Taschenlampen und Batterien

In dieser Lektion wird untersucht, wie eine Taschenlampe funktioniert, und zeigt den Stromkreis und die Schaltfunktionen dieses alltäglichen Haushaltsgegenstands. Die Schüler lernen, wie Batterien funktionieren, wie sie die einfache Schaltung in einer einfachen Taschenlampe mit Strom versorgen und wie der Schalter den Elektronenfluss steuert. Die Schüler arbeiten in Teams, um eine Taschenlampe zu zerlegen und einen Schaltplan des Schaltungsdesigns einer Taschenlampe zu zeichnen.

Erfahren Sie, wie Schalter den Stromfluss steuern.
Lernen Sie, grundlegende elektrische Schaltpläne zu zeichnen.
Erfahren Sie, wie der Stromkreis und die Batterie in einer Taschenlampe funktionieren.
Lernen Sie Teamwork und das Arbeiten in Gruppen kennen.

Altersstufen: 8-11

Materialien & Vorbereitung

Baumaterialien

Benötigtes Material

Taschenlampe
2 D-Batterien
2 Serie

Herausforderung Konstruktionsdesign

Design-Herausforderung

Sie sind ein Team von Ingenieuren, denen die Aufgabe gestellt wurde, eine Taschenlampe zu zerlegen und wieder zusammenzubauen, damit sie funktioniert. Dann entwerfen und zeichnen Sie einen Schaltplan für eine verbesserte Taschenlampe (neue Materialien, mehrere Glühbirnen, zusätzliche Batterien) und teilen Ihr Design mit der Klasse.

Aktivitätsanweisungen und -verfahren

Teilen Sie die Klasse in Teams von 3-4 Personen auf.
Verteilen Sie das Arbeitsblatt Taschenlampen und Batterien sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs.
Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Zeigen Sie den Schülern eine funktionierende Taschenlampe und erklären Sie, wie der Schalter an der Taschenlampe den Stromfluss im gesamten Taschenlampenstromkreis steuert.
Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
Bitten Sie die Teams, die Taschenlampe zu zerlegen und wieder zusammenzubauen, damit sie funktioniert.
Bitten Sie die Teams, einen Schaltplan für eine Taschenlampe in der Position „Ein“ zu zeichnen.
Studententeams entwerfen als nächstes eine verbesserte Taschenlampe und zeichnen einen weiteren elektronischen Schaltplan für ihr neues Design. (Ideen: neue Materialien, mehrere Glühbirnen, zusätzliche Batterien)
Die Teams präsentieren der Klasse ihr neues Design.
Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Zeitänderung

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.

Konstruktionsprozess

Hintergrundkonzepte

Was ist eine einfache Schaltung?

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 Minuspol (-) in einem kontinuierlichen Fluss, wenn der Schalter eingeschaltet ist, so dass der Strom fließen kann.

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

Simulieren eines Schalters durch Trennen eines Drahtes oder Hinzufügen eines Bleistifts

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Schalter in einer einfachen Schaltung zu simulieren. Das einfache Entfernen und Ersetzen des Kabels von der Glühbirne kann als Schalter dienen. Ein weiterer einfacher Wechsel kann vorgenommen werden, indem das Ende eines der Drähte mit einem Gummiband am Radiergummiende eines Bleistifts befestigt wird. Befestigen Sie dann ein weiteres Gummiband am anderen Ende des Bleistifts, und indem Sie das andere Ende einfach auf das Verbindungskabel legen – und dann wieder weg – haben Sie einen Schalter geschaffen. Andere Arten von Leitern können auch im Schalterdesign verwendet werden, wie z. B. Aluminiumfolie, Haarklammern, Büroklammern, Papierklammern und einige Metallstifte.

Batterien und Taschenlampen

Batterieverlauf

Die erste Batterie wurde 1800 von Graf Alessandro Volta demonstriert. Seine Experimente zeigten, dass verschiedene Metalle in Kontakt miteinander Strom erzeugen können. Er baute einen Stapel Zinkscheiben, die abwechselnd mit in Salzwasser und Silber oder Kupfer getränktem Löschpapier abwechselten. Wenn sowohl an der oberen als auch an der unteren Scheibe Drähte aus zwei verschiedenen Metallen angebracht wurden, konnte Volta eine Spannung und einen Strom messen. Er entdeckte auch, dass die Spannung umso höher ist, je höher der Stapel ist. Der Strom wird aufgrund einer chemischen Reaktion erzeugt, die sich aus den unterschiedlichen Elektronenanziehungsfähigkeiten der beiden Metalle ergibt. Weitere Informationen zur Batteriehistorie finden Sie im Wiki Engineering and Technology History (https://ethw.org/Batteries).

Taschenlampengeschichte

In den 1890er Jahren erfand Conrad Hubert, Gründer der American Ever-Ready Company, die elektrische Handlampe. Hubert erwarb 1898 das Patent für die erste Eveready-Taschenlampe. Huberts erste Taschenlampen bestanden aus Papier- und Faserröhren, mit einer Glühbirne und einem Messingreflektor. Damals waren die Batterien noch sehr schwach und die Glühbirnen noch in der Entwicklung, sodass die ersten Taschenlampen nur einen kurzen „Lichtblitz“ erzeugten – der der Erfindung ihren Namen gab.

Wie Taschenlampen funktionieren

Eine Taschenlampe besteht aus sieben Hauptkomponenten:

Case oder Tube: hält alle anderen Komponenten der Taschenlampe.
Kontakte: dünne Feder oder Metallstreifen, meist aus Kupfer oder Messing, die als Verbindung zwischen Batterie, Lampe und Schalter dienen.
Schalter: kann ein- oder ausgeschaltet sein.
Reflektor: Kunststoff beschichtet mit einer reflektierenden Aluminiumschicht, um das effektive Licht der Glühbirne aufzuhellen.
Glühbirne: normalerweise sehr klein.
Linse: Kunststoffabdeckung vor der Glühbirne zum Schutz der leicht zerbrechenden Lampe.
Batterien: Versorgen Sie die Taschenlampe mit Strom.

Wenn sich der Schalter in der Position „Ein“ befindet, verbindet er die beiden Kontraktstreifen, die den Elektronenfluss ermöglichen. Die Batterien versorgen die Taschenlampe mit Strom und sitzen auf einer kleinen Feder, die mit einem der Kontaktstreifen verbunden ist. Diese Kontaktleiste verläuft über die gesamte Gehäuselänge und kontaktiert den Schalter. Eine weitere Kontaktleiste verbindet den Schalter mit der Glühbirne. Schließlich verbindet ein weiterer Kontakt die Glühbirne mit der oberen Batterie und schließt den Stromkreis.

Wortschatz

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.
Elektronenfluss: Elektrizität.
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.
Schematische Darstellung: Schematische Darstellung der elektronischen Symbole einer Schaltung.
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.

Dig Deeper

Internetverbindungen

Wiki für Ingenieur- und Technologiegeschichte

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)
The Usborne Book of Batteries & Magnets (How to Make Series), von Paula Borton, Vicky Cave (EDC Publications, ISBN: 074602083X)

Aktivität schreiben

Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz, in dem beschrieben wird, wie Kurbeltaschenlampen funktionieren

Lehrplanausrichtung

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.

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.