Indagini a infrarossi

Materiali di costruzione (per ogni squadra)

Materiali richiesti

• Un set di materiali per ogni squadra di studenti:
  • Carta nera
  • White paper
  • Fogli di alluminio (lisci)
  • Diversi piccoli specchi
  • CD o DVD
  • Nastro isolante nero o nastro adesivo
  • Torcia elettrica
  • Involucro di plastica
  • Bicchiere di plastica trasparente
  • Water
  • Colorante alimentare
  • Latte o altro liquido non trasparente

Materiali di prova

• Telecomando e televisione

Materiali

• Telecomando e televisione

Processi

I team testano le loro previsioni sull'interferenza o sull'estensione degli infrarossi facendo rimbalzare gli infrarossi del telecomando su alcuni o tutti i seguenti materiali per vedere se controlla ancora il televisore:

• White paper
• Carta nera
• Lamina piatta
• Foglio accartocciato
• Involucro di plastica
• Una mano
• CD
• Bicchiere d'acqua
• Bicchiere di latte
• Bicchiere di acqua colorata
• Nastro isolante nero

Successivamente, gli studenti utilizzeranno gli specchi per reindirizzare l'infrarosso dietro l'angolo o in un'altra stanza.

Quindi, gli studenti possono testare l'effetto dell'uso di una torcia con un angolo di 90 gradi e parallelo al raggio infrarosso del televisore. Gli studenti dovrebbero annotare i loro risultati sul foglio di lavoro dello studente.

Design Challenge

Siete un team di ingegneri a cui è stata data la sfida di ideare un piano per azionare un televisore da un telecomando a infrarossi che si trova dietro un angolo o in un'altra stanza.

Criteri

• Utilizzare un raggio a infrarossi del telecomando per verificare la riflessione del raggio sugli oggetti.
• Usa uno specchio per dirigere il raggio a infrarossi dietro l'angolo o in un'altra stanza.

vincoli

• Utilizzare solo i materiali forniti.

1. Suddividi la classe in squadre di 2-3.
2. Distribuire il foglio di lavoro Indagini sugli infrarossi.
3. Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base.
4. Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali.
5. Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
6. Spiega che gli studenti testeranno i limiti della tecnologia a infrarossi in un telecomando utilizzando vari materiali per riflettere il raggio infrarosso dal materiale e di nuovo su un televisore. Quindi, utilizzeranno uno specchio per dirigere il raggio a infrarossi dietro l'angolo o in un'altra stanza per azionare il televisore.
7. Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata).
8. Usa un timer o un cronometro in linea (funzione di conto alla rovescia) per assicurarti di rimanere puntuale. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dare agli studenti regolari "controlli del tempo" in modo che rimangano concentrati. Se hanno difficoltà, fai domande che li porteranno a una soluzione più rapida.
9. Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per utilizzare i materiali per riflettere il raggio infrarosso. Fanno previsioni sui risultati e li documentano.
10. I team testano le loro previsioni sull'interferenza o sull'estensione degli infrarossi facendo rimbalzare gli infrarossi del telecomando su alcuni o tutti i seguenti materiali per vedere se controlla ancora il televisore:
    • White paper
    • Carta nera
    • Lamina piatta
    • Foglio accartocciato
    • Involucro di plastica
    • Una mano
    • CD
    • Bicchiere d'acqua
    • Bicchiere di latte
    • Bicchiere di acqua colorata
    • Nastro isolante nero

    Successivamente, gli studenti utilizzeranno gli specchi per reindirizzare l'infrarosso dietro l'angolo o in un'altra stanza.

    Quindi, gli studenti possono testare l'effetto dell'uso di una torcia con un angolo di 90 gradi e parallelo al raggio infrarosso del televisore. Gli studenti dovrebbero annotare i loro risultati sul foglio di lavoro dello studente.

11. Le squadre dovrebbero documentare i risultati rispetto alle loro previsioni.
12. In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
13. Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".

Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)

1. Quale risultato ha sorpreso di più la tua squadra? Come mai?
2. Sulla base della tua ricerca, se il tuo team di ingegneri prendesse in considerazione l'utilizzo degli infrarossi per controllare un sistema subacqueo, accetteresti di incorporare gli infrarossi? Come mai? Perchè no?
3. E nello spazio? Come mai? Perchè no?
4. Perché pensi che gli ingegneri debbano testare i componenti che stanno considerando di incorporare in un nuovo prodotto o sistema?
5. Riesci a pensare ad altre applicazioni per le quali il tuo team di ingegneri pensa che i controller a infrarossi potrebbero essere utili?

La lezione può essere svolta in un solo periodo di lezione per gli studenti più grandi. Tuttavia, per aiutare gli studenti a non sentirsi di fretta e per assicurarne il successo (specialmente per gli studenti più giovani), dividi la lezione in due periodi dando agli studenti più tempo per fare brainstorming, testare le idee e finalizzare il loro progetto. Condurre il test e il debriefing nel prossimo periodo di lezione.

Infrarossi e sue applicazioni

Che cos'è l'infrarosso?

La radiazione infrarossa (IR) è una radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda più lunga di quella della luce visibile, ma più corta di quella delle onde radio. Il nome significa "sotto il rosso" (dal latino infra, "sotto"), il rosso è il colore della luce visibile di lunghezza d'onda maggiore. La radiazione infrarossa si estende su tre ordini di grandezza e ha lunghezze d'onda comprese tra circa 750 nm e 1 mm.

La porzione infrarossa dello spettro ha una serie di usi tecnologici, tra cui l'acquisizione e il tracciamento del bersaglio da parte dei militari; rilevamento della temperatura a distanza; comunicazione senza fili a corto raggio; spettroscopia e previsioni del tempo. I telescopi dotati di sensori a infrarossi sono utilizzati nell'astronomia a infrarossi per penetrare nelle regioni polverose dello spazio, come le nuvole molecolari; rilevare oggetti a bassa temperatura come pianeti in orbita attorno a stelle lontane e per visualizzare oggetti altamente spostati verso il rosso della storia antica dell'universo.

A livello atomico, l'energia infrarossa suscita modi vibrazionali in una molecola attraverso un cambiamento nel momento di dipolo, rendendolo un intervallo di frequenza utile per lo studio di questi stati energetici. La spettroscopia a infrarossi è l'esame dell'assorbimento e della trasmissione dei fotoni nella gamma di energia dell'infrarosso, in base alla loro frequenza e intensità.

Applicazioni a infrarossi in ingegneria

Gli ingegneri incorporano la tecnologia a infrarossi in una varietà di apparecchiature e sistemi utilizzati in molti settori. I seguenti sono solo alcuni esempi.

Night Vision

Gli infrarossi vengono utilizzati nelle apparecchiature per la visione notturna quando la luce visibile è insufficiente per vedere un oggetto. La radiazione viene rilevata e trasformata in un'immagine su uno schermo, gli oggetti più caldi vengono visualizzati in diverse tonalità rispetto agli oggetti più freddi, consentendo alla polizia e ai militari di acquisire bersagli caldi, come esseri umani e automobili.

Spettroscopia

La spettroscopia a radiazione infrarossa è lo studio della composizione di (solitamente) composti organici, scoprendo la struttura e la composizione di un composto in base alla percentuale di trasmittanza della radiazione IR attraverso un campione.

Satelliti meteorologici

I satelliti meteorologici dotati di radiometri a scansione producono immagini termiche o a infrarossi che possono quindi consentire a un analista esperto di determinare l'altezza e il tipo delle nuvole, calcolare le temperature della terra e dell'acqua superficiale e individuare le caratteristiche della superficie dell'oceano.

Applicazioni spaziali

Gli astronomi osservano oggetti nella porzione infrarossa dello spettro elettromagnetico utilizzando componenti ottici, inclusi specchi, lenti e rivelatori digitali a stato solido.

Applicazioni di riscaldamento

La radiazione infrarossa viene utilizzata nelle saune a infrarossi per riscaldare gli occupanti e per rimuovere il ghiaccio dalle ali degli aerei (de-icing). Sta anche guadagnando popolarità come metodo per riscaldare le pavimentazioni in asfalto durante le nuove costruzioni o per riparare l'asfalto danneggiato. L'infrarosso può essere utilizzato nella cottura e nel riscaldamento degli alimenti poiché riscalda solo oggetti opachi e assorbenti e non l'aria circostante, se non contiene particelle.

Attrezzatura per termografia

La termografia a infrarossi è un metodo di prova senza contatto e non distruttivo che utilizza una termocamera per rilevare, visualizzare e registrare modelli termici e temperature sulla superficie di un oggetto. La termografia è ampiamente utilizzata nelle forze dell'ordine, nella lotta antincendio, nella ricerca e nel salvataggio e nelle scienze mediche e veterinarie.

Dispositivi di comunicazione

La trasmissione di dati IR è impiegata anche nella comunicazione a corto raggio tra periferiche di computer e assistenti digitali personali. I telecomandi e i dispositivi IrDA utilizzano diodi a emissione di luce (LED) a infrarossi per emettere radiazioni infrarosse che vengono focalizzate da una lente di plastica in un raggio stretto. Il telecomando funziona utilizzando un raggio di luce a bassa frequenza, così basso che l'occhio umano non può vederlo. Il raggio viene modulato, cioè acceso e spento, per codificare i dati. L'IR non penetra nelle pareti e quindi non interferisce con altri dispositivi nelle stanze adiacenti. L'infrarosso è il modo più comune con i telecomandi per comandare gli elettrodomestici.

Progressi ingegneristici nel controllo remoto

Molti metodi di controllo remoto  

Il primo telecomando destinato a controllare un televisore è stato sviluppato da Zenith Radio Corporation nei primi anni '1950. Il "telecomando" si chiamava ufficiosamente "Lazy Bones" ed era in realtà collegato al televisore da un lungo filo. Per migliorare l'ingombrante configurazione, nel 1955 fu sviluppato un telecomando wireless chiamato "Flashmatic" che funzionava proiettando un raggio di luce su una cellula fotoelettrica. Sfortunatamente, le celle non distinguevano tra la luce del telecomando e la luce di altre sorgenti e il Flashmatic richiedeva anche che il telecomando fosse puntato molto accuratamente verso il ricevitore.

Nel 1956 fu sviluppato lo “Zenith Space Command”. Era meccanico e usava gli ultrasuoni per cambiare canale e volume. Quando l'utente premeva un pulsante sul telecomando, questo faceva clic e colpiva una barra. Questo spiega perché alcune persone chiamavano i telecomandi "clicker". Ogni barra emetteva una frequenza diversa e i circuiti del televisore rilevavano questo rumore. L'invenzione del transistor ha reso possibili telecomandi elettronici più economici che contenevano un cristallo piezoelettrico alimentato da una corrente elettrica oscillante a una frequenza vicina o superiore alla soglia superiore dell'udito umano, sebbene ancora udibile dai cani. Il ricevitore conteneva un microfono collegato a un circuito sintonizzato sulla stessa frequenza. Alcuni problemi con questo metodo erano che il ricevitore poteva essere attivato accidentalmente da rumori naturali e alcune persone, specialmente giovani donne, potevano sentire i segnali ultrasonici penetranti. C'è stato anche un noto incidente in cui uno xilofono giocattolo ha cambiato i canali su questi tipi di televisori poiché alcuni dei toni dello xilofono corrispondevano alla frequenza ultrasonica del telecomando.

Alla fine degli anni '1970, la maggior parte dei telecomandi commerciali aveva un numero limitato di funzioni, a volte solo quattro: stazione successiva, stazione precedente, aumento o diminuzione del volume. All'epoca gli ingegneri della BBC iniziarono a parlare con uno o due produttori di televisori che portarono ai primi prototipi intorno al 1977-78 che potevano controllare un numero molto maggiore di funzioni. ITT è stata una delle aziende coinvolte e in seguito ha dato il nome al protocollo di comunicazione a infrarossi ITT.

All'inizio degli anni 2000, il numero di dispositivi elettronici di consumo nella maggior parte delle case è notevolmente aumentato. Secondo la Consumer Electronics Association, una casa americana media ha quattro telecomandi. Per far funzionare un home theater possono essere necessari fino a cinque o sei telecomandi, incluso uno per ricevitore via cavo o satellitare, videoregistratore o videoregistratore digitale, lettore DVD, TV e amplificatore audio.

Connessioni Internet

• La nostra galleria fotografica del mondo dell'infrarosso
• Herschel e la sua scoperta degli infrarossi

lettura consigliata

• Engineering Tomorrow: gli esperti di tecnologia di oggi immaginano il prossimo secolo (ISBN: 0780353625)
• Scienze ingegneristiche (ISBN: 0750652594)
• Scienze e ingegneria visiva (ISBN: 0824791851)

 Attività di scrittura

Scrivi un saggio o un paragrafo su come le tecniche di imaging termico che utilizzano la tecnologia a infrarossi hanno aiutato le operazioni di soccorso umano.

Allineamento ai Curriculum Frameworks

Nota: I piani delle lezioni di questa serie sono allineati a uno o più dei seguenti gruppi di standard:

• S. Standard di educazione scientifica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Standard scientifici di nuova generazione (http://www.nextgenscience.org/)
• Standards for Technological Literacy della International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Consiglio Nazionale degli Insegnanti di Matematica 'Principi e Standard per la Matematica Scolastica (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Standard di base comuni per la matematica (http://www.corestandards.org/Math)
• Associazione degli insegnanti di informatica K-12 Standard di informatica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Standard nazionali per l'educazione scientifica Gradi K-4 (età 4-9)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Abilità necessarie per fare ricerca scientifica
• Comprensione sull'indagine scientifica

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di

• Proprietà di oggetti e materiali
• Posizione e movimento degli oggetti
• Luce, calore, elettricità e magnetismo

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Capacità di progettazione tecnologica
• Comprensione di scienza e tecnologia

CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

• Scienza e tecnologia nelle sfide locali

Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 5-8 (età 10-14)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Abilità necessarie per fare ricerca scientifica
• Comprensioni sull'indagine scientifica

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di

• Trasferimento di energia

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia

Come risultato delle attività nei gradi 5-8, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Capacità di progettazione tecnologica
• Comprensioni su scienza e tecnologia

Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 9-12 (età 14-18)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Abilità necessarie per fare ricerca scientifica
• Comprensioni sull'indagine scientifica

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

• Struttura e proprietà della materia
• Interazioni di energia e materia

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Capacità di progettazione tecnologica
• Comprensioni su scienza e tecnologia

CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

• Scienza e tecnologia nelle sfide locali, nazionali e globali

Next Generation Science Standards Grades 2-5 (Age 7-11)

Materia e sue interazioni

• 2-PS1-2. Analizza i dati ottenuti dal test di materiali diversi per determinare quali materiali hanno le proprietà più adatte allo scopo previsto.

Progettazione ingegneristica

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• 3-5-ETS1-1. Definire un semplice problema di progettazione che rifletta un bisogno o un desiderio che includa criteri specifici per il successo e vincoli su materiali, tempo o costi.
• 3-5-ETS1-2. Genera e confronta più possibili soluzioni a un problema in base alla probabilità che ciascuna di esse soddisfi i criteri e i vincoli del problema.
• 3-5-ETS1-3. Pianificare ed eseguire test equi in cui le variabili sono controllate e i punti di guasto sono considerati per identificare gli aspetti di un modello o prototipo che possono essere migliorati.

Next Generation Science Standards Grades 6-8 (Age 11-14)

Le onde e le loro applicazioni nelle tecnologie per il trasferimento delle informazioni

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• MS-PS4-2. Sviluppa e usa un modello per descrivere che le onde vengono riflesse, assorbite o trasmesse attraverso vari materiali.

Progettazione ingegneristica

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• MS-ETS1-1 Definire i criteri ei vincoli di un problema di progettazione con sufficiente precisione per garantire una soluzione di successo, tenendo conto dei principi scientifici pertinenti e dei potenziali impatti sulle persone e sull'ambiente naturale che possono limitare le possibili soluzioni.
• MS-ETS1-2 Valuta soluzioni di progettazione concorrenti utilizzando un processo sistematico per determinare quanto soddisfano i criteri e i vincoli del problema.

Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età

La natura della tecnologia

• Standard 1: gli studenti svilupperanno una comprensione delle caratteristiche e della portata della tecnologia.
• Standard 3: Gli studenti svilupperanno una comprensione delle relazioni tra le tecnologie e le connessioni tra la tecnologia e altri campi di studio.

Tecnologia e società

• Standard 7: gli studenti svilupperanno una comprensione dell'influenza della tecnologia sulla storia.

Design

• Standard 9: gli studenti svilupperanno una comprensione della progettazione ingegneristica.
• Standard 10: Gli studenti svilupperanno una comprensione del ruolo della risoluzione dei problemi, ricerca e sviluppo, invenzione e innovazione e sperimentazione nella risoluzione dei problemi.

Abilità per un mondo tecnologico

• Standard 11: gli studenti svilupperanno le capacità di applicare il processo di progettazione.
• Standard 13: gli studenti svilupperanno le capacità di valutare l'impatto di prodotti e sistemi.

Il mondo progettato

Standard 17: gli studenti svilupperanno una comprensione e saranno in grado di selezionare e utilizzare le tecnologie dell'informazione e della comunicazione.

Siete un team di ingegneri a cui è stata data la sfida di testare la tecnologia a infrarossi per comprenderne i limiti e ideare un piano per far funzionare un televisore da un angolo o in un'altra stanza.

Fase di ricerca e previsione

1. Rivedere i vari fogli di riferimento per studenti per conoscere l'infrarosso e le sue applicazioni.
2. Lavorando come un team di "ingegneri", discuti e fai previsioni su come i diversi materiali avranno un impatto sull'infrarosso. Cosa accadrebbe se provassi a far rimbalzare l'infrarosso su carta, pellicola o altri materiali per vedere se controlla ancora il televisore?

Fase di test

1. Metti alla prova le previsioni dei tuoi team sull'interferenza o sull'estensione degli infrarossi facendo rimbalzare gli infrarossi su carta, pellicola o altri materiali per vedere se controlla ancora il televisore. Prova anche l'effetto dell'uso di una torcia con un angolo di 90 gradi e parallelo al raggio del televisore. Annota i tuoi risultati qui sotto:

Note:

Usa questo foglio di lavoro per valutare i risultati del tuo team:

1. Quale risultato ha sorpreso di più la tua squadra? Come mai?

2. Sulla base della tua ricerca, se il tuo team di ingegneri prendesse in considerazione l'utilizzo degli infrarossi per controllare un sistema subacqueo, accetteresti di incorporare gli infrarossi? Come mai? Perchè no?

E nello spazio? Come mai? Perchè no?

3. Perché pensi che gli ingegneri debbano testare i componenti che stanno considerando di incorporare in un nuovo prodotto o sistema?

4. Riesci a pensare ad altre applicazioni per le quali il tuo team di ingegneri pensa che i controller a infrarossi potrebbero essere utili?

Siete un team di ingegneri a cui è stata data la sfida di ideare un piano per azionare un televisore da un telecomando a infrarossi che si trova dietro un angolo o in un'altra stanza.

Pianificazione del team

1. Considera i risultati della tua ricerca e, nel riquadro sottostante, escogita un piano che ritieni possa risolvere la sfida ingegneristica. Assicurati di fare un elenco di tutti i materiali di cui avrai bisogno.

Fase di test

1. Raccogli l'attrezzatura che avresti previsto di cui avresti bisogno e testa il piano dei tuoi team.

Valutare e riflettere

1. Il tuo piano ha funzionato? Se no, perché no?

2. Hai ritenuto necessario apportare modifiche al tuo piano in fase di test? (modificando la posizione degli elementi o aggiungendo o rimuovendo materiali?) In caso affermativo, in che modo hai dovuto modificare il tuo piano per raggiungere il tuo obiettivo?

3. Quali sistemi sviluppati da altri team pensavi fossero particolarmente intelligenti? Come mai?

4. Riesci a pensare a un'applicazione in cui un controller potrebbe dover essere in una stanza diversa rispetto all'apparecchiatura che controlla?

5. Incontra una squadra e pensa a cosa ti piacerebbe vedere in grado di fare la prossima generazione di telecomandi. Quali miglioramenti tecnici sarebbero necessari per trasformare le tue idee in realtà?