalten.

Energiedichten verschiedener Brennstoffe können der Ta-belle auf Seite 11 entnommen werden. Zum Vergleich: Mo-derne Li-Ionen-Akkus besitzen eine Energiedichte von

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Lehrerinformationen

130 Wh/kg, Blei-Säure-Akkus (gewöhnliche Autobatterien) 35 Wh/kg, Ni-MH-Akkus 90 Wh/kg. Für das Jahr 2020 wer-den Energiedichten von 200 Wh/kg für die Li-Ionen-Akkus in Elektroautos angepeilt.


Im vorliegenden Arbeitsblatt wird auf die Einführung des Maßes der Energiedichte verzichtet und stattdessen in Energieeinheiten pro Kilogramm gerechnet.

Die Berechnungen sind für Grundschüler sehr schwierig durchzuführen. Als Alternative und Erleichterung kann man die Lösung bekannt geben und von den Schülerinnen und Schülern auf Papier mit Rechenkästchen ein Balkendia-gramm anlegen lassen:

„Ein Kästchen mit 5 mm soll 10 kg entsprechen. Zeichne das Gewicht der Energiespeicher für beide Motoren zum Vergleich untereinander.“bzw.„Ein Kästchen mit 5 mm soll 10 km entsprechen. Zeichne die Reichweiten beider Tankfüllungen zum Vergleich unter-einander.“


„Wir bauen ein Elektrofahrzeug”


Um Fahrzeug- und Elektrotechnik zusammenzuführen, wird das in AB 7 gebaute Fahrzeug mit einem Elektroantrieb und einem Energiespeicher ausgerüstet. Dazu muss die hintere Achse samt Halterung aus dem Modellauto entfernt wer-den. Danach muss die Aussparung für den Getriebemotor an den markierten Stellen mit einer möglichst spitzen Schere oder einem Teppichmesser ausgeschnitten werden (sofern das noch nicht geschehen ist).

Verwenden die Schülerinnen und Schüler ein Teppichmes-ser, muss eine gründliche Sicherheitseinweisung erfolgen.Danach kann der Getriebemotor von unten in die Boden-platte eingeschoben und mit zwei Schrauben und Muttern montiert werden. Nun werden Schalter und Batteriehalte-rung samt Batterie montiert und verdrahtet. Je nach ver-wendeten Bauteilen sind unterschiedliche Anschlussarten möglich.

In Aufgabe 3 wird die Batterie durch einen Kondensator er-setzt. Vorteile des Kondensators sind seine schnelle Lade-fähigkeit und seine geringe Größe. Beim Anschließen ist auf die richtige Polung des Kondensators zu achten. Nach der Montage kann das Auto wieder geschlossen und gegebe-nenfalls die Räder auf der Achse verklebt werden.

Um den Kondensator zu laden, wird in Aufgabe 4 eine So-lartankstelle gebaut. Dazu sind die Kopiervorlagen auf Sei-te 69 auf dünnen Karton zu kleben, an den markierten Stel-len auszuschneiden und an der Falznaht zu knicken. Die Solarzelle wird mit den vorgegebenen Bohrlöchern befes-tigt bzw. die Anschlussleitungen durch diese hindurchge-führt. Je nach verwendeter Zelle können die Lochabstände abweichen. Gegebenenfalls kann die Zelle auch mit Tesa-film oder Klebstoff auf der Halterung fixiert werden. Mit ei-nem einfachen Kartonstreifen auf der Rückseite wird die Zelle zur Sonne ausgerichtet.

Beim Laden des Kondensators ist auf eine gute Sonnenaus-richtung zu achten. Bei diffusem Tageslicht muss mit einer hellen Lampe ausgeholfen werden. Je nach Sonnenein-strahlung dauert das Laden des Kondensators zwischen einer und drei Minuten. Je nach Kapazität des Kondensa-tors sollte das Fahrzeug mit einer Ladung etwa zehn Meter fahren.

Stückliste

• Kopiervorlage für Halterung der Solarzelle (Seite 69) und dünner Karton ca. 200 x 80 x 2 mm

• Getriebemotor 3 V• 5 Litzen 20 cm, kunststoffisoliert • 2 Litzen 60 cm, kunststoffisoliert • 1 Steckbuchse, 2-polig mit Madenschraube • 1 Stecker, 2-polig mit Madenschraube • 1 Schalter, 1 x um• 1 Batteriehalter für eine AA-Zelle und Batterie• 8 Schrauben M 3, 10 mm mit Muttern• Goldcap-Kondensator 1 – 2 F, ca. 16 V • 1 Solarzelle 2 V, mind. 40 mA • 2 Lüsterklemmen • Schere oder Teppichmesser, Tesafilm, Kleber


„Autos mit zwei Motoren?”

In Hybridfahrzeugen arbeiten mehrere Antriebssysteme auf unterschiedliche Weise zusammen. Derzeit werden in der Regel Verbrennungsmotoren zusammen mit Elektromoto-ren eingesetzt. Die Motoren können parallel arbeiten, dann wirken die Antriebe gleichzeitig auf den zu bewegenden Teil, oder seriell arbeiten, dann wirkt nur ein Antrieb unmit-telbar auf den zu bewegenden Teil, während der andere nur Leistung bereitstellt, die umgewandelt dem direkt wirken-den Antrieb zugeführt wird. Auch Mischformen sind mög-lich. Die derzeitigen Hybridmodelle sind Kompromisslösun-gen, da zwei verschiedene Motortypen zu einem höheren Gewicht führen und die Umwelt noch immer durch Schad-stoffe belastet wird.

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Lehrerinformationen

Informationen zu AB 21 „Wie sieht

der Verkehr der Zukunft aus?”

Intelligente Stromnetze

Um traditionelle Energieversorger, private Erzeuger von re-generativer Energie und die in geladenen Akkus von Elektro-autos zur Verfügung stehende Energie zu koordinieren und den Verbrauch bzw. die Einspeisung abzurechnen, bedarf es eines intelligenten Stromnetzes. Die sogenannten „Smart Grids“ bezeichnen intelligente Stromnetze, welche die Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Spei-chern, Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energie-übertragungs- und -verteilungsnetzen der Elektrizitätsver-sorgung umfassen.

Smart Grids werden zukünftig steuern, welche Anlagen den Strom für die Verbraucher produzieren, welche Netze ge-schaltet werden, um den Strom zu den Nutzern zu leiten, und welche Energiespeicher eingesetzt werden, um den Energieverbrauch, der über den Tag verteilt stark schwankt, an die tatsächliche Energieversorgung anzupassen.

Neue Konzepte des Individualverkehrs

Eine mögliche Lösung, um den Individualverkehr aufrecht-zuerhalten, wären elektrisch betriebene Klein- und Kleinst-fahrzeuge. Um lokale Emissionen zu vermeiden, werden gerade in Großstädten mehr und mehr Fahrzeuge elek trisch betrieben sein. Dort könnten kleine Kabinenroller und zwei-sitzige Fahrzeuge eine Lösung gegen einen drohenden Ver-kehrskollaps sein. Mit einem 10 – 15 kW starken Elektromo-tor, der das Fahrzeug auf bis zu 130 km/h bringt und eine Reichweite von 70 – 100 Kilometer ermöglicht, würden die-se Fahrzeuge dem Großteil der Mobilitätsansprüche vieler Pendler genügen. Längerfristig werden jedoch auch diese Fahrzeuge den Individualverkehr in Megastädten nicht be-dienen können.


In Aufgabe 5 sollten die Schülerinnen und Schüler frei ent-scheiden können, wie sie ihr Traumauto darstellen: lieber als Skizze/ Zeichnung oder lieber als Beschreibung oder lieber als Anforderungsliste …

Internetadressen

• Informationen über alternative Kraftstoffe:

http://alternative-kraftstoffe.com/

http://de.wikipedia.org/wiki/Alternative_Kraftstoffe

www.alternativekraftstoffe.de

www.chemie-am-auto.de/alternativen/index.htm

www. energie-sparen-info.de/alternative-kraftstoffe.

html

www.spritmonitor.de/de/alternative_kraftstoffe.html

• Informationen über Elektroautos:

http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto

www. elektroauto-nachrichten.de/category/

elektro auto-akkus/

www.elektromobilitaet-vda.de

www.oeko.de/oekodoc/1337/2011-001-de.pdf

• Informationen über Batterietechnologien:

www.chemie-interaktiv.net/flashfilme.htm#redox

www. chempage.de/theorie/galvanisches%20element.

html

www. elektroniknet.de/automotive/technik-

know-how/antriebstechnik/article/1347/0/

Die_Batterie_ist_der_Schluessel/

www. mhhe.com/physsci/chemistry/

essential chemistry/flash/galvan5.swf

• Informationen zur Funktionsweise eines

Elektromotors:

http:// autotipps.net/alternative-antriebe/

elektrofahrzeuge/elektromotor

www. auto2null.de/2010/11/05/elektroauto-

funktionsweise/

www. elektroauto-hybridauto.de/elektroauto/

funktionsweise-des-elektromotors-wie-

funktioniert-ein-elektro-antrieb/

• Informationen zu Intelligenten Stromnetzen:

http://smarter-grid.org/

www. faz.net/aktuell/wirtschaft/unternehmen/smart-

grid-das-stromnetz-beginnt-zu-denken-1859063.

html

www. hse.ag/geschaeftsfelder/netze/stromnetz/

smart-grids-das-stromnetz-der-zukunft

www.smart-grid-21.de/

www.spiegel.de/thema/smart_grid/

www.warum-smartgrid.de/

www. wdr.de/tv/quarks/sendungsbeitraege/

2012/0117/007_strom_2.jsp

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2012 17

1 Wie war der Verkehr früher?

Als die ersten Autos vor etwa 130 Jahren erfunden wurden, sahen die Straßen fast überall so aus:

1. Beschreibe, welche Probleme Reisende zu dieser Zeit hatten.

1

3. Zähle auf, mit welchen Verkehrsmitteln vor der Erfindung des Automobils lange Strecken zurückgelegt

wurden.

2. Streiche alle Fortbewegungsmittel aus, die es vor hundert Jahren nicht gab.

FRÜHERFRÜHER

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 201218

1 Wie war der Verkehr früher?

4. Welche Geschichte passt zu welchem Fahrzeug? Ergänze die Wege, die zu den jeweiligen

Fortbewegungsmitteln führen.

Ab 1890 waren immer mehr Menschen mit

diesem lustig anzuschauenden Gefährt unter-

wegs. Es war leicht und einfach zu bedienen.

Fast jeder konnte sich dieses Fahrzeug leis-

ten. Auf einer schlechten Straße war es aber

recht gefährlich.

Etwa 1835 verkehrte dieses Fahrzeug das

erste Mal in Deutschland. Einige Jahre später

fuhr dieses Transportmittel in fast jede große

Stadt. Mit ihm konnte nun jeder Mensch

recht günstig weite Strecken zurücklegen.

Diese Fahrzeuge bestimmten im 18. und

19. Jahrhundert das Straßenbild. Das Reisen

war sehr bequem. Nur die Reichen konnten

sich dieses Fahrzeug leisten, da auch ent-

sprechende Tiere dazu benötigt wurden.

Diese Art von Transportmittel nutzen die

Menschen schon sehr lange. Besonders

verbreitet war es, wenn schwere Lasten weit

transportiert werden mussten. Weil dieses

Fortbewegungsmittel besondere Wege

benötigt, kann es nicht überall verwendet

werden.


2 Wie sieht der Verkehr heute aus?

Weltweiter Personen- und Warenverkehr ist heutzutage selbstverständlich. Eine Vielzahl an verschiedenen

Fortbewegungsmitteln ermöglicht uns, mobil zu sein.

1. Schreibe alle Fortbewegungsmittel auf, die uns heute zur Verfügung stehen.

2

2. Zähle auf, welche Verkehrswege wir heute nutzen.

3. Landkarten – Bilder von Verkehrsverbindungen

a) Was stellen die verschiedenen Linien auf der

Landkarte dar?


2 Wie sieht der Verkehr heute aus?

b) Welche Personen benötigen und nutzen solche Landkarten?

4. Welches Fahrzeug solltest du wählen? Schreibe in die Sprechblasen.

5. Moderner Verkehr hat gute und schlechte Seiten. Sammle Stichwörter!

gute Seiten schlechte Seiten

um die Ecke in den

Gemüseladen

zu Omis Geburtstag

zum Einkaufscenter

am Stadtrand

in den Urlaub

zur Schule


3 Wer hat die Fahrzeuge erfunden? 3

1. Wenn man wichtige Ereignisse bei der Entwicklung der Fahrzeuge in eine Reihenfolge bringt, entsteht

ein Zeitstrahl. Schneide die Bilder und die Bezeichnungen auf Seite 60 aus und klebe sie in richtiger

Reihenfolge auf.

ca. 4000 v. Chr.

ca. 3000 v. Chr.

ca. 1712

ca. 1771

ca. 1835

ca. 1867

ca. 1886

ca. 1893

ca. 1914

Ich bin in Holzhausen geboren. Als junger

Mann begann ich mit Motoren zu experimen-

tieren und gründete die erste Motorenfabrik

der Welt, in der Motoren für die Industrie

gebaut wurden. Bis heute ist mein Motoren-

prinzip die Grundlage für viele Verbrennungs-

motoren, auch wird mein Name immer noch

für alle Benzinmotoren verwendet.

Ich komme aus Schorn dorf. Als Maschinen-

bauingenieur entwickelte ich die Motoren

weiter. Ein von mir gebauter Motor sah

anfangs aus wie eine „Stand uhr“ und wurde

in Schiffe, Luftschiffe, Motorräder und Autos

eingebaut. Später entwickelte ich eine moto-

risierte Kutsche, die 18 km/h schnell fahren

konnte.

Ich wurde in Paris geboren und war immer

der Beste in der Schule, auch mein Studium

beendete ich mit dem besten Abschluss-

examen. Da mich immer schon Maschinen

interessierten, entwickelte ich einen Motor,

der eine deutlich höhere Leistung erzielte als

die bisherigen Maschinen. Nach mir wurde

ein Treibstoff benannt.

Ich komme aus Karlsruhe und hatte den

Traum einen Wagen mit eigenem Antrieb

zu bauen! Nach viel Mühe gelang es mir,

ein dreirädriges Fahr zeug zu entwickeln,

das 18 km/h schnell fahren konnte. Mit

meinem „Wagen ohne Pferde“ fuhren meine

Frau Bertha und zwei unserer Söhne von

Mannheim nach Pforzheim.


3 Wer hat die Fahrzeuge erfunden?

2. Hier findest du einige wichtige Erfinder aus der Automobilgeschichte. Leider ist alles etwas durcheinander

gekommen. Ordne den Texten und Bildern die passenden Buchstaben zu.

AA BB CC DD

Ich heiße

Karl Benz.

Was verbindest du

mit mir?

Ich heiße

Rudolf Diesel.

Was verbindest du

mit mir?

Ich heiße

Gottlieb Daimler.

Was verbindest du

mit mir?

Ich heiße

Nikolaus Otto.

Was verbindest du

mit mir?


4 Woraus besteht ein Auto?4

1. Ein modernes Auto besteht aus etwa 10 000 einzelnen Teilen. Diese Teile werden zu Baugruppen

zusammengefasst.

Verbinde die folgenden Baugruppen mit den passenden Abbildungen.

2. Jedes Teil in einem Auto hat eine bestimmte Funktion. Aus jedem der genannten Bereiche ist ein Teil

vorgegeben. Schreibe weitere passende Teile auf die Linien.

Sicherheit

Motor

Komfort

Karosserie

Antrieb

Fahrgestell Inneneinrichtung

Multimedia

Airbags Sitzheizung Getriebe Navigationssystem


4 Woraus besteht ein Auto?

3. In einem modernen Fahrzeug sind zahlreiche unterschiedliche Materialien verbaut.

Zähle möglichst viele verschiedene Materialien in einem Auto auf und finde ein Beispiel für deren Einsatz.

Einige Beispiele sind vorgegeben.

Aluminium

Fenster, Spiegel

Keramik

Karbon

4. Jedes Fahrzeug ist für einen besonderen Zweck gebaut. Je nach Einsatzbereich ist der zur Verfügung

stehende Platz im Fahrzeug unterschiedlich aufgeteilt. Vergleiche die folgenden Fahrzeugarten und bewerte

die Platzverteilung.

Kofferraum Fahrgastraum

sehr großer Kofferraum

Raum für wenige Personen

viel Raum für sehr viele

Personen

Hier wird Luft eingefüllt.

Hier wird der Kraftstoff eingefüllt.

Hier wird das Luft-Kraft-stoff-Gemisch gezündet.

Hier wird die Ladung abgeschossen.

Hier wird die Kraft der Ladung weitergeleitet.

Hier wird die Kraft in eine Drehbewegung gewandelt.

Hier wird die Kraft auf das Antriebsrad geleitet.


5 Wie funktioniert ein Automotor?5

Auf den ersten Blick scheint ein moderner Automotor sehr

kompliziert zu sein. Wenn man sich aber ein bisschen mit

Motoren beschäftigt, fällt auf, dass es gar nicht so schwer zu

verstehen ist, wie sie funktionieren.

Es gibt einen tollen Vergleich, der die Vorgänge in einem

Motor verdeutlicht: Man kann sich nämlich einen Automotor

ein bisschen wie eine umgebaute Kanone vorstellen.

Die Kanone wird mit Luft und Kraftstoff geladen.

Das Gemisch wird angezündet. Die Kanonenkugel kann nach dem Abschießen aber nicht losfliegen,

sondern sie wird durch eine Stange abgefangen. Diese Stange leitet die Energie auf eine Kurbel weiter.

Die Kurbel ist mit dem Antriebsrad des Autos verbunden und dreht dieses. Dieser Vorgang läuft sehr oft

hintereinander ab. Ist doch ganz einfach, oder?

1. Zeichne zu den Beschreibungen Pfeile an die richtige Stelle in das Bild ein.

2. Warum wird für den Verbrennungsvorgang in einem Motor auch Luft benötigt?

3. Mit welchem Bauteil wird in einem Automotor das Benzin gezündet?

1. Wenn sich der Kolben nach unten bewegt, wird über den Ansaugkanal frisches Gas in den Motor

gesaugt.

2. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt im Brennraum das Gas zusammen.

3. Die Zündkerze zündet das zusammengedrückte Gas.

4. Das Gas explodiert und bewegt den Kolben nach unten.

5. Die erzeugte Kraft wird in die Kurbelwelle geleitet und von dort weiter zu den Rädern.

6. Wenn der Kolben wieder nach oben kommt, wird das verbrannte Gas durch den Abgaskanal aus dem

Motor hinausgedrückt.

7. Nun bewegt sich der Kolben wieder nach unten und saugt dadurch frisches Gas in den Motor.

Der gleiche Vorgang wiederholt sich sehr oft.


5 Wie funktioniert ein Automotor?

4. Hier siehst du den Aufbau eines modernen Automotors. Ordne die unterstrichenen Bauteile zu.

Schreibe sie in die vorgesehenen Kästchen.

Stoff Energie

Information


6 Was braucht ein Motor zum Arbeiten? 6

Alle technischen Vorgänge benötigen Stoff, Energie und Informationen. Beim Kuchenbacken beispielsweise

werden die Stoffe Mehl, Eier und Zucker verwendet. Man benötigt Energie zum Rühren und zum Backen. Im

Kochbuch müssen die Informationen gesucht werden, wie viel von welchen Zutaten (Stoffen) benötigt wird und

mit welcher Temperatur (Energie) der Kuchen gebacken werden muss.

1. Sortiere die aufgeführten Beispiele für Stoff, Energie und Informationen, die benötigt werden, damit ein

Motor arbeiten kann. Ein Beispiel ist bereits vorhanden.

wie schnell soll gefahren werden, Kraftaufwand zum Lenken und Gasgeben, Luft, Kraftstoff,

Kühlwasser

2. Der Mensch steuert beim Autofahren lediglich die

Informationen bei. Zähle alle Handlungen auf, die dir dazu

einfallen.

– Schmierstoff – Energie für den Zündfunken

– das Mischungsverhältnis

von Luft und Kraftstoff


6 Was braucht ein Motor zum Arbeiten?

3. Um in einem Auto mit Verbrennungsmotor den Kraftstoff in Bewegung umzuwandeln, sind verschiedene

Schritte notwendig.

a) Schneide die Bauteile auf Seite 61 aus und klebe sie an der richtigen Stelle in das Fahrzeug ein.

b) Beschrifte die eingeklebten Bauteile mit den folgenden Begriffen und unterstreiche die verwendeten Wörter:

Antriebswelle, Benzinpumpe, Getriebe, Kraftstofftank, Verbrennungsmotor, Verteilergetriebe

4. Zeichne mit Farbe den Fluss des Kraftstoffes und der Antriebsenergie in das Auto ein.

1. Aus dem Kraftstofftank fließt Kraftstoff in die Benzinpumpe.

2. Der mit Luft vermischte Kraftstoff strömt in den Motor.

3. Die im Motor umgewandelte Energie wird als Bewegungsenergie an das Getriebe weitergegeben.

4. Vom Getriebe wird die Bewegung über eine Antriebswelle an ein Verteilergetriebe geleitet.

5. Vom Verteilergetriebe wird die Bewegung auf die Antriebsräder verteilt.

1. Klebe die Kopiervorlage der Bodenplatte auf

einen Karton.

2. Schneide alles an den aufgedruckten Linien

aus und bohre mit einem spitzen Gegen -

stand die Löcher für die Schrauben vor.

3. Montiere mit Schrauben und Muttern zwei

Metallwinkel für die Befestigung der

Hinterachse an der Unterseite.

4. Montiere zwei weitere Metallwinkel für die

Befestigung der Vorderachse an der

Unterseite.

1. Stecke die Vorder- und die Hinterachse

durch die Winkel.

2. Befestige die vier Räder an den Achsen.

3. Prüfe, ob sich die Achsen gut drehen und

dein Fahrzeug gut rollt.


7 Wir bauen ein Modellauto7

Mit wenig Aufwand lässt sich ein richtiges Modellfahrzeug bauen. Für die einzelnen Schritte brauchst du

folgende Bauteile:

Kopiervorlagen für die Bodenplatte

und die Karosserie auf den

Seiten 61 und 62,

Karton zum Aufkleben,

4 Metallwinkel 10 x 10 mm,

4 Räder (ø 27 mm),

2 Achsen (70 mm),

4 Schrauben M 3 und 4 Muttern,

1 Musterbeutelklammer,

Lineal, Schere, Klebstoff,

Tesafilm

1. Der Bau und die Montage der Bodenplatte:

2. Der Einbau der Achsen und der Räder:

1. Klebe die Kopiervorlage für die Karosserie

auf einen Karton.

2. Schneide alles an den aufgedruckten Linien

aus.

3. Knicke die schraffierten Flächen im rechten

Winkel ab. Verwende ein Lineal als Hilfe.

4. Knicke die vier Seiten der Karosserie leicht

ab. Auch hier hilft ein Lineal.

5. Falte die Karosserie zusammen und

verklebe sie an den schraffierten Flächen.

Etwas Tesafilm fixiert die Flächen, bis der

Klebstoff trocken ist.

1. Klebe den Falz an der vorderen Seite der

Karosserie auf die vordere Seite der

Bodenplatte. Etwas Tesafilm fixiert die

Flächen, bis der Klebstoff getrocknet ist.

2. Stecke eine Musterbeutelklammer von

innen durch das hintere Loch im Falz und

fixiere die Klammer mit Tesafilm.

3. Klappe die Karosserie zu und befestige mit

der Musterbeutelklammer die Karosserie

am hinteren Teil des Fahrzeugs mit der

Bodenplatte.

4. Fertig, dein Fahrzeug ist nun fahrbereit!


7 Wir bauen ein Modellauto

3. Der Zusammenbau der Karosserie:

4. Die Montage der Karosserie und der Bodenplatte:

Ich fange die kleinen Rußteilchen, die in Abgasen von Dieselmotoren vorhanden sind, und baue sie ab.

Ich wandle schädliche Bestandteile, die in den Abgasen von Benzinmotoren vorhanden sind, in unschädliche Stoffe um.


8 Fahrzeuge produzieren Schadstoffe8

Bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem Motor

entstehen schädliche Stoffe. Dieser Kreislauf lässt

sich mit der Nahrungsaufnahme eines Lebewesens

vergleichen: Nahrung wird aufgenommen, die

enthaltene Energie umgewandelt und Schadstoffe

werden ausgeschieden.

1. Die durch den Verkehr freigesetzten Schadstoffe werden durch viele Dinge verursacht.

Ordne die folgenden Begriffe zu.

Gummiteilchen der Reifen, Abgase, Feinstaub, Staubteilchen der Bremsbeläge, Ölreste,

austretende Benzindämpfe

2. Welche Reinigungssysteme von Motoren werden hier gesucht?

3. Jeder Deutsche verbringt jährlich durchschnittlich 60 Stunden im Stau. Dabei verbraucht er etwa 150 Liter

Kraftstoff. Wie ließe sich diese Verschwendung vermeiden?

frei

frei

frei

Erlaubnis für Fahrzeuge, die die neuesten

Abgasvorschriften nicht einhalten können.

Erlaubnis für ältere Fahrzeuge, die noch

viele Schadstoffe produzieren.

Erlaubnis für alle Fahrzeuge, die die

strengste Abgasvorschrift einhalten.

„Schadstoffreiche Fahrzeuge“

Mit einem Liter Kraftstoff kommt ein Schiff etwa 100 km, die Eisenbahn 60 km, ein Auto 25 km, ein Lkw 20 km und ein Flugzeug 1 km weit.

„Geringfügig schadstoff-

reduzierte Fahrzeuge“

Um eine Tonne Gewicht einen Kilometer weit zu transportieren, produziert ein Schiff 30 g, die Eisenbahn 50 g, ein Auto 90 g, ein Lkw 150 g und ein Flugzeug 2500 g CO2-Gas.

„Schadstoffreduzierte

Fahrzeuge“


8 Fahrzeuge produzieren Schadstoffe

4. Die Menge macht es aus! Ein großes Problem unserer Gesellschaft ist nicht der Schadstoffausstoß von

einzelnen Fahrzeugen, sondern die Menge der vielen Fahrzeuge auf unseren Straßen. Hier ein paar Fakten:

a) Zeichne in die folgenden Balken ein, wie weit

ein Liter Kraftstoff jeweils reicht.

b) CO2-Gas wird für die Erwärmung der Erde

verantwortlich gemacht. Zeichne ein, wie viel

von diesem Gas pro km für jede transportierte

Tonne Gewicht produziert wird.

5. Damit die Luft sauberer wird, sperrt man Fahrzeuge, die viele Schadstoffe produzieren, aus unseren Städten

aus. Du hast sicher schon gesehen, dass es zu diesem Zweck rote, gelbe und grüne Umweltplaketten gibt.

a) Verbinde die Plaketten mit den richtigen Schadstoffgruppen.

b) Ordne die Umweltzonen den richtigen Fahrerlaubnissen zu.

Schiff

Eisenbahn

Auto

Lkw

Flugzeug

10 km 20 km 30 km 40 km 50 km 60 km 70 km 80 km 90 km 100 km

Schiff

Eisenbahn

Auto

Lkw

Flugzeug

500 g 1000 g 1500 g 2000 g 2500 g 3000 g


9 Zum Trainieren und Merken: Alles über Autos und Motoren

1. Kreuzworträtsel zum Wiederholen:

a) Trage die gesuchten Begriffe zum Thema „Autos und Motoren“ in das Kreuzworträtsel ein.

9

1 2

3 6

4 5

9

8 10

7 11

12

13 14

15

16 17 18

19

20

21

b) Schreibe das gesuchte Lösungswort in die Kästchen. Verwende dafür die blau umrandeten Buchstaben von

oben nach unten.

waagerecht 1. Fahrzeug für Wasserwege 3. bewegt sich im Brennraum nach unten 4. „Straßen“ für Flugzeuge 7. Autoerfinder aus Schorndorf (Nachname) 14. Einzelne Bauteile fasst man zu einer … zusammen. 15. Autoerfinder, nach dem ein Kraftstoff benannt ist

(Nachname) 16. wird in Automotoren verbrannt 20. Stoff, Energie und … 21. Hier wird die Bewegungsenergie in einem

herkömmlichen Auto erzeugt.

senkrecht 2. Fahrzeug für Luftwege 5. Sie braucht Schienen zum Fahren. 6. Fahrzeug für Warentransport 8. Fahrzeug mit zwei Rädern ohne Motor 9. Fahrzeug mit zwei Rädern und Motor 10. wird zur Verbrennung von Kraftstoff benötigt 11. erster Antrieb von Eisenbahnen 12. wird durch Schadstoffe belastet 13. benötigt man zum Zurückhalten von Staub 17. sehr schnell fahren 18. Motorenerfinder aus Holzhausen (Nachname) 19. Antriebseinheit in einem Fahrzeug

Dieses Teil an einem Fahrzeug verhindert Unfälle:

Motor

Energie

Bauteile und

Baugruppen

Stoff Information

Verkehrs-

verbindungen


9 Zum Trainieren und Merken: Alles über Autos und Motoren

2. Hast du verstanden, was alles benötigt wird, um mit einem Auto mit Verbrennungsmotor fahren zu können?

Schneide die verschiedenen Begriffe auf Seite 63 aus. Ordne sie den vorgegebenen grauen Überbegriffen zu

und klebe sie an den passenden Stellen auf.


10 Wo kommt die Energie her?

Zum Fahren benötigen Fahrzeuge Energie. Auch im Haushalt benötigt man Energie, z. B. Strom für den

Kühlschrank oder den Fernseher. Aber woher kommt diese Energie und warum werden beim Produzieren und

Umwandeln von Energie Schadstoffe erzeugt?

1. Die zum Autofahren benötigte Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen.

Welche Arten von Energie für Fahrzeuge kennst du?

110

2. Beschreibe die möglichen Speicherorte der Energie in einem Fahrzeug.

Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor .

Die elektrische Energie in einem Fahrzeug wird gespeichert.

3. Um ein Auto mit Verbrennungsmotor zu bewegen, benötigt man Kraftstoff. Diesen kann man an Tankstellen

kaufen. Doch wo kommt er her? Schneide die Bilder und Beschriftungen auf Seite 64 aus und klebe sie in der

richtigen Reihenfolge auf.

Stinker!Umweltzerstörer!


10 Wo kommtdie Energie her?

4. Um Haushaltsgeräte oder Pedelecs (E-Bikes) zu betreiben, benötigt man Strom. Dieser kommt in der Regel

aus der Steckdose. Aber wo wird der Strom hergestellt? Schneide die Bilder und Beschriftungen auf Seite 65

aus und klebe sie in der richtigen Reihenfolge auf.

5. Bei elektrischem Strom sieht man, im Gegensatz

zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, nicht

gleich, dass auch hier Schadstoffe entstehen.

a) Schau dir die Zeichnung an. Wo liegt der Irrtum?

Beschreibe.

b) Was müsste man tun, um „sauberen“ Strom zu gewinnen?


11 Alternative Energiequellen11

Um die Umwelt zu entlasten, werden Autos mit Elektroantrieb in Zukunft eine große Rolle spielen.

Solange man Strom aber durch die Verbrennung von Kohle und Öl gewinnt oder Atomstrom produziert,

werden weiterhin Schadstoffe entstehen. Daher sucht man Alternativen zur Stromherstellung, die

sauber und günstig sind.

1. Alle Energieträger unterteilt man in endliche und in

erneuerbare Energieträger. Schau dir die beiden Bilder an

und beschreibe, was man darunter versteht.

Endliche Energie .

Erneuerbare Energie .

2. Kennst du umweltfreundliche Kraftwerke zur Stromgewinnung?

Zähle alle Energieerzeuger auf, mit denen man umweltfreundliche Energie gewinnen kann.

3. Man sieht immer öfter große, flache Behälter auf

Hausdächern. Weißt du, wie diese „Behälter“ heißen und

was man damit macht?

4. Was kann an dem hier abgebildeten Auto nicht

funktionieren?


11 Alternative Energiequellen

5. Beschreibe, warum noch nicht alle Häuser Solarzellen auf dem Dach haben. Setze die Textteile in den

Wolken richtig zusammen.

6. Ein Problem beim Einsatz von erneuerbaren Energien ist die Speicherung des erzeugten Stroms.

Eine zukunftsweisende Möglichkeit ist die Wasserstofftechnologie: Wenn man elektrischen Strom in Wasser

leitet, wird ein Gas erzeugt, das Wasserstoff heißt. Dieses Gas kann gespeichert werden und verbrennt sehr

gut und sauber.

Schneide die Abbildungen auf Seite 66 aus und klebe sie in der richtigen Reihenfolge auf.

ihrer Herstellung

Kraftwerken, die

Strom aus anderen

wird nur produziert,

auf sie trifft. z. B. Kohle oder Öl

verbrennen, ist

sehr teuer. Strom

Solarzellen sind in

wenn genug Licht

viel billiger.


12 Experimente mit Elektrizität12

1. Welche elektrischen Geräte kennst du? Zähle auf:

2. Kennst du auch die wichtigsten Bauteile in der Elektrotechnik? Schneide die Bilder auf Seite 66 aus und

klebe sie an der richtigen Stelle auf.

3. Um elektrische Geräte zu betreiben, werden mindestens vier Teile benötigt: eine Stromquelle, ein

Verbraucher, ein Schalter und die Verbindungsleitungen zwischen den Bauteilen.

Zeichne die Verbindungsleitungen zwischen den folgenden Bauteilen der Schaltung ein und beschrifte alles.

Die Namen der Bauteile findest du in Aufgabe 2.

Kondensator

Solarzelle

Elektromotor mit

Getriebe

Batterie

Schalter

Glühlampe mit

Fassung

Stromleitung

Batteriehalterung


12 Experimente mit Elektrizität

4. a) Baue die Schaltung aus Aufgabe 3 nach. Dafür benötigst

du: Elektromotor, Batterie, Schalter, Verbindungsleitungen,

Lampe. Teste deine Schaltung und prüfe, ob du richtig

gearbeitet hast.

b) Die Batterie in deiner Schaltung hat zwei Anschlüsse,

die man Plus- und Minuspol nennt. Was passiert, wenn du in

deiner Schaltung die Batterie anders herum anschließt?

c) Tausche in deiner Schaltung den Motor gegen eine Lampe. Wie verhält sich deine Schaltung diesmal,

wenn du die Batterie anders herum anschließt?

5. Tausche nun die Batterie gegen eine Solarzelle.

Mit ihr lässt sich aus Sonnenenergie Strom herstellen.

a) Baue die Schaltung auf und experimentiere

mit Licht und Schatten.

Bei Tageslicht .

Im Schatten .

Im Dunkeln .

b) Die Energie der Solarzelle lässt sich in einem Kondensator

speichern. Dazu wird dieser zusätzlich zur Glühlampe in

deiner Schaltung angeschlossen. Was passiert in den

folgenden Fällen?

Die Solarzelle wird nur kurz ins Licht gehalten.

Die Solarzelle wird lange ins Licht gehalten und dann abgedeckt.

1. Knicke ein 2 cm langes Stück des Kupferdrahts

im rechten Winkel ab.

2. Halte das 2 cm lange Drahtstück mit einer

Hand fest und wickle den Rest des

Kupferdrahts um ein Rundholz oder einen

Besenstiel, sodass eine Spule entsteht.

3. Lass auch am anderen Ende 2 cm Draht stehen.

4. Um die Drahtenden zu befestigen, solltest

du sie einmal um die Spule wickeln.

1. Damit die Spule nicht auseinanderfällt,

klebst du beide Seiten mit etwas Tesafilm

zusammen.

2. Da der Draht mit einem Schutzlack

überzogen ist, musst du ihn an den beiden

2 cm langen Enden gründlich abschleifen.

3. Prüfe bei deiner Spule, ob die beiden

Draht enden genau in der Mitte der Spule

liegen und nicht verbogen sind.


13 Wir bauen einen Elektromotor13

Mit einfachen Materialien lässt sich ein toller Elektromotor bauen.

Dazu brauchst du diese Bauteile:

Kopiervorlage für die Bodenplatte

auf Seite 67,


Batteriehalterung, Batterie, Schalter,

2 Metallwinkel 10 x 20 mm,

100 cm Kupferdraht, ein Magnet,

3 ca. 10 cm lange Leitungsstücke,

8 Schrauben, 8 Muttern,

ein Rundholz und Schleifpapier,

Schere, Tesafilm, Kleber

1. Der Bau der Motorspule:

2. Vorbereitung zum Anschluss der Motorspule:

1. Klebe die Kopiervorlage der Bodenplatte auf einen

festen Karton und schneide sie aus.

2. Befestige die beiden Metallwinkel mit Schrauben

und Muttern auf den vorgesehenen Stellen an der

Bodenplatte. Lass die Schrauben aber noch locker.

3. Befestige den Batteriehalter und den Schalter auf

die gleiche Weise auf der Platte.

4. Lege eine Batterie ein. Die Polung spielt keine Rolle.

5. Verdrahte nun deine Schaltung, indem du die losen

Drahtenden unter die Bauteile steckst und dann die

Schrauben gut anziehst.

6. Verbinde dazu zuerst die linke Leitung der

Batteriehalterung mit dem linken Winkel.

7. Nun verbindest du die rechte Leitung mit dem

unteren Anschluss des Schalters.

8. Nun fehlt nur noch die Verbindung vom oberen

Anschluss des Schalters mit dem rechten Winkel.

1. Schiebe nun vorsichtig die Spule in die

beiden oberen Löcher der Metallwinkel.

2. Platziere den Magneten auf der

gekennzeichneten Stelle unter der Spule.

3. Schalte den Schalter an und stoße die Spule

leicht an. Nun müsste dein Motor laufen.

Wenn er nicht läuft, prüfe, ob du den

Schutzlack an den losen Drahtenden auch

richtig entfernt hast.


13 Wir bauen einen Elektromotor

3. Die Herstellung der Bodenplatte und die Montage der Bauteile:

4. Montage und Inbetriebnahme des Motors:


14 Zum Trainieren und Merken: Energie und Elektrizität


a) Trage die gesuchten Begriffe zum Thema „Energie und Elektrizität“ richtig ein.

14

1 2

3 4

5

6 7

8

9/10

11 12 13/14

15

waagerecht 1. wird zum Betreiben elektrischer Geräte benötigt 5. daraus besteht die Spule im Elektromotor 8. Sie transportieren Strom zu den Verbrauchern. 9. Hier wird Energie gespeichert. 11. Wenn sie sich drehen, bewegt sich das Auto vorwärts. 13. dient zum Einschalten von Motoren 15. wandelt Licht in Strom

senkrecht 2. Hier wird aus Öl Kraftstoff hergestellt. 3. zieht Metall an 4. Hier wird mithilfe von Wasser Strom produziert. 5. Hier kann man Energie aus Solarzellen gut speichern. 6. wandelt Strom in Bewegung um 7. wird aus Kupferdraht gewickelt 10. Kraftstoffart 12. wird mit Bohrtürmen gefördert 14. liefert Licht für Solarzellen


oben nach unten.

Aufladbarer Speicher für elektrische Energie (Kurzwort):


14 Zum Trainieren und Merken: Energie und Elektrizität

2. Zeige den Energiefluss für eine zukünftige „saubere“ Energieerzeugung und -nutzung.

a) Verwende die Bausteine auf Seite 68, schneide sie aus und klebe sie in der richtigen Reihenfolge auf.

b) Beschrifte deine Grafik, indem du die vorgegebenen Textblöcke ausschneidest und in die rechte Spalte

klebst.


15 Elektroautos gibt es schon lange15

Die Idee, Autos mit Elektromotor zu bauen, ist bereits sehr alt. In der Zeit, als Karl Benz und Gottlieb Daimler

noch dabei waren, ihre Motorfahrzeuge zu entwickeln, fuhren bereits Elektrofahrzeuge auf den Straßen von

London, Paris und Berlin.

1. Lies dir den folgenden Text durch und beschreibe die Vor- und Nachteile eines

der ersten Elektroautos. Diese Wörter helfen dir:

keine Schadstoffe, Kraftstoff,

ungefährlich, einfach zu bedienen,

Zeit zum Aufladen, Reichweite

2. 1882 fuhr in Berlin der erste Bus mit Elektroantrieb. Reiche Menschen konnten von der Innenstadt in eine

vornehme Wohngegend fahren. Warum wurde der Bus nur für das reiche Viertel gebaut?

Vorteile Nachteile

Das Fahrzeug war sehr leise. Da es noch keine Steckdosen gab,

Mein Name ist Edward Ayrton.

Hier seht ihr mein Fahrzeug, das ich 1882 mit

meinem Freund Perry gebaut habe. Mein Auto hatte

zehn schwere Batterien mit 20 Volt, zwei Schein-

werfer und einen Motor mit einem PS. Wenn die

Straße gut war, fuhr mein Auto 14 km/h

schnell und fast 40 km weit.

1. Aus der Batterie fließt elektrische Energie in das Steuergerät.

2. Je nach Stellung des „Gaspedals“ treibt die elektrische Energie den Antriebsmotor an.

3. Der Elektromotor gibt die Energie über das Getriebe an die Reifen.


15 Elektroautos gibt es schon lange

3. Trotz anfänglicher Erfolge verschwanden die Elektrofahrzeuge wieder aus dem Straßenverkehr. Kannst du

dir vorstellen, warum?

4. Um in einem Elektrofahrzeug elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln, sind verschiedene Schritte

notwendig.

a) Schneide die Vorlagen auf Seite 69 aus und klebe sie an der richtigen Stelle in das Fahrzeug ein.

b) Beschrifte die eingeklebten Bauteile mit den folgenden Begriffen und unterstreiche die verwendeten Wörter.

Elektromotor, Getriebe, Steuergerät, Batterie

c) Zeichne mit Farbe die folgende Reihenfolge in das Auto ein.


16 Warum brauchen Autos „Strom“?16

Elektrischer Strom ist eine der wichtigsten Energieformen unserer

Gesellschaft. Dass Elektrofahrzeuge Strom benötigen, ist klar! Aber

auch für normale Autos ist Strom eine Voraussetzung zum Fahren.

1. Wo wird in einem Auto überall elektrischer Strom benötigt?

Schreibe auf, was dir einfällt.

Zündung

2. Wie und wo wird elektrischer Strom in einem Auto gespeichert?

3. Die Leistung elektrischer Geräte wird in Watt gemessen. Wie viel elektrische Energie wird wohl für welche

der gezeigten Verbraucher benötigt? Verbinde die passenden Bilder und Verbrauchsmengen mit den Begriffen.

etwa 20 000 Watt etwa 150 Watt etwa 3000 Watt etwa 400 Watt

Klimaanlage Elektromotor zum Fahren

Fahrzeug-beleuchtung

Radio


16 Warum brauchen Autos „Strom“?

4. Warum kann man die normale Autobatterie in einem Elektroauto nicht zum Fahren nutzen?

5. Üblicherweise spricht man von einer Autobatterie, aber das ist nicht richtig. Eigentlich müsste man Akku

oder Akkumulator sagen. Warum?

6. Wie speichert man den elektrischen Strom für

Elektrofahrzeuge?

7. Beschreibe, was passiert, wenn ein Auto mit Verbrennungsmotor und ein Elektrofahrzeug den Berg

hinunterfahren und bremsen. Verwende folgende Wörter als Hilfe und unterstreiche, was du verwendet hast.

Schwung, Bremsen, Elektromotor, Schwung, heiß,

in Strom gewandelt

Bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor wird der

durch die

abgebremst. Sie werden ! Bei einem

Elektrofahrzeug wird der durch

den abgebremst und die Energie

.

normale Autobatterie

35 Einheiten pro kg

moderne Lithium-Batterie

130 Einheiten pro kg

Erdgas

10 700 Einheiten pro kg

Dieselkraftstoff


Benzin


Vorteile Nachteile Vorteile Nachteile


17 Warum fahren nicht alle mit einem Elektroauto?17

1. Du hast gelernt, dass Elektrofahrzeuge sehr viel Strom und damit sehr große Batterien benötigen.

Andererseits produzieren Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor viele Schadstoffe und die benötigten Kraftstoffe

gibt es nicht unbegrenzt. Sammle Vor- und Nachteile der beiden Fahrzeugarten mithilfe dieser Stichwörter:

Reichweite (hoch, kurz), Energie (endlich, erneuerbar), Batterien (klein / leicht, groß / schwer),

Lade- / Tankzeiten (kurz, lang), Tankstellen für Kraftstoff oder Strom (viele, wenige), Schadstoffausstoß

2. Um verschiedene Energiearten vergleichen zu können, gibt man an, wie viel Energie in einem Kilogramm

gespeichert ist. Hier steht ein Vergleich der Energieeinheiten pro kg zwischen Autobatterien und Kraftstoffen:

Was bedeutet dieser Vergleich bezogen auf Fahrzeuge?


17 Warum fahren nicht alle mit einem Elektroauto?

3. Um Kraftstoff mit Strom vergleichen zu können, wird von Energieeinheiten und deren Gewicht gesprochen.

Ergänze die fehlenden Teile in der Tabelle.

Fahrzeugmotor

12 800 Energieeinheiten wiegen 1 kg

Tank mit ca. 770 000 Energieeinheiten

ca. 100 000 Energieeinheiten

ca. 10,– €

ca. 5 Minuten

ca. 18 kg CO2-Gas

130 Energieeinheiten wiegen 1 kg

Akku mit 30 000 Energieeinheiten

ca. 20 000 Energieeinheiten

ca. 4,– €

ca. 6 Stunden

ca. 10 kg CO2-Gas

Gewicht der

Energie

Speicherort und

Menge der Energie

Gewicht des

Energiespeichers

Verbrauch für

100 km

Energiekosten für

100 km

Reichweite mit

einer Tankfüllung

Zeit zum

Volltanken

Umweltbelastung

für 100 km

4. Um den Kauf von Elektrofahrzeugen attraktiver zu machen, muss man die in der Abbildung versteckten

Probleme lösen. Ordne folgende Eigenschaften zu:

geringere, günstigere, saubere, größere, höhere, geringeres

5. Sicher ist dir aufgefallen, was passiert, wenn ein aufladbares Gerät älter wird und man es schon oft

aufgeladen hat. Was bedeutet dies für Elektrofahrzeuge?

Stromkosten

Schadstoffgrenzen

Ladezeiten

Stromherstellung

Reichweite

Akkugewicht

1. Klappe die Karosserie deines Fahrzeugs auf und entferne

die Hinterachse sowie die beiden Metallwinkel für die

Befestigung der Hinterachse.

2. Schiebe das Getriebe mit dem Motor in die Aussparung

der Bodenplatte. Die Achse muss zur Rückseite zeigen.

3. Montiere die Batteriehalterung vor den Motor in die

vorgesehenen Bohrungen.

4. Montiere den Schalter an die vorgesehenen Bohrungen am

Heck der Kaosserie. Der Schalter muss von außen

bedienbar sein.

1. Verdrahte nun den Motor mit der Batteriehalterung.

Verbinde dazu die losen Enden einer Leitung jeweils mit

einer Anschlussfahne an dem Elektromotor und der

Batteriehalterung.

2. Verbinde eine weitere Leitung mit der zweiten

Anschlussfahne des Elektromotors und dem Schalter.

3. Verbinde eine dritte Leitung mit der zweiten Anschluss-

fahne am Schalter und der zweiten Anschlussfahne an der

Batteriehalterung. Lege die Batterie ein.

4. Schließe nun die Karosserie mit der Musterbeutelklammer.


18 Wir bauen ein Elektrofahrzeug18

Dein Fahrzeug lässt sich zu einem Elektromobil weiterentwickeln. Du kannst für dein Elektromobil sogar eine

Solartankstelle bauen. Dazu brauchst du folgende Bauteile:

Motor mit Getriebe, Batteriehalterung, Batterie,

Leitungen, Kondensator,

Solarzelle 2 V, 40 mA,

Kopiervorlage für die Solarhalterung auf Seite 69,


8 Schrauben M 3 und 8 Muttern, 1 Schalter,

Schere, Klebstoff, Tesafilm

1. Der Einbau von Elektromotor und Batteriehalterung in dein Fahrzeug:

2. Anschluss und Verdrahtung der Bauteile:

1. Entferne die Batterie mit ihrer Halterung

von der Bodenplatte.

2. Klebe den Kondensator auf die Bodenplatte.

3. Montiere die Steckbuchse für das

Ladekabel des Kondensators in die

vorgesehenen Bohrungen an der

Bodenplatte.

4. Verdrahte den Kondensator mit den beiden

losen Leitungsenden von Elektromotor und

Schalter.

5. Verdrahte zusätzlich mit je einer neuen

Leitung die Anschlüsse der Steckbuchse mit

den Anschlüssen des Kondensators.

6. Schließe nun die Karosserie wieder.

1. Klebe die Kopiervorlage der Solartankstelle auf

einen Karton auf.

2. Schneide alles an den aufgedruckten Linien aus.

3. Klebe den Stützfuß auf der Rückseite an den

vorgesehenen Stellen fest.

4. Stecke die Solarzelle in die vorgesehenen

Halterungen.

5. Verdrahte die Solarzelle mit dem Auto. Verbinde

dazu die losen Enden der Leitungen der Solarzelle

mit den Steckbuchsen am Auto.

6. Stelle die Solartankstelle in die Sonne und lass den

Kondensator ca. 2 Minuten laden.

7. Schließe nun die Karosserie und befestige die

Musterbeutelklammer wieder.

8. Dein Fahrzeug fährt nun mit Solarstrom, wenn du

es einschaltest.


18 Wir bauen ein Elektrofahrzeug

3. Die Umrüstung der Stromversorgung deines Fahrzeugs mit einem Kondensator als Energiespeicher:

4. Bau einer Solartankstelle:


19 Zum Trainieren und Merken: Energie und Mobilität


a) Trage die gesuchten Begriffe zum Thema „Energie und Mobilität“ ein.

19

1

2 3

4 5

6

7 8

9

10

11

12

13

14

15

waagerecht 6. Größenangabe für Energie 9. „Kraftstoff“ für Elektrofahrzeuge 10. Hier kann man Kraftstoff kaufen. 12. Mit ihr lässt sich Strom produzieren. 14. Strecke, die ein Fahrzeug zurücklegen kann 15. Erfinder eines der ersten Elektrofahrzeuge

(Nachname)

senkrecht 1. Zeitraum, bis die Batterie geladen ist 2. Antrieb eines Elektrofahrzeugs 3. In ihr wird Strom gespeichert. 4. Hier wird Energie erzeugt. 5. umweltschädliche Abfallstoffe 7. schnell aufzuladender Stromspeicher 8. eine Batterie mit Energie füllen 11. In ihm wird Benzin transportiert. 13. Kraftstoffart


oben nach unten.

Wird zur Steuerung des Stromflusses zwischen Batterie und Elektromotor benötigt:

G Ä


19 Zum Trainieren und Merken: Energie und Mobilität

2. Zeichne den elektrischen Stromkreis, mit dem man den Elektromotor und den Scheinwerfer in einem

Elektrofahrzeug gleichzeitig betreiben kann. Verwende die hier abgebildeten Bauteile dazu. Schneide die

Bauteile auf Seite 70 aus und verbinde sie, indem du die notwendigen Leitungen einzeichnest.

3. Berechne die Reichweite der folgenden Elektrofahrzeuge in Kilometern.

(Tipp: Eine Batterie kann 130 Energieeinheiten pro kg speichern.)

Fahrzeug Akkugewicht

10 kg

8 kg

400 kg

Energiebedarf

pro km

100 Einheiten

20 Einheiten

450 Einheiten

Reichweite


20 Autos mit zwei Motoren?20

1. Um Antriebsenergie möglichst gut nutzen zu können, wird in modernen Fahrzeugen immer öfter ein

zusätzlicher Elektromotor eingebaut. Was könnte die Aufschrift auf dem Fahrzeug bedeuten? Kreuze die

richtige Antwort an.

Das Auto ist supermodern und fährt hyperschnell.

Das Auto hat einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor.

Das Auto kann auch an der Steckdose aufgeladen werden.

Das Auto gehört der Firma Hybrid.

2. In einem Hybridfahrzeug kann nach Bedarf der Elektroantrieb, der Verbrennungsmotor oder beides

eingeschaltet werden. So lassen sich die jeweiligen Vorteile nutzen.

a) Schneide die Bauteile auf Seite 70 aus und klebe sie an der passenden Stelle in das Fahrzeug ein.

b) Beschrifte die eingeklebten Bauteile mit den folgenden Begriffen. Unterstreiche die verwendeten Wörter.

Elektromotor, Verbrennungsmotor, Batterie, Kraftstofftank, Getriebe, Steuergerät, Antriebswelle,

Verteilergetriebe

c) Zeichne mit zwei verschiedenen Farben den Fluss des Kraftstoffes und des elektrischen Stroms ein, wenn

beide Motoren gleichzeitig eingeschaltet sind.

Mikro-Hybrid

Mild-Hybrid

Voll-Hybrid

Der Verbrennungsmotor wird zeitweilig durch einen

Elektromotor unterstützt, z. B. beim Anfahren oder beim

Beschleunigen.

Es wird ein Elektromotor mit einer leistungsstarken Batterie

und einem Verbrennungsmotor kombiniert. So werden die

Vorteile beider Systeme optimal genutzt.

Der Verbrennungsmotor wird um eine Anlage erweitert. Diese

Anlage schaltet den Motor automatisch ab, wenn er nicht

benötigt wird, z. B. an der Ampel oder im Stau. Möchte man

weiterfahren, wird der Motor wieder angeschaltet. So kann man

Kraftstoff sparen.


20 Autos mit zwei Motoren?

3. Wegen unterschiedlicher Ansprüche der Autofahrer hat man Elektroantriebe auf verschiedene Arten mit

Verbrennungsmotoren kombiniert. Hier findest du drei Arten von Hybridsystemen. Ordne zu:

4. Wann lohnen sich Hybridfahrzeuge?

Familie Kruse möchte sich ein neues Auto kaufen, mit dem man Energie sparen kann

und das weniger Schadstoffe produziert. Daher hat sie sich zum Kauf eines Hybridautos

mit kleinem Benzinmotor, starkem Elektromotor und großer Batterie entschlossen.

Das Auto verbraucht fast die Hälfte weniger Benzin und produziert ein Drittel weniger

Schadstoffe. Allerdings mussten Kruses für den Hybridantrieb 9000 € mehr bezahlen. Da sie aber damit

rechnen, dass ein Liter Benzin bald über 2,00 € kosten wird, haben sie die Mehrkosten in Kauf genommen.

Folgende Überlegung hat sich Vater Kruse vor dem Kauf gemacht: Seine Fahrt zur Arbeit beträgt jeden Tag

50 km. Bei 20 Tagen im Monat sind das 1000 km. Mit Urlaubsreisen und sonstigen Fahrten kommt er im Jahr

auf 15 000 km Fahrstrecke. Ein normales Auto verbraucht auf 100 km etwa 8 Liter Benzin zu je 1,50 €. Man

müsste also jährlich etwa 1800 € für Benzin bezahlen. Das Hybridauto von Kruses verbraucht nur 4 Liter

Benzin und 1,00 € für Strom auf 100 km. Das bedeutet, dass sie jährlich etwa 750 € sparen.

a) Berechne, wann sich die Mehrkosten für das Hybridauto ausgeglichen haben.

b) Warum gleichen sich die Kosten vielleicht früher aus?

c) Welche Gründe spielen beim Kauf eines Hybridfahrzeugs noch eine Rolle?


21 Wie sieht der Verkehr der Zukunft aus?21

1. Die Abbildung zeigt die geschätzte Anzahl aller Autos auf der Erde und wie viele Autos vermutlich in der

Zukunft auf den Straßen fahren werden.

Lies aus der Abbildung heraus, wie viele Autos es in der Gegenwart gibt und wann sich ihre Anzahl verdoppelt

haben wird.

2. Was bedeutet diese Entwicklung für die Zukunft, wenn wir keine alternativen Antriebssysteme bauen

werden? Durch die steigende Zahl von Autos …

—

—

3. Wir müssen also schnell nach Alternativen zum Verbrennungs-

motor suchen. Was würde aber passieren, wenn ab morgen jeder

ein Elektroauto hätte?

2000 2010 2020Jahr

2030 2040 2050

2000

1000

0

An

zah

l d

er

Au

tos i

n M

illi

on

en


21 Wie sieht der Verkehr der Zukunft aus?

4. Da immer mehr Elektrofahrzeuge gebaut werden, wird man

auch das Stromnetz erneuern müssen. Die Abildung zeigt dir, wie

man zukünftig Strom intelligent austauschen wird. Bringe die

Textbausteine in die richtige Reihenfolge.

Verbraucher, lassen sich

aller Geräte,

Durch eine

optimal verbinden.

schlaue Zusammenschaltung

die Strom benötigen oder liefern,

Energieübertragungsnetze

und Energielieferanten

Durch eine schlaue

5. Wie sieht dein mögliches Traumauto der Zukunft aus? Plane und zeichne ein Fahrzeug. Beschrifte die

wichtigsten Teile deines Fahrzeugs.

Auf den folgenden Seiten finden Sie

die Ausschneidevorlagen zu den

vorhergehenden Arbeitsblättern.


22 Vorlagen zum Ausschneiden22

Ausschneidevorlagen zu Arbeitsblatt 3, Aufgabe 1 (Seite 21)

Die ersten einfachen

Wagen

Der erste Dieselmotor

Das erste Fahrzeug mit Dampfantrieb

Die erste Motor-

kutsche

Der erste Ottomotor

Das erste Auto vom Fließband

Entwicklung des Rades

Die erste Dampfeisen-

bahn

Die erste Dampf-

maschine


Vorlagen zum Ausschneiden 22


Kopiervorlage zu Arbeitsblatt 7, Aufgabe 1 (Seite 29)

Aussparung für den MotorBohrung für die Batteriehalterung


22 Vorlagen zum Ausschneiden

Ausschneidevorlage zu Arbeitsblatt 7, Aufgabe 3 (Seite 30)

Kleb

efläc

hen

Schn

eidl

inie

n

Falz

linie




Bauteile

für Antrieb

Baugruppen

für die

Sicherheit

Baugruppen

für Komfort

Landstraßen

und

Schnellstraßen

Zündkerze

Kraftstoff

Zündenergie

Luft

Verhältnis

von Luft und

Kraftstoff

wie schnell

soll gefahren

werden

Schmierstoff

Kolben

Kurbelwelle

Autobahn




In einem

Bohrturm

wird Rohöl

gefördert.

wird aus

Rohöl

Kraftstoff

gemacht.

wird der

Kraftstoff zu

den Tank-

stellen

transportiert.

wird der

Kraftstoff

von einem

großen in

einen kleinen

Tank gefüllt.

wird der

Kraftstoff

verbrannt

und

Bewegungs-

energie

erzeugt.

werden

angetrieben

und bewegen

das Auto

vorwärts.

In einer

Raffinerie

Mit einem

Tankwagen

An einer

Zapfsäule

In einem Ver-

brennungs-motor

Die Räder




Aus

der Erde

werden

Brennstoffe,

z. B. Kohle

oder Uran,

gefördert.

werden die

Brennstoffe

umge-

wandelt und

Strom wird

erzeugt.

wird der

Strom

verteilt.

wird die

Leitung mit

dem Gerät

verbunden.

wird durch

den Strom

Bewegungs-

energie

erzeugt.

nutzen

diese

Energie für

den Betrieb.

In einem

Kraftwerk

Mit

Überland-

leitungen

An der

Steckdose

In einem

Elektro-

motor

Verbraucher




Platz für den Schalter

Platz für die

Batterie

Platz für den

Magnet




Speicherung des

elektrischen Stroms in

Batterien.

Umwandlung des

elektrischen Stroms in

einem Elektromotor in

Bewegung.

Transport des

elektrischen Stroms zu

den Verbrauchern.

Erzeugung von umwelt -

freundlichem elek -

trischem Strom durch

Wasserkraft, Sonnen-

energie oder Windkraft.

Verteilung des

elektrischen Stroms an

Steckdosen.

Nutzung der

Bewegungsenergie durch

die Anwender.

Preis 19,95 EUR

mobilität der zukunft - genius

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