Разклатете го със сеизмографи!

Този урок се фокусира върху проучване как разработването на сеизмографи е помогнало за спасяването на животи по целия свят. Учениците работят в екипи, за да проектират свой собствен сеизмограф от ежедневни материали и да тестват способността му да записва симулирано земетресение в класната стая.

Научете за технологията на сеизмографа.
Научете за инженерното проектиране.
Научете за екипната работа и решаването на проблеми.

Възрастови нива: 8-18

Изтеглете презентация в pdf

Изтеглете презентация Powerpoint

Материали и подготовка

Строителни материали (за всеки екип)

Незадължителни материали (Търговия/Таблица на възможностите)

Низ
Тел
Хартия
Молив/химикалка/маркер
Кламери
Картон
Дъска за постери
фолио
Гумени ленти
Глина за моделиране

Материали за тестване

Маса/Бюро
Тиган/тава
Гумено топче
Топка за тенис
Стълба или табуретка (от която да пуснете топка, за да симулирате земетресение)
Нарязани струни на 5 метра, 1 метър и 1.5 метра

Изпитващи материали и процес

материали

Маса/Бюро
Тиган/тава
Гумено топче
Топка за тенис
Стълба или табуретка (от която да пуснете топка, за да симулирате земетресение)
Нарязани струни на 5 метра, 1 метър и 1.5 метра

Процес

Тествайте сеизмографа на всеки екип, като поставите дизайна върху малка маса. Симулирайте земетресение, като пуснете малка гумена топка върху масата от три различни височини (5 метра, 1 метър и 1.5 метра). Препоръчваме да застанете на сигурна стълба и да измерите с дължини на връвта точката, от която топката ще падне, за да осигурите последователен и честен тест. (Забележка: може да помислите като използвате и топки с различни размери - например топка за тенис.)

Екипите трябва да записват следните наблюдения за всяка височина на падане:

Измерване на земетресение във вашата скала:

.5 метра
1 м
1.5 м

Физически наблюдения (какво забелязахте във вашия дизайн по време на теста ... кое работи, какво не?)

.5 метра
1 м
1.5 м

Предизвикателство на инженерния дизайн

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да проектират надежден сеизмограф, който да записва земетресение във вашата класна стая. Вашата машина трябва да може да записва визуално движение в мащаб по ваш собствен дизайн. Дизайнът трябва да записва интензитета на симулирано земетресение в класната стая, което ще бъде създадено чрез изпускане на топка от три височини: .5 метра, 1 метър и 1.5 метра.

Критерии

Трябва да може да записва визуално движение в мащаб по ваш собствен дизайн
Необходимо е да се запише интензивността на симулирано земетресение в класната стая, което ще бъде създадено чрез изпускане на топка от три височини: 5 метра, 1 метър и 1.5 метра.

Ограничения

Използвайте само предоставените материали
Екипите могат да търгуват с неограничени материали

Инструкции и процедури за дейност

Разбийте класа на екипи от 2-4.
Раздайте работен лист „Изградете свой собствен сеизмограф“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“.
Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
Инструктирайте учениците да започнат мозъчна атака и да скицират своите дизайни.
Предоставете на всеки екип своите материали. Екипите могат да търгуват с материали.
Обяснете, че учениците трябва да създадат свой собствен сеизмограф, който да им позволи да записват интензитета на симулирано земетресение в класната стая. Най -добрият дизайн ще запише най -малкото смущение.
Преди учениците да започнат да строят, обсъдете какво е сеизмограф. Също така помислете за обсъждане на скалата на Рихтер. (Вижте раздела Основни концепции на плана на урока.)
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 своя сеизмограф. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, пишат/рисуват своя план и представят плана си пред класа. Екипите могат да търгуват неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
Екипите изграждат своя дизайн.
Тествайте сеизмографа на всеки екип, като поставите дизайна върху малка маса. Симулирайте земетресение, като пуснете малка гумена топка върху масата от три различни височини (5 метра, 1 метър и 1.5 метра). Препоръчваме да застанете на сигурна стълба и да измерите с дължини на връвта точката, от която топката ще падне, за да осигурите последователен и честен тест. (Забележка: може да помислите да използвате и топки с различни размери - топка за тенис например.)
Екипите трябва да записват следните наблюдения за всяка височина на падане:Измерване на земетресение във вашата скала:
- .5 метра
- 1 метър
- 1.5 метър
Физически наблюдения (какво забелязахте във вашия дизайн по време на теста ... кое работи, какво не?)
- .5 метра
- 1 метър
- 1.5 метър
Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

Успяхте ли да създадете сеизмограф, който да може да запише в мащаб симулацията на земетресението и за трите земетресения?
Трябваше ли да поискате допълнителни материали, докато изграждате своя сеизмограф?
Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес на продуктите? Защо биха могли?
Ако трябваше да адаптирате своя сеизмограф в класната стая към такъв, който всъщност би записал истинско земетресение, какви модификации ще трябва да направите?
Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?
Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете…

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

Какво е сеизмограф?

Сейсмографите са инструменти, които измерват и записват движенията на земята, включително тези на сеизмични вълни, генерирани от земетресения, ядрени експлозии и други сеизмични източници. Записите на сеизмичните вълни позволяват на сеизмолозите да картографират вътрешността на Земята, да локализират и измерват силата на тези различни източници. Думата произлиза от гръцкия σεισμός, seismós, разтърсване или трус, от глагола σείω, seíō, разтърсване; и μέτρον, métron, мярка.

Сеизмограф или сеизмометър е инструмент, използван за откриване и записване на земетресения. Обикновено се състои от маса, прикрепена към неподвижна основа. По време на земетресение основата се движи, а масата не. Движението на основата по отношение на масата обикновено се трансформира в електрическо напрежение. Електрическото напрежение се записва на хартия, магнитна лента или друг носител на запис. Този запис е пропорционален на движението на масата на сеизмометъра спрямо земята, но може математически да се преобразува в запис на абсолютното движение на земята. Сейсмографът обикновено се отнася до сеизмометъра и неговото записващо устройство като единична единица.

Сейсмоскопът на Чанг Хенг

През 132 г. сл. Н. Е. Чанг Хенг от китайската династия Хан изобретява първия сеизмоскоп, наречен Houfeng Didong Yi. Това беше голям бронзов съд, с диаметър около 2 метра; на осем точки около върха имаше драконови глави, държащи бронзови топки. Когато имаше земетресение, една от устата се отваряше и пускаше топката си в бронзова жаба в основата, издавайки звук и посочвайки посоката на земетресението. Поне един път, вероятно по време на голямо земетресение в Гансу през 143 г., сейсмоскопът показва земетресение, въпреки че такова не се усеща. Наличният текст казва, че вътре в плавателния съд има централна колона, която може да се движи по осем коловоза; се смята, че това се отнася за махало, макар че не се знае точно как това е свързано с механизъм, който би отворил само устата на един дракон. Предполага се, че първото земетресение, регистрирано от този сеизмограф, е някъде на изток. Дни по -късно ездач от изток съобщи за това земетресение.

Проследяване на земетресения

Скалата на Рихтер

Скалата на Рихтер е разработена през 1935 г. от Чарлз Ф. Рихтер от Калифорнийския технологичен институт като математическо устройство за сравняване на силата на земетресенията. Първоначално скалата на Рихтер може да се приложи само към записите от инструменти с идентично производство. Сега, инструментите са внимателно калибрирани един спрямо друг. По този начин величината може да бъде изчислена от записа на всеки калибриран сеизмограф. Скалата показва силата на движение на земята по скала от 1.0 до 10.0. Най -слабите земетресения са 1.0 или по -малко. Всяко ниво по скалата на Рихтер се увеличава със сили 10. Така че увеличаването с 1 точка означава, че силата на земетресението е 10 пъти по -голяма от нивото преди него. Земетресение 2.0 е 10 пъти по -силно от земетресение 1.0. Земетресение 6.0 е 10 X 10 или 100 пъти по -силно от земетресение, регистриращо 4.0.

Най -голямото земетресение

Най -голямото регистрирано земетресение е станало на 22 май 1960 г. в Чили. Приблизително 1,655 души бяха убити и 3,000 ранени. Над 2,000,000 550 9.5 се оказаха бездомни и имаше около XNUMX милиона долара в резултат на щети. Това земетресение регистрира XNUMX по скалата на Рихтер!

Махални сеизмографи и съвременни технологии

Силата на махалата

Преди електрониката да позволи запис на големи земетресения, учените построиха големи пружинни махални сеизмометри в опит да запишат дългопериодното движение, предизвикано от такива трусове. Най -големият тежи около 15 тона. В Мексико Сити има среден размер на три етажа, който все още работи. Друг пример е „сеизмометър“ с обърнато махало, проектиран от Джеймс Форбс (Forbes, 1844). Състои се от вертикален метален прът, който се поддържа от вертикална цилиндрична стоманена тел. Чрез регулиране на твърдостта на телта или височината на топката, която виси от нея, люлеенето на махалото може да се промени. Молив, окачен на пръта, ще „напише“ ред на хартия, който показва движението на земята.

Актуални технологии

Разширената национална сеизмична система (ANSS) е инициатива на Геологическите служби на САЩ за подобряване и разширяване на възможностите за сеизмичен мониторинг в Съединените щати. Основните елементи на ANSS включват национални, регионални, градски и структурни системи за мониторинг. ANSS в крайна сметка ще бъде aнационална мрежа от най-малко 7000 измервателни системи за разклащане, както на земята, така и в сгради, които ще позволят на персонала за реагиране при аварийни ситуации да получи информация за земетресението в реално време, да предоставят на инженерите информация за реакция на сгради и обекти и да предоставят на учените високо- качествени данни за разбиране на земетресетелните процеси и структурата и динамиката на твърдата земя. Глобалната сеизмографска мрежа на USGS (https://earthquake.usgs.gov/monitoring/) е постоянна цифрова мрежа от най-съвременни сеизмологични и геофизични сензори, свързани чрез телекомуникационна мрежа, служеща като многофункционално научно съоръжение и обществен ресурс за наблюдение, изследвания и образование. GSN осигурява почти еднакъв, световен мониторинг на Земята, с над 150 съвременни сеизмични станции, разпространени в световен мащаб. Освен това се използва двумерна и триизмерна обработка на сухопътни и морски сеизмични данни, показващи движение както в дълбочина, така и във времето. Норвежката Spectrum ASA се фокусира върху тази двумерна и триизмерна обработка на данни и поддържа библиотека от данни за много клиенти и доклади, обхващащи всички основни петролни региони в света.

лексика

Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
Земетресение: внезапно и силно разклащане на земята в резултат на движения в земната кора или вулканично действие
Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (вижте инфографиката).
Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми.
Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
Интензитет: Сила на движението на земетресението.
Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
Скала на Рихтер: Скалата на магнитудите е разработена през 1935 г. от Чарлз Ф. Рихтер от Калифорнийския технологичен институт като математическо устройство за сравняване на силата на земетресенията.
Сеизмични вълни: Позволете на сеизмолозите да картографират вътрешността на Земята и да локализират и измерят силата на тези земетресения.
Сеизмограф: Инструменти, които измерват и записват движенията на земята, включително тези на сеизмичните вълни, генерирани от земетресения, ядрени експлозии и други сеизмични източници.

Dig Deeper

Интернет връзки

Препоръчителна четене

Въведение в сеизмологията, земетресенията и структурата на Земята от Сет Стейн и Майкъл Уайсесия (ISBN: 0865420785)
Земетресения от Брус Болт (ISBN: 0716775484)
Въведение в сеизмологията от Питър М. Шиърър (ISBN: 0521708427)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф, изследвайки защо строителните инженери може да се наложи да оценят сеизмичната активност на определена строителна площадка?
Напишете есе или параграф за това как съществуващата сеизмологична технология би могла да намали смъртността от земетресението в Чили през 1960 г.

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 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

Положение и движение на обекти

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ D: Наука за Земята и Космоса

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

Промени в земята и небето

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

Промени в средите
Наука и технологии в местните предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Науката като човешко начинание

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

Движения и сили
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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Население, ресурси и среда
Естествени опасности
Наука и технологии в обществото

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

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 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

Движения и сили
Взаимодействия на енергия и материя

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ D: Наука за Земята и Космоса

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

Енергия в земната система

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

Природни и предизвикани от човека опасности
Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Исторически перспективи

Научни стандарти от следващо поколение-(Възраст 8-11)

Земята и човешката дейност

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

4-ESS3-2. Генерирайте и сравнете множество решения, за да намалите въздействието на естествените земни процеси върху хората.

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 (възрасти 11-14)

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.

Научни стандарти от следващо поколение (възрасти 14-18)

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

HS-ETS1-2. Проектирайте решение на сложен проблем от реалния свят, като го разделите на по-малки, по-управляеми проблеми, които могат да бъдат решени чрез инженерство.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

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

Технология и общество

Стандарт 5: Учениците ще развият разбиране за въздействието на технологиите върху околната среда.
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.

Дизайн

Стандарт 8: Студентите ще развият разбиране за характеристиките на дизайна.
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.

Проектираният свят

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

Студентски работен лист

Вие сте екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да проектират надежден сеизмограф, който да записва земетресение във вашата класна стая. Вашата машина трябва да може да записва визуално движение по скала по ваш собствен дизайн. Машината, която е в състояние да запише най -малките смущения, ще се счита за най -добрия дизайн.

Фаза на проучване/подготовка

1) Прегледайте различните студентски справочници.

Планиране като екип

2) Вашият екип е снабден с някои „строителни материали“ от вашия учител. Можете да поискате допълнителни материали.

3) Запознайте се като екип и разработете списък с дизайн и материали, които ще ви трябват за изграждането на вашия сеизмограф. Не забравяйте, че вашият сеизмограф трябва да записва интензитета на симулирано земетресение в класната стая, което ще бъде създадено чрез изпускане на топка от три височини: .5 метра, 1 метър и 1.5 метра.

4) Начертайте плана си за сеизмографа в полето по -долу или на друг лист. Включете списък с материали, които планирате да използвате за изграждане на вашия инструмент. Представете своя дизайн на класа. Можете да изберете да преразгледате плана на екипите си, след като получите обратна връзка от класа.

Необходими материали:

Опишете мащаба си:

Строителна фаза

5) Изградете своя сеизмограф и следете дали имате нужда от допълнителни материали, както сте били във фазата на строителството.

Тестване

6) Сейсмографът на вашия екип ще бъде поставен върху стабилна малка маса. Вашият учител ще създаде три симулирани земетресения, като пусне гумена топка върху масата от три височини: 5 метра, 1 метър и 1.5 метра. Вашата машина ще трябва да записва всяко от тези земетресения. Най -чувствителните машини ще се считат за най -добрите. Те ще могат да записват най -малкото земетресение. Запишете наблюденията си в полето по -долу:

Земетресение	.5 метра	1 м	1.5 м
Измерване на трус във вашия мащаб
Физически наблюдения (какво забелязахте на вашата машина по време на теста ... какво работи, какво не?)

Презентация

7) Представете своите открития и резултатите от вашия сеизмографски тест на класа. Обърнете внимание на различията в дизайна и резултатите от различните сеизмографи, създадени във вашата класна стая.

Етап на оценка

8) Сравнете и оценете резултатите и методите на измерване на вашите екипи с тези на други екипи.

9) Попълнете работния лист за оценка.

Размисъл

Използвайте този работен лист, за да оцените опита си с „Разклатете го със сеизмографи!“ урок:

1) Успяхте ли да създадете сеизмограф, който да може да запише в мащаб симулацията на земетресение и за трите земетресения?

2) Трябваше ли да поискате допълнителни материали при изграждането на вашия сеизмограф?

3) Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес на продуктите? Защо биха могли?

4) Ако трябва да адаптирате сеизмографа си в класната стая към такъв, който действително би записал истинско земетресение, какви модификации ще трябва да направите?

5) Ако трябва да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?

6) Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?

7) Смятате ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете…