Aquí viene el sol
Esta lección explora el concepto de cómo la energía solar es recolectada por paneles solares y adaptada para proporcionar energía a una variedad de máquinas, desde calculadoras hasta naves espaciales. Los estudiantes desmontan una calculadora que funciona con energía solar y exploran los componentes. Los estudiantes trabajan en equipos para sugerir mejoras de diseño a la calculadora para mejorar el rendimiento.
- Obtenga más información sobre el diseño y el funcionamiento de la energía solar y los paneles solares.
- Aprenda cómo funcionan las calculadoras y cómo el producto se compone de muchos componentes diferentes.
- Aprenda sobre el trabajo en equipo y el proceso de diseño / resolución de problemas de ingeniería.
Rangos de Edad: Rinde de 8 a 18 porciones
Materiales de Construcción (para cada equipo)
Materiales Requeridos
- Una calculadora vieja o nueva (muchas cuestan menos de $ 5): busque las que tengan tornillos en la parte posterior para un fácil desmontaje
- Kit de reparación de anteojos o mini destornillador (debe ser de calibre muy pequeño)
Reto de Diseño
Ustedes son un equipo de ingenieros que se enfrentan al desafío de desmontar una calculadora con energía solar y explorar los componentes. Luego estudiará el panel solar y verá cómo está conectado a las otras partes de la calculadora. En equipo, sugiera mejoras en el diseño de la calculadora para mejorar el rendimiento.
Criterios
- Quite todos los tornillos pequeños que unen la parte superior e inferior.
- Desatornille la placa de circuito del panel frontal
- Tenga cuidado al tocar el panel solar y la pantalla LCD (pantalla de cristal líquido), ya que los bordes del vidrio pueden estar afilados.
Limitaciones
- Utilizar solo los materiales proporcionados.
- Divida la clase en equipos de 3-4.
- Reparta la hoja de trabajo Here Comes the Sun, así como algunas hojas de papel para dibujar diseños.
- Discutan los temas de la sección Conceptos Básicos.
- Revise el proceso de diseño de ingeniería, el desafío de diseño, los criterios, las restricciones y los materiales. Explique a los estudiantes que deben asegurarse de quitar todos los tornillos pequeños que mantienen unidas la parte superior e inferior de la calculadora; algunos a menudo están ocultos debajo de almohadillas o tiras de goma. También deberán desatornillar la placa de circuito del panel frontal de la calculadora; hay muchos tornillos. También deben tener mucho cuidado al tocar el panel solar y la pantalla LCD (pantalla de cristal líquido), ya que los bordes del vidrio pueden estar afilados.
- Indique a los estudiantes que comiencen a hacer una lluvia de ideas y esbozar sus diseños.
- Proporcione a cada equipo sus materiales.
- Explique que los estudiantes deben completar 4 pasos:
- Paso uno: Como equipo, observe si la calculadora funciona cuando bloquea completamente el panel de energía solar. ¿Qué sucede si bloquea parcialmente el panel solar? Escriba sus observaciones y explicaciones de lo que encontró a continuación.
- Paso dos: sugiera otros cinco productos en los que pueda pensar que funcionan total o parcialmente con paneles solares.
- Paso tres: Como equipo, desarme una calculadora solar nueva (barata) o vieja que no se pueda utilizar, utilizando los materiales que se le proporcionaron.
- Paso cuatro: Como equipo, observe el panel solar y vea cómo está conectado a las otras partes de la calculadora. Examine todas las demás partes de la calculadora y analice lo que encuentre. Luego, haga sugerencias sobre cómo se puede mejorar la calculadora.
- Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para desmontar y estudiar la calculadora.
- Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
- Los equipos desmontan y estudian su calculadora.
- Los equipos deben documentar cómo está conectado el panel solar a las otras partes de la calculadora. Como equipo, deben discutir y documentar sugerencias sobre cómo se puede mejorar el desempeño.
- Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
- Para obtener más contenido sobre el tema, consulte la sección "Explora Más."
Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)
- ¿Cuántas piezas individuales encontraste? Describelos.
- ¿Qué es lo que más te sorprendió de las partes interiores de la calculadora?
- ¿Cómo se conectó el panel solar a la placa de circuito?
- Si había una batería de respaldo para esta calculadora, ¿cómo estaba conectada a la placa de circuito?
- Algunas calculadoras seguirán funcionando en estado desmontado, siempre que los cables del panel solar y la batería sigan conectados a la placa de circuito. ¿Sigue funcionando su calculadora? Si vuelve a conectar los cables con cinta adhesiva, ¿sigue funcionando?
- ¿Por qué crees que había una lámina de goma o plástico que separaba la placa de circuito de los botones que presionas?
- ¿Qué tipo de material crees que está incrustado debajo de la lámina de plástico o goma y la placa de circuito? ¿Por qué cree que los ingenieros incluyeron esta hoja en su diseño?
- Suponiendo que pudiera volver a encender su calculadora, si reconstruyera su calculadora con todos los botones en diferentes posiciones, ¿seguiría funcionando correctamente? ¿Por qué por qué no?
- ¿Hay algo que recomendaría, como parte de un equipo de ingeniería, para mejorar la funcionalidad de la calculadora que desmontó? Adjunte un dibujo o boceto de su pieza componente o mejora propuesta y responda las preguntas siguientes:
- ¿Qué materiales nuevos necesitará (si corresponde)?
- ¿Qué materiales o partes eliminará (si corresponde)?
- ¿Cómo mejorará este nuevo producto la funcionalidad de una calculadora?
¿Cómo cree que su nuevo diseño afectará el costo de esta calculadora? ¿Por qué?
Modificación de Tiempo
La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.
Cómo funcionan los paneles solares
¡Los paneles solares se utilizan en todas partes!
Los paneles solares funcionan convirtiendo la energía del sol en electricidad. Esto se usa para alimentar muchos productos en la tierra y también para apoyar la energía en las naves espaciales. En esta lección, estamos trabajando con calculadoras que funcionan con energía solar, que han sido una aplicación simple pero efectiva durante muchos años. Si observa con atención, encontrará muchas aplicaciones en su ciudad o escuela, incluidos semáforos y señales de tráfico. Incluso puede tener luces decorativas alimentadas por energía solar en su jardín para ayudarlo a guiarlo de manera segura durante la noche. A medida que la tecnología solar avanza y se vuelve más eficiente, las aplicaciones de la energía solar continúan expandiéndose. Los cargadores solares de teléfonos, como el de la derecha, ayudan a los excursionistas a mantenerse en contacto, lo que puede salvarles la vida en caso de emergencia.
Flexibilidad
El panel solar ahora puede ser flexible, lo que ayuda con el diseño de edificios y abre todo tipo de aplicaciones que no estaban disponibles hace diez años. La siguiente ilustración muestra una parada de autobús alimentada por un panel solar flexible que permitiría a los que esperan cargar sus teléfonos, tener iluminación después del anochecer y, potencialmente, comunicar los horarios de llegada del autobús o retrasos.
¿Qué es un circuito simple?
Un circuito simple consta de tres elementos mínimos que se requieren para completar un circuito eléctrico en funcionamiento: una fuente de electricidad (batería), un camino o conductor por el que fluye la electricidad (cable) y una resistencia eléctrica (lámpara) que es cualquier dispositivo que requiera electricidad para operar. La siguiente ilustración muestra un circuito simple que contiene una batería, dos cables, un interruptor y una bombilla. El flujo de electricidad es desde el terminal de alto potencial (+) de la batería a través de la bombilla (encendiéndolo), y de regreso al terminal negativo (-), en un flujo continuo cuando el interruptor está en la posición de encendido para que la corriente pueda fluir.
Diagrama Esquemático de un Circuito Simple
El siguiente es un diagrama esquemático del circuito simple que muestra los símbolos electrónicos de la batería, el interruptor y la bombilla.
- Restricciones: limitaciones de material, tiempo, tamaño del equipo, etc.
- Criterios: Condiciones que debe satisfacer el diseño como su tamaño total, etc.
- Ingenieros: inventores y solucionadores de problemas del mundo. Se reconocen veinticinco especialidades principales en ingeniería (ver infografía).
- Proceso de diseño de ingeniería: los ingenieros de procesos utilizan para resolver problemas.
- Hábitos de la mente de ingeniería (EHM): Seis formas únicas en que piensan los ingenieros.
- Iteración: Probar y rediseñar es una iteración. Repetir (múltiples iteraciones).
- Prototipo: Modelo funcional de la solución a probar.
- Solar: Producido o hecho para trabajar por la acción de la luz del sol o de la energía solar térmica.
- Células solares: generan electricidad directamente de la luz solar.
- Energía solar: energía generada directamente a partir de la luz solar.
- Panel solar: hecho de células solares, que es la parte que convierte la energía solar de la luz solar en electricidad.
Enlaces a Internet
- S. Departamento de Energía, Programa de Tecnologías de Energía Solar
- Laboratorio Nacional de Energía Renovable
- Historia de la energía solar
Lectura Recomendada
- Manual de electricidad solar, edición de 2010: Una guía práctica simple para la energía solar: diseño e instalación de sistemas eléctricos solares fotovoltaicos por Michael Boxwell (ISBN: 978-1907670008)
- Energía del sol: una guía práctica para la electricidad solar por Dan Chiras (ISBN: 978-0865716216)
Actividad de Escritura
Escribe un ensayo o un párrafo que describa cómo se han diseñado los paneles solares para convertirlos en un producto que encuentres en tu hogar o escuela. Explique por qué la energía solar es una buena opción para alimentar este producto.
Alineación con los marcos curriculares
Nota: Los planes de lecciones de esta serie están alineados con uno o más de los siguientes conjuntos de estándares:
- Estándares de educación científica de EE. UU. (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Estándares de ciencia de la próxima generación de EE. UU. (http://www.nextgenscience.org/)
- Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Principios y estándares para las matemáticas escolares del Consejo Nacional de Profesores de Matemáticas de EE. UU. (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Estándares Estatales Básicos Comunes de EE. UU. Para Matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
- Estándares de Informática de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (edades 4-9)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Comprensión de la investigación científica
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades de objetos y materiales
- Luz, calor, electricidad y magnetismo.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (10-14 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Comprensión de la investigación científica
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Transferencia de energía
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Comprensión de la investigación científica
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Interacciones de energía y materia.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
Estándares de ciencias de la próxima generación: grados 3-5 (edades 8-11)
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 4-PS3-4. Aplique ideas científicas para diseñar, probar y perfeccionar un dispositivo que convierte energía de una forma a otra.
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 3-5-ETS1-1. Defina un problema de diseño simple que refleje una necesidad o un deseo que incluya criterios específicos para el éxito y limitaciones de materiales, tiempo o costo.
- 3-5-ETS1-2. Genere y compare múltiples soluciones posibles a un problema basándose en qué tan bien es probable que cada una cumpla con los criterios y limitaciones del problema.
Estándares de ciencias de la próxima generación: grados 6-8 (edades 11-14)
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- MS-ETS1-2 Evaluar las soluciones de diseño de la competencia mediante un proceso sistemático para determinar qué tan bien cumplen con los criterios y limitaciones del problema.
Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades
La naturaleza de la tecnología
- Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
- Estándar 3: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las relaciones entre las tecnologías y las conexiones entre la tecnología y otros campos de estudio.
Tecnología y Sociedad
- Estándar 4: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos culturales, sociales, económicos y políticos de la tecnología.
- Estándar 5: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos de la tecnología en el medio ambiente.
- Estándar 6: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la sociedad en el desarrollo y uso de la tecnología.
Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades
Diseño
- Estándar 8: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los atributos del diseño.
- Estándar 9: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del diseño de ingeniería.
- Estándar 10: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la resolución de problemas, la investigación y el desarrollo, la invención y la innovación y la experimentación en la resolución de problemas.
Habilidades para un mundo tecnológico
- Estándar 13: Los estudiantes desarrollarán habilidades para evaluar el impacto de productos y sistemas.
El mundo diseñado
- Estándar 16: Los estudiantes desarrollarán una comprensión y serán capaces de seleccionar y utilizar tecnologías de energía y potencia.
Diseccionar una calculadora de energía solar
Paso Uno: Como equipo, observe si la calculadora funciona cuando bloquea completamente el panel de energía solar. ¿Qué sucede si bloquea parcialmente el panel solar? Escriba sus observaciones y explicaciones de lo que encontró a continuación.
Paso Dos: Sugiera otros cinco productos en los que pueda pensar que funcionan total o parcialmente con paneles solares.
Paso Tres: En equipo, desarme una calculadora solar nueva (económica) o vieja que no se pueda utilizar, utilizando los materiales que se le proporcionaron. Asegúrese de quitar todos los tornillos pequeños que unen la parte superior e inferior, algunos a menudo están ocultos debajo de almohadillas o tiras de goma. Deberá utilizar un destornillador muy pequeño, como el que se encuentra comúnmente en los kits de reparación de anteojos. Y también deberá desatornillar la placa de circuito del panel frontal de la calculadora; hay muchos tornillos.
Nota de seguridad: Tenga cuidado al tocar el panel solar y la pantalla LCD (pantalla de cristal líquido), ya que los bordes del vidrio pueden estar afilados.
Paso Cuatro: En equipo, observe el panel solar y vea cómo está conectado a las otras partes de la calculadora. Examine todas las demás partes de la calculadora y analice lo que encuentre. Luego responda las preguntas a continuación.
Preguntas:
1. ¿Cuántas piezas individuales encontró? Describelos.
2. ¿Qué es lo que más te sorprendió de las partes interiores de la calculadora?
3. ¿Cómo se conectó el panel solar a la placa de circuito?
4. Si había una batería de respaldo para esta calculadora, ¿cómo estaba conectada a la placa de circuito?
5. Algunas calculadoras seguirán funcionando en estado desmontado, siempre que los cables del panel solar y la batería sigan conectados a la placa de circuito. ¿Sigue funcionando su calculadora? Si vuelve a conectar los cables con cinta adhesiva, ¿sigue funcionando?
6. ¿Por qué cree que había una lámina de goma o plástico que separaba la placa de circuito de los botones que presiona?
7. ¿Qué tipo de material crees que está incrustado debajo de la lámina de plástico o goma y la placa de circuito? ¿Por qué cree que los ingenieros incluyeron esta hoja en su diseño?
8. Suponiendo que pudiera volver a encender su calculadora, si reconstruyera su calculadora con todos los botones en diferentes posiciones, ¿funcionaría correctamente? ¿Por qué por qué no?
9. ¿Hay algo que recomendaría, como parte de un equipo de ingeniería, para mejorar la funcionalidad de la calculadora que desmontó? Adjunte un dibujo o boceto de su pieza componente o mejora propuesta y responda las preguntas siguientes:
¿Qué materiales nuevos necesitará (si corresponde)? |
¿Qué materiales o partes eliminará (si corresponde)? |
¿Cómo mejorará este nuevo producto la funcionalidad de una calculadora? |
¿Cómo cree que su nuevo diseño afectará el costo de esta calculadora? ¿Por qué? |
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5. Presente sus ideas a la clase.