Elektrische Schalter

Baumaterialien (für jedes Team)

Benötigtes Material

• Verschiedene Arten von Schaltern
• Isolierter Draht
• Batteriehalter Größe D
• Batterie der Größe D
• 1.5 Volt Lichtsteckdose
• 1.5 Volt Glühlampe
• Büroklammern
• Papierverschlüsse
• Aluminiumfolie
• Zange (gemeinsam)
• Drahtschneider (gemeinsam)

Materialien

• Gebaute Schaltungen und Schalter

Verfahren

Die Teams bauen ihre Schaltkreise auf und testen, um zu bestätigen, dass die Glühbirne aufleuchtet.

Dann fügen die Teams ihren Schaltkreisen einen Schalter hinzu und demonstrieren, wie der Schalter die Glühbirne ein- und ausschaltet.

• Wenn Schüler Schwierigkeiten haben, einen Schalter zu erstellen, schlagen Sie vor, dass sie eine Büroklammer verwenden, die so gebogen ist, dass sie beim Drücken kaum ein Stück Folie oder eine andere Büroklammer berührt
• Oder eine Papierklammer, die zwischen Batterie und Batteriehalter eingeklemmt ist und die beim Drücken verhindert, dass sie sich berühren.

Design-Herausforderung

Sie sind ein Team von Ingenieuren, die vor der Herausforderung stehen, eine Schaltung mit nur einer Batterie und einer Glühbirne zu bauen. Dann müssen Sie Ihrem Stromkreis einen Schalter hinzufügen, der die Glühbirne ein- und ausschaltet.

Eigenschaften

• Der Stromkreis muss eine Batterie und eine 1.5-Volt-Glühbirne verwenden.
• Schalter muss Glühbirne ein- und ausschalten.

Einschränkungen

Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien.

1. Teilen Sie die Klasse in Teams von 3-4 Personen auf.
2. Verteilen Sie das Arbeitsblatt Elektrische Schalter sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs.
3. Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Fragen Sie die Schüler nach Beispielen für die Verwendung von Schaltern.
4. Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
5. Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
6. Erklären Sie, dass die Schüler einen funktionierenden Stromkreis mit nur einer Batterie und einer Glühbirne aufbauen müssen. Dann müssen sie einen Schalter hinzufügen, der die Glühbirne ein- und ausschaltet.
7. Geben Sie die Zeit an, die sie bauen müssen (1 Stunde empfohlen).
8. Verwenden Sie einen Timer oder eine Online-Stoppuhr (Countdown-Funktion), um sicherzustellen, dass Sie pünktlich sind. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Geben Sie den Schülern regelmäßige „Zeitprüfungen“, damit sie bei der Arbeit bleiben. Wenn sie Probleme haben, stellen Sie Fragen, die sie schneller zu einer Lösung führen.
9. Die Schüler treffen sich und entwickeln einen Plan für ihre Schaltung und ihren Schalter. Sie sollten ihren Plan vor dem Bau skizzieren und die im Abschnitt „Hintergrundkonzepte“ gezeigten schematischen Symbole verwenden.
10. Die Teams bauen ihre Schaltkreise auf und testen, um zu bestätigen, dass die Glühbirne aufleuchtet.
11. Die Teams fügen ihren Schaltkreisen einen Schalter hinzu und demonstrieren, wie der Schalter die Glühbirne ein- und ausschaltet.

• Wenn Schüler Schwierigkeiten haben, einen Schalter zu erstellen, schlagen Sie vor, dass sie eine Büroklammer verwenden, die so gebogen ist, dass sie beim Drücken kaum ein Stück Folie oder eine andere Büroklammer berührt
• Oder eine Papierklammer, die zwischen Batterie und Batteriehalter eingeklemmt ist und die beim Drücken verhindert, dass sie sich berühren.

12. Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
13. Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Erweiterungsidee

Lassen Sie die Schüler nach Schaltern in weggeworfenem Spielzeug, Haushaltsgeräten oder anderen elektrischen Geräten suchen. Die Schüler können die Gegenstände zerlegen, um zu sehen, wie sie funktionieren.

Studentenreflexion (technisches Notizbuch)

1. Beschreiben Sie, was Sie getan haben, um die Glühbirne mit dem Schalter zum Leuchten zu bringen.
2. Welche Materialien haben Sie verwendet, um Ihren eigenen Schalter zu machen?

Der Unterricht kann für ältere Schüler in nur 1 Unterrichtsstunde durchgeführt werden. Um den Schülern zu helfen, sich nicht gehetzt zu fühlen, und um den Erfolg der Schüler sicherzustellen (insbesondere für jüngere Schüler), teilen Sie die Lektion in zwei Abschnitte auf, damit die Schüler mehr Zeit für Brainstorming, Testideen und die Fertigstellung ihres Designs haben. Führen Sie die Tests und Nachbesprechungen in der nächsten Unterrichtsstunde durch.

Was ist eine einfache Schaltung?

Ein einfacher Stromkreis besteht aus mindestens drei Elementen, die erforderlich sind, um einen funktionierenden Stromkreis zu vervollständigen: eine Stromquelle (Batterie), einen Pfad oder Leiter, auf dem Strom fließt (Draht) und einen elektrischen Widerstand (Lampe), bei dem es sich um ein beliebiges Gerät handelt, das benötigt wird Strom zu betreiben. Die folgende Abbildung zeigt eine einfache Schaltung mit einer Batterie, zwei Drähten, einem Schalter und einer Glühbirne. Der Stromfluss erfolgt vom Hochpotential-Pol (+) der Batterie durch die Glühbirne (sie leuchtet auf) und zurück zum negativen (-)-Pol, in einem kontinuierlichen Fluss, wenn der Schalter eingeschaltet ist, so dass Strom fließen

Schematische Darstellung einer einfachen Schaltung

Das Folgende ist ein schematisches Diagramm der einfachen Schaltung, das die elektronischen Symbole für Batterie, Schalter und Glühbirne zeigt.

Simulieren eines Schalters durch Trennen einer Leitung

Sie können einen groben Schalter herstellen, indem Sie einfach einen der Drähte trennen und ihn abwechselnd berühren und aus dem Metallgehäuse der Glühbirne entfernen. Warum geht das Licht aus, wenn sich der Draht nicht mehr berührt? Wenn der Draht entfernt wird, müssten die Elektronen durch die Luft fließen, um den Stromkreis zu schließen. Um Elektronen durch Luft strömen zu lassen, braucht es viel mehr Energie als zur Verfügung steht, weil fast alle Elektronen in der Luft fest an Atome gebunden sind. Das gleiche gilt für alle anderen Materialien, die als Isolatoren bekannt sind. Der behelfsmäßige Schalter, der durch Trennen und Wiederanschließen des Kabels hergestellt wird, macht genau dasselbe wie ein hergestellter Schalter, außer dass hergestellte Schalter zuverlässiger sind. Alles, was sie tun, ist, die Drähte zu trennen und wieder anzuschließen, wenn Sie den Hebel bewegen, den Knopf drücken, den Knopf drehen oder den Knopf verschieben.

• Batterie: Ein Gerät, das Strom speichern kann.
• Stromkreis: Ein vollständiger Pfad, um den Strom fließen kann.
• Einschränkungen: Einschränkungen bei Material, Zeit, Teamgröße usw.
• Kriterien: Bedingungen, die das Design erfüllen muss, wie seine Gesamtgröße usw.
• Ingenieure: Erfinder und Problemlöser der Welt. In den Ingenieurwissenschaften werden XNUMX Hauptfachgebiete anerkannt (siehe Infografik).
• Engineering Design Process: Verfahrensingenieure verwenden, um Probleme zu lösen. 
• Engineering Habits of Mind (EHM): Sechs einzigartige Denkweisen von Ingenieuren.
• Iteration: Test & Redesign ist eine Iteration. Wiederholen (mehrere Iterationen).
• Prototyp: Ein Arbeitsmodell der zu testenden Lösung.
• Schematic Wiring Diagram: Schema, das verwendet wird, um die Verdrahtung eines Stromkreises zu planen. 
• Einfacher Stromkreis: Besteht aus mindestens drei Elementen, die für einen funktionierenden Stromkreis erforderlich sind: einer Stromquelle (Batterie), einem Pfad oder Leiter, auf dem Strom fließt (Draht) und einem elektrischen Widerstand (Lampe), bei dem es sich um ein beliebiges Gerät handelt, das benötigt wird Strom zu betreiben.
• Schalter: Ein Gerät zum Herstellen, Unterbrechen oder Ändern der Verbindungen in einem Stromkreis.

Literatur-Empfehlungen

• DK Augenzeugenserie: Elektrizität (ISBN: 0751361321)
• Eyewitness Electricity, von Steve Parker (DK Publishing, ISBN: 0789455773)
• Wie Wissenschaft funktioniert, von Judith Hann (Readers Digest, ISBN: 0762102497)

Aktivität schreiben

Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz, in dem beschrieben wird, wie Schalter, die an gebräuchlichen Haushaltsgeräten zu finden sind, diese Geräte funktionaler oder einfacher zu bedienen machen.

Anpassung an Curriculum Frameworks

Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:  

• US-amerikanische Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Wissenschaftsstandards der nächsten Generation der USA (http://www.nextgenscience.org/) 
• Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• US National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• US Common Core State Standards für Mathematik (http://www.corestandards.org/Math)
• Computer Science Teachers Association K-12 Standards für Informatik (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse K-4 (4 - 9 Jahre)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind 
• Verständnis für wissenschaftliche Forschung 

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis der Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Licht, Wärme, Elektrizität und Magnetismus 

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie 

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Wissen über Wissenschaft und Technik 

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10 - 14)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind 
• Verständnis für wissenschaftliche Forschung 

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Energieübertragung 

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Verständnis für Wissenschaft und Technologie 

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation – Klassen 3-5 (Alter 8-11)

Energie

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• 4-PS3-4. Wenden Sie wissenschaftliche Ideen an, um ein Gerät zu entwerfen, zu testen und zu verfeinern, das Energie von einer Form in eine andere umwandelt.

Ingenieur-Design 

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• 3-5-ETS1-1.Definieren Sie ein einfaches Entwurfsproblem, das einen Bedarf oder einen Wunsch widerspiegelt, das festgelegte Erfolgskriterien und Einschränkungen hinsichtlich Material, Zeit oder Kosten enthält.
• 3-5-ETS1-2. Generieren und vergleichen Sie mehrere mögliche Lösungen für ein Problem, basierend darauf, wie gut jede die Kriterien und Einschränkungen des Problems wahrscheinlich erfüllt.

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation – Klassen 6-8 (Alter 11-14)

Ingenieur-Design 

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• MS-ETS1-1 Definieren Sie die Kriterien und Einschränkungen eines Entwurfsproblems mit ausreichender Präzision, um eine erfolgreiche Lösung sicherzustellen, unter Berücksichtigung relevanter wissenschaftlicher Prinzipien und potenzieller Auswirkungen auf Mensch und Natur, die mögliche Lösungen einschränken können.
• MS-ETS1-2 Bewerten Sie konkurrierende Konstruktionslösungen mithilfe eines systematischen Prozesses, um zu bestimmen, wie gut sie die Kriterien und Einschränkungen des Problems erfüllen.

Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen

Design

• Standard 8: Die Schüler entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften von Design.
• Standard 9: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Ingenieurdesign.
• Standard 10: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle von Fehlerbehebung, Forschung und Entwicklung, Erfindung und Innovation sowie Experimentieren bei der Problemlösung.

• Arabisch