Електрически съобщения: тогава и сега

Този урок се фокусира върху изследване на електрическите системи за съобщения, от светлинни сигнали, използващи Международен азбука на Морз, до текстови съобщения. Учениците конструират прост телеграф с помощта на батерия, проводници, превключвател и крушка и изследват въздействието на комуникациите върху обществото.

Научете за електрическите комуникации.
Научете за системата на азбуката на Морз.
Научете за окабеляване, ключове и прости схеми.
Научете за екипната работа и решаването на проблеми.
Научете за историята на комуникацията и нейното въздействие върху световните събития.

Възрастови нива: 8-14

Материали и подготовка

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали

Изолиран проводник
Батерия с размер D
Поставка за батерии с размер D
Гнездо за крушка 1.5 волта
1.5 -волтова крушка

Алтернативни материали

PacSci Kit Morse Code Kit се предлага от много търговци на дребно онлайн.

Материали за тестване

Голямо парче картон

Изпитващи материали и процес

материали

Голямо парче картон

Процес

Нека всеки отбор измисли „тайно“ съобщение, което да изпрати до друг екип, използвайки системата на азбуката на Морз.
Екипите трябва да практикуват осветеното кодово съобщение няколко пъти, така че да е ясно и четимо. (Съвет: натиснете превключвателя за кратко, за да се покаже точка (.), Задръжте го по-дълго, за да се покаже тире (-).
Поставете парче картон между два отбора, така че да не могат да видят „съобщението“, освен в процеса на дешифриране на светлинния код.
Нека всеки екип декодира съобщението на екипа на партньора.

Предизвикателство на инженерния дизайн

Design Challenge

Вие сте част от екип инженери, изправени пред предизвикателството да изградите работна верига с батерия, проводници и крушка. Трябва да добавите превключвател по такъв начин, че да включва и изключва крушката.

Критерии

Трябва да има превключвател, който може да включва и изключва крушката.

Ограничения

Използвайте само предоставените материали.

Инструкции и процедури за дейност

Разбийте класа на екипи от по 2
Раздайте работния лист „Електрически съобщения: Тогава и сега“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. Прегледайте Международния азбук на Морз в раздела „Основни понятия“. Ако учениците не са запознати с проста схема, направете преглед, като използвате раздела „Основни понятия“.
Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектиране, критериите, ограниченията и материалите. Помислете дали да попитате учениците какво би било да използват системата на Морзовата азбука на мобилния си телефон.
Предоставете на всеки екип своите материали.
Обяснете, че учениците трябва да изграждат работна верига с батерия, проводници и крушка. Те трябва да добавят превключвател по такъв начин, че да включва и изключва крушката.
Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
Учениците се срещат и разработват план за своята схема и превключване. Те трябва да скицират веригата си и да включат хартия, преди да построят.
Екипите изграждат своите вериги и ключове.
За тестване:
- Нека всеки отбор измисли „тайно“ съобщение, което да изпрати до друг екип, използвайки системата на азбуката на Морз.
- Екипите трябва да практикуват осветеното кодово съобщение няколко пъти, така че да е ясно и четимо. (Съвет: натиснете превключвателя за кратко, за да се покаже точка (.), Задръжте го по-дълго, за да се покаже тире (-).
- Поставете парче картон между два отбора, така че да не могат да видят „съобщението“, освен в процеса на дешифриране на светлинния код.
- Нека всеки екип декодира съобщението на екипа на партньора
Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Идеи за разширения

Накарайте учениците да измислят собствен код за изпращане на съобщения. Това може да стане със светлина, звук, каквото им хрумне.
Накарайте трета ученическа група да се опита да прихване съобщението, предавано от първите два отбора.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

Какво казва съобщението на другия екип?
Имахте ли някакви предизвикателства при разбирането на посланието на другия екип? Ако да, какво?
Какво казва съобщението на вашия екип?
Другият екип разбра ли вашето съобщение? Ако не, какво се обърка?
Ако вашият екип предаваше критично за световната безопасност послание ... какво щеше да се случи?

Модификация на времето

Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.

Процес на инженерно проектиране

Основни концепции

История на електронните комуникации

Какво направи Самюъл
Самюел ФБ Морс, докато е професор по изкуства и дизайн в Нюйоркския университет през 1835 г., доказа, че сигналите могат да се предават по проводник. Той използва импулси на ток, за да отклони електромагнит, който премести маркер, за да произведе написани кодове върху лента хартия -изобретението на азбуката на Морз. На следващата година устройството е модифицирано, за да изпечата хартията с точки и тирета. Той направи публична демонстрация през 1838 г., но едва пет години по -късно Конгресът, отразявайки обществената апатия, финансира 30,000 40 долара за изграждане на експериментална телеграфна линия от Вашингтон до Балтимор, на разстояние XNUMX мили. Шест години по -късно членовете на Конгреса стават свидетели на изпращането и получаването на съобщения през част от телеграфната линия.

Разпространяване на новини
Днес, с незабавни съобщения, едва ли можем да си представим, че преди 150 години може да са необходими месеци, за да се разпространи информация за резултата от президентските избори. Но изобретението на Морс използва потенциала на електронната комуникация, която е толкова разпространена днес. На 24 май 1844 г. в Балтимор, Мериленд, се проведе Националната демократична конвенция на САЩ. Ван Бюрен изглеждаше вероятният избор, но неговият опонент Джеймс К. Полк спечели номинацията. Тази новина беше изпратена незабавно до Вашингтон, но скептиците отказаха да повярват. Едва след като хората пристигнаха с влак от Балтимор, за да потвърдят докладите, мнозина бяха убедени в стойността на телеграфа. Сега сме се доверили на електронната комуникация и дори я приемаме за даденост! Но ... знаете ли, че до 1999 г. Международната азбука на Морз, изслушана на телеграфния ключ, остава международният стандарт за морска комуникация на дълги разстояния.

Текстови съобщения или SMS
Текстови съобщения или SMS (услуга за кратки съобщения) изпраща текст между мобилни телефони или от компютър или друго преносимо устройство към мобилен телефон. Защо "кратко"? Понастоящем най -дългото текстово съобщение е 160 букви, цифри или символи в латинската азбука. А за други азбуки като китайската, ограничението е само 70 знака. Ето как работи: вашият мобилен телефон непрекъснато изпраща и получава съобщения за свързаност от телефонните кули. Това потвърждава „клетката“, в която физически се намирате; клетките обикновено са около 10 квадратни мили. Текстовото съобщение използва същата система, чрез която получавате обаждания. Но информацията се изпраща/получава или в текстов режим, или в режим PDU (единица за описание на протокол). Звучи ли познато? Вероятно Самюъл Морс би одобрил!

Международни правила на азбуката на Морз

Международен азбука на Морз
Това, което днес се нарича морзов код, всъщност е малко по -различно от това, което Самюъл Морс първоначално е създал. През 1848 г. в Германия са въведени някои промени в кодовите последователности и в единадесет букви, които сега са признати за световния стандарт, наречен „Международен Морз“. Кодът се променя малко с течение на времето. Например символът „@“ е добавен през 2004 г., комбинирайки A и C в един знак.

Разпознаване на символи
Използвайки електрически изблици за изпращане на съобщения в азбуката на Морз, информацията може да бъде изпратена по относително личен начин. Кодът може да бъде изпратен по електрически път, използвайки звук или светлини. В този урок ще използваме превключвател и светлинен апарат, за да демонстрираме системата на азбуката на Морз. Използването на светлини за изписване на съобщения в азбука на Морз датира от 1867 г. С появата на електрическите светлини през 1890 -те, „мигащата светлина“ се превръща в ефективен инструмент за сигнализиране.

писмо	код	писмо	код	писмо	код	Телефон за връзка:	код	Символи	код
A	·-	N	-·	ä	·-·--	0	-	Месечен цикъл [.]	·-·-·--
B	-···	O	-	à	·- ·--	1	· ---	Запетая [,]	- ·· -
C	--·-·	P	· - ·	ĉ	-·-··	2	·· -	Въпросителен знак [?]	·· - ··
D	-··	Q	- ·-	ch	-	3	··· -	Апостроф [']	· —- ·
E	·	R	·-·	ð	·· - ·	4	····-	Възклицание [!]	-·-·-
F	··-·	S	···	è	·-··-	5	······	Наклонена черта [/]	-··-·
G	- ·	T	-	é	··-··	6	-····	Знакът '&' [&]	····
H	····	U	··-	ĝ	-·-·	7	- ···	Двоеточие [:]	- ···
I	··	V	···-	ĥ	-· -·	8	- ··	точка и запетая [;]	-·-·-· ·
J	· -	W	· -	ĵ	· - ·	9	—- ·	слагам тиренце [-]	-····-
K	- · -	X	-··-	ñ	- · -			По знак [@]	·-·-· ·
L	·-··	Y	-· -	ö	- ·			Долна черта [_]	··- ·-
M	-	Z	- ··	ü	·· -

Наследство на Джон Джордж Филипс

Герой на Титаник
Повечето хора са запознати с катастрофата на „Титаник“, когато около 1500 души загинаха при потъването на „Титаник“, след като удариха айсберг през 1912 г. Много хора обвиняват конструктора на кораба, че не е оборудвал Титаник с достатъчно спасителни лодки, за да спаси всички хора по време на първото пътешествие. Но някои хора също биха могли да се обърнат към духа на Джон Джордж Филипс, който се е вгледал в новата телеграфна технология, базирана на кода на Самюъл Морс, за да изпраща непрекъснато често викове за помощ по жицата. Джон беше наречен „Джак“ или „Спаркс“ Филипс, защото „бързаше“ толкова бързо! Благодарение на неговите усилия бяха спасени много хора, които вероятно щяха да загинат в мразовитите води на Атлантическия океан.

В изявление, направено през 1998 г. от президента на Американската радио асоциация, представено на подкомисията на Камарата на САЩ по връзки между работодател и служител:

„От времето, когато Джон Филипс изпрати SOS в азбука на Морз от S/S Titanic, радиооператорите осигуриха комуникационната мрежа за безопасност, необходима за моряците по целия свят. Потъването на Титаник през 1912 г. направи важността на корабния радиооператор/радио офицер незабравимо ясна през следващите десетилетия. Отдаденият и смел главен радиооператор Джон Г. Филипс отказа да напусне поста си в безжичното радио, когато Титаник потъна. Над 700 живота бяха спасени тази нощ в ледените води на Северния Атлантик заради неговите героични действия.
Докато технологията за приемане и предаване на безжична телеграфия е напреднала много от Титаник, ролята на корабния радиооператор остава постоянна, за да поддържа, ремонтира и използва мрежата от безжични комуникации кораб-кораб, за да реагира бързо при извънредни ситуации на море. „SOS“, изпратен по азбука на Морз, буквално спаси живота на десетки хиляди екипажи и пътници, които бяха изтръгнати от морето заради тази мрежа за безопасност и нейните корабни радиооператори. Когато се случиха инциденти в морето, радиотелеграфният офицер винаги е бил известен като най -добрия шанс за оцеляване на моряците и пътниците
В резултат на това необходимостта от специализиран комуникационен специалист беше призната в Закона за корабите от 1919 г., който изискваше океанските пътнически кораби да носят квалифициран радио персонал за наблюдение и експлоатация на безжичната връзка. Международните договори, подписани след катастрофата на „Титаник“, създадоха роля на радиооператорите на борда на товарни кораби и създадоха американска агенция, която в крайна сметка ще стане FCC (Федерална комисия по комуникациите), за наблюдение на ефира и лицензиране на радиооператори.

Какво е проста схема?

Обикновена схема

Една проста верига се състои от три минимални елемента, необходими за завършване на функционираща електрическа верига: източник на електричество (батерия), път или проводник, по който тече електричество (проводник) и електрически резистор (лампа), което е всяко устройство, което изисква електричество за работа. Илюстрацията по -долу показва проста схема, съдържаща една батерия, два проводника, превключвател и крушка. Потокът на електричество е от клемата с висок потенциал (+) на батерията през крушката (осветява я) и обратно към отрицателната (-) клема, в непрекъснат поток, когато превключвателят е във включено положение, така че токът може поток.

Схематична диаграма на проста верига

По -долу е схематична диаграма на простата схема, показваща електронните символи за батерията, превключвателя и крушката.

Симулиране на превключвател чрез изключване на проводник
Можете да направите груб превключвател само като изключите един от проводниците и последователно го докоснете и извадите от металния корпус на крушката. Защо светлината изгасва, когато проводникът вече не се допира? Когато проводникът се отстрани, електроните ще трябва да преминават през въздуха, за да завършат веригата. За да накарате електроните да текат във въздуха, се изисква много повече енергия, отколкото е налична, тъй като почти всички електрони във въздуха са плътно свързани с атомите. Същото важи и за всички други материали, известни като изолатори. Импровизираният превключвател, който се прави чрез изключване и повторно свързване на проводника, прави точно същото нещо като произведен превключвател, с изключение на това, че произведените такива са по -надеждни. Всичко, което правят, е да изключат и да свържат отново проводниците, когато преместите лоста, натиснете бутона, завъртете копчето или плъзнете бутона.

лексика

Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (виж инфографиката).
Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми.
Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
Morse Code System: Система за изпращане на съобщения, която използва дълги и кратки звуци или точки и тирета за представяне на букви и цифри.
Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
Самюел Ф. Б. Морз: изобретател на системата с морзови азбуки.
Проста верига: Състои се от три минимални елемента, които са необходими за завършване на функционираща електрическа верига: източник на електричество (батерия), път или проводник, по който протича електричество (жица) и електрически резистор (лампа), което е всяко устройство, което изисква електричество за работа.
SMS (услуга за кратки съобщения)/текстови съобщения: Изпраща текст между мобилни телефони или от компютър или друго преносимо устройство към мобилен телефон.
Телеграф: Система, чрез която съобщенията могат да се изпращат по електронен път. Поставя съобщения в код и ги изпраща по кабелите.

Dig Deeper

Интернет връзки

Препоръчителна четене

Морзов код, работещ за радиолюбители (ISBN: 978-1625950024)

Писателска дейност
Напишете есе или абзац, изследвайки инженерната техника за това как работи сателитното радио. Какви предишни изобретения са били необходими, за да се генерира тази нова технология? Защо колите, оборудвани със сателитно радио, губят сигнала, когато са в гараж или тунел?

Подравняване на учебните програми

Привеждане в съответствие с учебните програми

Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:

Стандарти за научно образование в САЩ (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Научни стандарти на САЩ от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Принципите и стандартите за училищна математика на Националния съвет на учителите по математика на САЩ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Американски общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Светлина, топлина, електричество и магнетизъм

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Наука и технологии в обществото

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

История на науката

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

Прехвърляне на енергия

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват

Способности за технологичен дизайн
Разбиране за науката и технологиите

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Наука и технологии в обществото

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

История на науката

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

Взаимодействия на енергия и материя

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

Способности за технологичен дизайн
Разбиране за науката и технологиите

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства
Исторически перспективи

Научни стандарти от следващо поколение-3-5 клас (на възраст 8-11)

Енергия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

4-PS3-4. Приложете научни идеи за проектиране, тестване и усъвършенстване на устройство, което преобразува енергия от една форма в друга.

Вълни и техните приложения в технологиите за трансфер на информация

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

4-PS4-3. Генерирайте и сравнете множество решения, които използват шаблони за пренос на информация.

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

3-5-ETS1-1. Определете прост проблем при проектирането, отразяващ нужда или желание, който включва определени критерии за успех и ограничения върху материалите, времето или разходите.
3-5-ETS1-2.Генерирайте и сравнете множество възможни решения на проблем въз основа на това доколко всеки от тях отговаря на критериите и ограниченията на проблема.
3-5-ETS1-3. Планирайте и провеждайте справедливи тестове, при които променливите се контролират и точките на повреда се считат за идентифициране на аспекти на модел или прототип, които могат да бъдат подобрени.

Научни стандарти от следващо поколение-6-8 клас (на възраст 11-14)

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

MS-ETS1-2 Оценявайте конкурентни дизайнерски решения, като използвате систематичен процес, за да определите колко добре отговарят на критериите и ограниченията на проблема.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Технология и общество

Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.

Способности за един технологичен свят

Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.

Проектираният свят

Стандарт 17: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват информационни и комуникационни технологии.

Студентски работен лист

Прост превключвател, демонстриращ международен морзов

Знаете ли, че?

„Електрически съобщения: тогава и сега“ в Международния азбук на Морз е:

.- .... -.-. -.-. .. -.-. / -. …… .--. . … -… / -…. . -. / .- -. -.. / -. - .–

Изградете свой собствен!

Първа стъпка:

Проектирайте работна верига, включваща батерия и крушка върху хартия.
Изградете своя работен дизайн, като използвате батерия, проводници и крушка.
След това добавете превключвател по такъв начин, че превключвателят да включва и изключва крушката.

Втора стъпка:

Измислете „тайно“ съобщение, което да изпратите на друга ученическа група.
Практикувайте „изпращането“ на съобщението с помощта на Международната азбука на Морз, докато не сте сигурни, че другият екип ще разбере съобщението ви. (Съвет: натиснете превключвателя за кратко, за да се покаже точка (-), задръжте го по-дълго, за да се покаже тире ().
http://www.privateline.com/Cellbasics/Cellbasics.html

Незадължителна идея One:

Измислете свой собствен код за изпращане на съобщения. Това може да стане със светлина, звук, каквото се сетите!

Две незадължителни идеи:

Накарайте трета ученическа група да опита да прихване съобщението, предадено в стъпка втора по -горе.

въпроси: