Serie e circuiti paralleli

Materiali di costruzione e test (per ogni squadra)

Materiali richiesti (2 set per ogni squadra)

• 6 pezzi di filo per campana (6 ″ ciascuno) con estremità spelate
• Supporto batteria
• presa di corrente
• Tre o più lampadine da 1.5 volt
• Batterie taglia D.

Design Challenge

Siete un team di ingegneri che lavorano insieme per progettare un sistema in cui un interruttore può accendere più luci. Un esempio potrebbe essere una serie di luci.

Criteri

• Deve tracciare un circuito parallelo
• Deve costruire e testare sia un circuito in serie che in parallelo

vincoli

Utilizzare solo i materiali forniti.

1. Suddividi la classe in squadre di 2-4.
2. Distribuire il foglio di lavoro Serie e Circuiti paralleli, oltre ad alcuni fogli di carta per disegnare disegni.
3. Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base. Fornire le definizioni dei circuiti in serie e in parallelo e discutere le differenze.
4. Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali.
5. Fornisci a ogni squadra il materiale (2 set per ogni squadra). Prima che gli studenti inizino a costruire, prendi in considerazione la possibilità di fornire definizioni di circuiti in serie e in parallelo e discuti le differenze.  
   • Circuiti in serie: l'elettricità ha un solo percorso su cui viaggiare. 
   • Circuiti paralleli: l'elettricità ha più di un percorso su cui viaggiare.
     
6. Spiega che ogni squadra deve realizzare un circuito in serie e in parallelo. Chiedete loro di esaminare lo schema di un circuito in serie sul foglio di lavoro dello studente e di disegnare il proprio piano per un circuito parallelo.
7. Annuncia la quantità di tempo che hanno per fare i loro circuiti (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. Le squadre costruiscono i loro circuiti.
10. Dopo che le squadre hanno costruito entrambi i circuiti, chiedi loro di fare le seguenti previsioni e di registrarle sul foglio di lavoro dello studente:
    ● Pensi che una serie di luci sia un esempio di lampadine parallele o in serie in un circuito? Spiega perchè.
    ● Pensi che le lampadine nel circuito in parallelo o nel circuito in serie bruceranno più luminose? Spiega perchè.
    ● Se rimuovi una lampadina nel circuito in parallelo, le altre lampadine si accenderanno ancora? Spiega perchè.
    ● Se rimuovi una lampadina dal circuito in serie, le altre lampadine si accenderanno ancora? Spiega perchè.
11. Chiedi a ogni gruppo di studenti di testare le proprie previsioni utilizzando i circuiti e confrontare i risultati con le 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. Le tue previsioni sulla luminosità delle lampadine erano accurate? In caso contrario, cosa è successo di diverso da quello che il tuo gruppo si aspettava?
2. Le tue previsioni su cosa sarebbe successo se una lampadina fosse stata rimossa dai circuiti parallelo e seriale erano accurate?

Suggerimenti:

• Gli insegnanti potrebbero voler impostare il circuito in serie prima della lezione e chiedere agli studenti di creare il circuito parallelo per risparmiare tempo.
• Gli insegnanti dovrebbero considerare di distribuire i fogli delle risorse degli studenti come materiale di lettura / compiti a casa per la sera prima che l'attività venga svolta in classe.
• Incoraggia gli studenti a confrontare tutti i circuiti costruiti da diversi gruppi di studenti.

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.

Cos'è un circuito semplice?

Un circuito semplice è costituito da tre elementi minimi necessari per completare un circuito elettrico funzionante: una fonte di elettricità (batteria), un percorso o conduttore su cui scorre l'elettricità (filo) e una resistenza elettrica (lampada) che è qualsiasi dispositivo che richiede elettricità per funzionare. L'illustrazione seguente mostra un semplice circuito contenente, una batteria, due fili, un interruttore e una lampadina. Il flusso di elettricità proviene dal terminale ad alto potenziale (+) della batteria attraverso la lampadina (accendendola), e torna al terminale negativo (-), in un flusso continuo quando l'interruttore è in posizione on, quindi corrente può fluire.

Diagramma schematico di un circuito semplice

Quello che segue è un diagramma schematico del circuito semplice che mostra i simboli elettronici per la batteria, l'interruttore e la lampadina.

Serie e parallelo descrivono due diversi tipi di disposizione dei circuiti. Ogni disposizione fornisce un modo diverso per l'elettricità di fluire attraverso un circuito.

Circuiti in serie

In un circuito in serie, l'elettricità ha un solo percorso su cui viaggiare. Nell'esempio a destra, due lampadine sono alimentate da una batteria in un progetto di circuito in serie. L'elettricità scorre dalla batteria a ciascuna lampadina, una alla volta, nell'ordine in cui sono collegate al circuito. In questo caso, poiché l'elettricità può fluire solo in un percorso, se una delle lampadine si spegnesse, l'altra lampadina non sarebbe in grado di accendersi perché il flusso di corrente elettrica sarebbe stato interrotto. Allo stesso modo, se una lampadina fosse svitata, il flusso di corrente ad entrambe le lampadine verrebbe interrotto.

Circuiti paralleli

In un circuito parallelo, l'elettricità ha più di un percorso su cui viaggiare. Nell'esempio a destra, due lampadine sono alimentate da una batteria in un progetto a circuito parallelo. In questo caso, poiché l'elettricità può fluire in più di un percorso, se una delle lampadine si spegnesse, l'altra lampadina sarebbe ancora in grado di accendersi perché il flusso di elettricità alla lampadina rotta non fermerebbe il flusso di elettricità a la buona lampadina. Allo stesso modo, se una lampadina fosse svitata, non impedirebbe l'accensione dell'altra.

E la resistenza?

Il flusso di elettricità dipende da quanta resistenza c'è nel circuito. Nei nostri esempi, le lampadine forniscono resistenza. In un circuito in serie, la resistenza nel circuito è uguale alla resistenza totale di tutte le lampadine. Più lampadine nel circuito, più dimmer si accenderanno. In un circuito parallelo, ci sono più percorsi attraverso i quali la corrente può fluire, quindi la resistenza dell'intero circuito è inferiore a quanto sarebbe se fosse disponibile un solo percorso. La minore resistenza significa che la corrente sarà maggiore e le lampadine bruceranno più luminose rispetto allo stesso numero di lampadine disposte in un circuito in serie.

• Circuito: il circuito attraverso il quale scorre l'elettricità. Un circuito inizia da una fonte di alimentazione, come una batteria, e scorre attraverso cavi e componenti elettrici (come luci, motori, ecc.).
• Conduttore: materiale che consente all'elettricità di fluire attraverso di esso.
• Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
• Ingegneri: inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque grandi specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
• Processo di progettazione ingegneristica: gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi. 
• Engineering Habits of Mind (EHM): sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
• Isolante: materiale che non consente all'elettricità di fluire attraverso di esso.
• Iterazione: test e riprogettazione sono un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
• Circuito parallelo: consente il passaggio di più percorsi di elettricità.
• Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
• Resistenza: l'isolamento si misura in resistenza. Più un materiale è isolante, maggiore è la sua resistenza.
• Circuito in serie: consente il passaggio dell'elettricità in un unico percorso. 
• Cortocircuito: quando i fili che non dovrebbero entrare in contatto tra loro si toccano.
  

 lettura consigliata

• Serie di testimoni oculari DK: Elettricità (ISBN: 0751361321)
• Crea fantastici gadget per la tua stanza di Amy Pinchuk e Teco Rodriques (ISBN: 1894379128)
• Il mio mondo della scienza: conduttori e isolanti di Angela Royston (Heinemann Educational Books, ISBN: 0431137269)

Attività di scrittura

Scrivi un saggio (o un paragrafo a seconda dell'età dello studente) che descriva come sostituire una luce su una serie di lampadine con una luce "lampeggiante" farebbe lampeggiare anche tutte le luci della stringa. È un esempio di circuito parallelo o in serie? Perché?

Allineamento ai Curriculum Frameworks

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

• Standard statunitensi per l'educazione scientifica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Standard scientifici di nuova generazione degli Stati Unitihttp://www.nextgenscience.org/) 
• Standards for Technological Literacy della International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Principi e standard del Consiglio nazionale degli insegnanti di matematica degli Stati Uniti per la matematica scolastica (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• US Common Core State Standards for Mathematics (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

• Luce, calore, elettricità e magnetismo 

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia 

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Comprensione di scienza e tecnologia 

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, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Comprensioni su scienza e tecnologia 

Next Generation Science Standards Grades 3-5 (Age 8-11)

Energia

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• 4-PS3-4. Applica idee scientifiche per progettare, testare e perfezionare un dispositivo che converte l'energia da una forma all'altra.

Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età

Design

• Standard 8: gli studenti svilupperanno una comprensione degli attributi del 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.

Istruzioni

Sei l'ingegnere! Devi progettare un sistema in cui un interruttore possa accendere più luci! Un esempio potrebbe essere una serie di luci natalizie. Ora, costruisci sia un circuito in serie che un circuito in parallelo usando le batterie, i cavi e le lampadine forniti. Il circuito della tua serie sarà simile al disegno qui sotto:

Disegna il tuo diagramma di seguito che illustra come apparirà il tuo circuito parallelo:

Previsioni di gruppo
Dopo aver costruito sia un circuito a bulbo in serie che in parallelo, fare alcune previsioni su quanto segue come gruppo:

1. Pensi che le luci natalizie siano un esempio di lampadine parallele o in serie in un circuito? Spiega perchè:

2. Pensi che le lampadine nel circuito in parallelo o nel circuito in serie saranno più luminose? Spiega perchè:

3. Se rimuovi una lampadina nel circuito in parallelo, le altre lampadine si accenderanno ancora? Spiega perchè:

4. Se rimuovi una lampadina dal circuito in serie, le altre lampadine si accenderanno ancora? Spiega perchè:

Test e risultati

Ora prova le tue previsioni per le domande 2, 3 e 4 sopra. Quindi rispondi alle domande seguenti:

1. Le tue previsioni sulla luminosità delle lampadine erano accurate? In caso contrario, cosa è successo di diverso da quello che il tuo gruppo si aspettava?

2. Le tue previsioni su cosa sarebbe successo se una lampadina fosse stata rimossa dai circuiti parallelo e seriale erano accurate? In caso contrario, cosa è successo di diverso da quello che il tuo gruppo si aspettava?

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