Инфрачервени разследвания

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали

• Един комплект материали за всеки екип от студенти:
  • Черна хартия
  • Бяла хартия
  • Листове от алуминиево фолио (гладки)
  • Няколко малки огледала
  • CD или DVD
  • Черна електрическа лента или тиксо
  • Фенерче
  • Пластмасова опаковка
  • Прозрачна пластмасова чаша
  • Вода
  • Оцветители за храна
  • Мляко или друга непрозрачна течност

Материали за тестване

• Дистанционно управление и телевизия

материали

• Дистанционно управление и телевизия

Процес

Екипите проверяват прогнозите си за смущения или разширяване на инфрачервената връзка, като отскачат инфрачервената светлина на дистанционното управление на някои или всички от следните материали, за да видят дали статичните изображения контролират телевизора:

• Бяла хартия
• Черна хартия
• Плоско фолио
• Намачкано фолио
• Пластмасова опаковка
• Ръка
• CD
• Чаша вода
• Чаша мляко
• Чаша цветна вода
• Черна електрическа лента

След това учениците ще използват огледала, за да пренасочат инфрачервената светлина зад ъгъла или в друга стая.

След това учениците могат да тестват ефекта от използването на фенерче под ъгъл от 90 градуса и паралелно с инфрачервения лъч към телевизора. Учениците трябва да отбележат резултатите си в ученическия работен лист.

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да разработят план за управление на телевизор от инфрачервено дистанционно управление, което е зад ъгъла или в друга стая.

Критерии

• Използвайте инфрачервен лъч с дистанционно управление, за да тествате отразяването на лъча от обекти.
• Използвайте огледало, за да насочите инфрачервения лъч зад ъгъла или в друга стая.

Ограничения

• Използвайте само предоставените материали.

1. Разбийте класа на екипи от 2-3.
2. Раздайте работния лист за инфрачервени разследвания.
3. Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“.
4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
5. Предоставете на всеки екип своите материали.
6. Обяснете, че учениците ще тестват ограниченията на инфрачервената технология в дистанционното управление, като използват различни материали, за да отразяват инфрачервения лъч от материала и обратно към телевизор. След това те ще използват огледало, за да насочат инфрачервения лъч зад ъгъла или в друга стая, за да управляват телевизора.
7. Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
8. 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.
9. Учениците се срещат и разработват план за използване на материалите за отразяване на инфрачервения лъч. Те правят прогнози за резултатите и ги документират.
10. Екипите проверяват прогнозите си за смущения или разширяване на инфрачервената връзка, като отскачат инфрачервената светлина на дистанционното управление на някои или всички от следните материали, за да видят дали статичните изображения контролират телевизора:
    • Бяла хартия
    • Черна хартия
    • Плоско фолио
    • Намачкано фолио
    • Пластмасова опаковка
    • Ръка
    • CD
    • Чаша вода
    • Чаша мляко
    • Чаша цветна вода
    • Черна електрическа лента

    След това учениците ще използват огледала, за да пренасочат инфрачервената светлина зад ъгъла или в друга стая.

    След това учениците могат да тестват ефекта от използването на фенерче под ъгъл от 90 градуса и паралелно с инфрачервения лъч към телевизора. Учениците трябва да отбележат резултатите си в ученическия работен лист.

11. Екипите трябва да документират резултатите спрямо техните прогнози.
12. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
13. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

1. Какъв резултат изненада най -много вашия екип? Защо?
2. Въз основа на вашите изследвания, ако вашият инженерен екип обмисляше да използва инфрачервена връзка за управление на подводна система, бихте ли се съгласили да включите инфрачервена връзка? Защо? Защо не?
3. Ами в космоса? Защо? Защо не?
4. Защо мислите, че инженерите трябва да тестват компоненти, които смятат да включат в нов продукт или система?
5. Можете ли да се сетите за други приложения, за които вашият инженерен екип смята, че инфрачервените контролери могат да бъдат полезни?

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.

Инфрачервена връзка и нейните приложения

Какво е инфрачервена връзка?

Инфрачервеното (IR) излъчване е електромагнитно излъчване с дължина на вълната по -дълга от тази на видимата светлина, но по -къса от тази на радиовълните. Името означава „под червено“ (от латински infra, „отдолу“), като червеното е цветът на видимата светлина с най -дългата дължина на вълната. Инфрачервеното излъчване обхваща три порядъка и има дължини на вълните между приблизително 750 nm и 1 mm.

Инфрачервената част от спектъра има редица технологични приложения, включително придобиване на цел и проследяване от военните; дистанционно измерване на температурата; безжична комуникация с къси разстояния; спектроскопия и прогноза за времето. Телескопи, оборудвани с инфрачервени сензори, се използват в инфрачервената астрономия за проникване в прашни области на космоса, като молекулярни облаци; откриване на обекти с ниска температура, като планети, обикалящи около отдалечени звезди, и преглед на силно изместени в червено обекти от ранната история на Вселената.

На атомно ниво инфрачервената енергия предизвиква вибрационни режими в молекулата чрез промяна в диполния момент, което я прави полезен честотен диапазон за изследване на тези енергийни състояния. Инфрачервената спектроскопия е изследване на абсорбцията и предаването на фотони в инфрачервения енергиен диапазон въз основа на тяхната честота и интензивност.

Инфрачервени приложения в инженерството

Инженерите включват инфрачервена технология в разнообразно оборудване и системи, използвани в много индустрии. По -долу са само няколко примера.

Нощно виждане

Инфрачервеният се използва в оборудване за нощно виждане, когато няма достатъчно видима светлина, за да се види обект. Радиацията се открива и превръща в изображение на екран, по -горещи обекти се показват в различни нюанси от по -хладните обекти, което позволява на полицията и военните да придобият топли цели, като хора и автомобили.

спектроскопия

Инфрачервената радиационна спектроскопия е изследване на състава на (обикновено) органични съединения, установяване на структурата и състава на съединението въз основа на процентното пропускане на IR лъчение през проба.

Сателити за времето

Метеорологичните спътници, оборудвани със сканиращи радиометри, произвеждат топлинни или инфрачервени изображения, които след това могат да дадат възможност на обучен анализатор да определи височините и типовете облаци, да изчисли температурите на сушата и повърхностните води и да определи характеристиките на повърхността на океана.

космически приложения

Астрономите наблюдават обекти в инфрачервената част на електромагнитния спектър с помощта на оптични компоненти, включително огледала, лещи и твърдотелни цифрови детектори.

Отоплителни приложения

Инфрачервената радиация се използва в инфрачервените сауни за отопление на обитателите и за отстраняване на лед от крилата на самолета (размразяване). Той набира популярност и като метод за отопление на асфалтови настилки по време на ново строителство или при ремонт на повреден асфалт. Инфрачервената светлина може да се използва при готвене и загряване на храна, тъй като нагрява само непрозрачни, абсорбиращи предмети, но не и въздуха около тях, ако в нея няма частици.

Термографско оборудване

Инфрачервената термография е безконтактен, неразрушителен метод за изпитване, който използва термовизор за откриване, показване и запис на топлинни модели и температури по повърхността на обект. Термографията се използва широко в правоприлагащите органи, противопожарната дейност, търсенето и спасяването, както и в медицинските и ветеринарните науки.

Комуникационни устройства

ИЧ предаването на данни се използва и при комуникация на къси разстояния между компютърни периферни устройства и лични цифрови асистенти. Дистанционните управления и IrDA устройствата използват инфрачервени светодиоди (LED) за излъчване на инфрачервено лъчение, което се фокусира от пластмасова леща в тесен лъч. Дистанционното работи с помощта на нискочестотен светлинен лъч, толкова нисък, че човешкото око не може да го види. Лъчът се модулира, т.е. включва и изключва, за да кодира данните. IR не прониква през стените и не пречи на други устройства в съседни помещения. Инфрачервеният е най -често срещаният начин за дистанционно управление на устройства.

Инженерни постижения в дистанционното управление

Много методи за дистанционно управление  

Първото дистанционно управление, предназначено за управление на телевизор, е разработено от Zenith Radio Corporation в началото на 1950 -те години. „Дистанционното“ неофициално се наричаше „Мързеливи кости“ и всъщност беше свързано с телевизора с дълъг проводник. За да се подобри тромавата настройка, през 1955 г. е разработено безжично дистанционно управление, наречено „Flashmatic“, което работи чрез осветяване на лъч светлина върху фотоелектрическа клетка. За съжаление, клетките не правят разлика между светлината от дистанционното и светлината от други източници, а Flashmatic също изисква дистанционното управление да бъде насочено много точно към приемника.

През 1956 г. е разработено „Космическото командване на Зенит“. Той е механичен и използва ултразвук за промяна на канала и силата на звука. Когато потребителят натисна бутон на дистанционното управление, той щракна и удари лента. Това обяснява защо някои хора наричаха дистанционното управление „кликър“. Всяка лента излъчва различна честота и веригите в телевизора откриват този шум. Изобретението на транзистора направи възможно по -евтините електронни дистанционни управления, които съдържаха пиезоелектричен кристал, който се захранваше от трептящ електрически ток с честота близо до или над горния праг на човешкия слух, макар и все още чуваема за кучета. Приемникът съдържа микрофон, свързан към верига, която е настроена на същата честота. Някои проблеми с този метод бяха, че приемникът можеше да се задейства случайно от естествено възникващи шумове, а някои хора, особено млади жени, можеха да чуят пронизващите ултразвукови сигнали. Имаше дори забележителен инцидент, при който ксилофон с играчки смени каналите на тези видове телевизори, тъй като някои от обертоните от ксилофона съответстваха на ултразвуковата честота на дистанционното.

В края на 1970 -те години повечето търговски дистанционни управления имаха ограничен брой функции, понякога само четири: следваща станция, предишна станция, увеличаване или намаляване на силата на звука. По това време инженерите на BBC започнаха разговори с един или двама телевизионни производители, което доведе до ранните прототипи през 1977-78 г., които биха могли да контролират много по-голям брой функции. ITT е една от участващите компании и по -късно дава името си на протокола ITT за инфрачервена комуникация.

До началото на 2000 -те години броят на потребителските електронни устройства в повечето домове се увеличи значително. Според Асоциацията на потребителската електроника средният американски дом има четири дистанционни. За работа с домашно кино може да са необходими до пет или шест дистанционни управления, включително едно за кабелен или сателитен приемник, видеорекордер или цифров видеорекордер, DVD плейър, телевизор и аудио усилвател.

Интернет връзки

• Нашата фото галерия Infrared World
• Хершел и неговото откритие на инфрачервените лъчи

Препоръчителна четене

• Инженеринг утре: Днешните технологични експерти предвиждат следващия век (ISBN: 0780353625)
• Инженерни науки (ISBN: 0750652594)
• Визуална наука и инженерство (ISBN: 0824791851)

 Писателска дейност

Напишете есе или параграф за това как техниките за изобразяване на топлина, използващи инфрачервена технология, са помогнали на спасителните операции на човека.

Привеждане в съответствие с учебните програми

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

• S. Стандарти за научно образование (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Научни стандарти 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)
• S. Национален съвет на учителите по математика „Принципи и стандарти за училищна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. 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 А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности, необходими за извършване на научни изследвания
• Разбиране за научните изследвания

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Свойства на предмети и материали
• Положение и движение на обекти
• Светлина, топлина, електричество и магнетизъм

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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Наука и технологии в местните предизвикателства

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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности, необходими за извършване на научни изследвания
• Разбиране за научното изследване

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

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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности, необходими за извършване на научни изследвания
• Разбиране за научното изследване

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

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

• Структура и свойства на материята
• 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

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

Научни стандарти от следващо поколение 2-5 степени (на възраст 7-11)

Материята и нейните взаимодействия

• 2-PS1-2. Анализирайте данните, получени при тестване на различни материали, за да определите кои материали имат свойствата, които са най -подходящи за определена цел.

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 степени (на възраст 11-14)

Вълни и техните приложения в технологиите за трансфер на информация

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• MS-PS4-2. Разработете и използвайте модел, за да опишете, че вълните се отразяват, абсорбират или предават чрез различни материали.

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• MS-ETS1-1 Определете критериите и ограниченията на проектния проблем с достатъчна прецизност, за да осигурите успешно решение, като вземете предвид съответните научни принципи и потенциалното въздействие върху хората и природната среда, което може да ограничи възможните решения.
• 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.

Технология и общество

• Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.

Дизайн

• Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
• Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания и разработки, изобретения и иновации и експериментиране при решаването на проблеми.

Способности за един технологичен свят

• Стандарт 11: Учениците ще развият способности да прилагат процеса на проектиране.
• 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.

Вие сте екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да тестват инфрачервена технология, за да разберат нейните ограничения и да разработят план за управление на телевизор от ъгъла или в друга стая.

Фаза на изследване и прогнозиране

1. Прегледайте различните студентски справочници, за да научите за инфрачервената връзка и нейните приложения.
2. Работейки като екип от „инженери“, обсъждайте и правете прогнози за това как различните материали ще повлияят на инфрачервената светлина. Какво би станало, ако се опитате да отхвърлите инфрачервената светлина от хартия, фолио или други материали, за да видите дали тя все още контролира телевизора?

Фаза на тестване

1. Тествайте прогнозите на вашите екипи за смущения или разширяване на инфрачервената светлина, като отразявате инфрачервената светлина от хартия, фолио или други материали, за да видите дали тя все още контролира телевизора. Също така тествайте ефекта от използването на фенерче под ъгъл от 90 градуса и успоредно с лъча към телевизора. Забележете резултатите си по -долу:

Забележки:

Използвайте този работен лист, за да оцените резултатите на вашия екип:

1. Какъв резултат изненада най -много вашия екип? Защо?

2. Въз основа на вашите изследвания, ако вашият инженерен екип обмисляше да използва инфрачервена връзка за управление на подводна система, бихте ли се съгласили да включите инфрачервена връзка? Защо? Защо не?

Ами в космоса? Защо? Защо не?

3. Защо мислите, че инженерите трябва да тестват компоненти, които смятат да включат в нов продукт или система?

4. Можете ли да се сетите за други приложения, за които вашият инженерен екип смята, че инфрачервените контролери могат да бъдат полезни?

Вие сте екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да разработят план за управление на телевизор от инфрачервено дистанционно управление, което е зад ъгъла или в друга стая.

Екипно планиране

1. Помислете за резултатите от вашето изследване и в полето по -долу разработете план, който според вас ще реши инженерното предизвикателство. Не забравяйте да направите списък на всички материали, които ще ви трябват.

Фаза на тестване

1. Съберете оборудването, което сте предвидили, че ще ви е необходимо, и тествайте плана на екипите си.

Оценявайте и отразявайте

1. Работи ли планът ви? Ако не, защо не?

2. Открихте ли, че трябва да направите промени в плана си на етапа на тестване? (или чрез промяна на разположението на артикулите, или чрез добавяне или премахване на материали?) Ако е така, как трябваше да промените плана си, за да постигнете целта си?

3. Кои системи, разработени от другия екип, смятате за особено умни? Защо?

4. Можете ли да се сетите за приложение, където контролер може да се наложи да се намира в различна стая от оборудването, което контролира?

5. Запознайте се като екип и помислете какво искате да видите следващото поколение дистанционни управления. Какви инженерни подобрения биха били необходими, за да превърнат идеите ви в реалност?