적외선 조사
이 수업에서는 다양한 산업 분야의 장비와 시스템을 만드는 엔지니어가 적외선 기술을 사용하는 방법에 중점을 둡니다. 학생들로 구성된 팀은 원격 제어에서 적외선의 적용을 탐구하고, 적외선 전송을 장려하거나 방지하는 재료를 테스트하고, 제한된 환경에서 적외선 전송을 허용하는 시스템을 개발합니다.
- 적외선 기술에 대해 알아보십시오.
- 엔지니어가 제품 및 시스템 설계에 다양한 기술을 통합하는 방법에 대해 알아보십시오.
- 팀워크와 그룹 작업에 대해 알아보세요.
연령 수준 : 8-18
빌드 재료(팀별)
필수 자료
- 각 학생 팀을 위한 한 세트의 자료:
- 검은 종이
- 백지
- 알루미늄 호일 시트(매끄럽게)
- 여러 개의 작은 거울
- CD 또는 DVD
- 검은색 전기 테이프 또는 덕트 테이프
- 플래시
- 플라스틱 랩
- 투명한 플라스틱 컵
- 물
- 식용 색소
- 우유 또는 기타 불투명한 액체
시험 재료
- 원격 제어 및 텔레비전
소스
- 원격 제어 및 텔레비전
방법
팀은 TV를 계속 제어하는지 확인하기 위해 다음 자료 중 일부 또는 전체에서 리모콘 적외선을 반사하여 적외선 간섭 또는 확장에 대한 예측을 테스트합니다.
- 백지
- 검은 종이
- 플랫 포일
- 구겨진 호일
- 플라스틱 랩
- 손
- CD
- 물 유리
- 우유 한 잔
- 색 물 한 잔
- 검은 전기 테이프
다음으로 학생들은 거울을 사용하여 적외선을 모퉁이 또는 다른 방으로 리디렉션합니다.
그런 다음 학생들은 90도 각도로 손전등을 사용하여 텔레비전에 적외선 빔과 평행을 이루는 효과를 테스트할 수 있습니다. 학생들은 학생 워크시트에 결과를 기록해야 합니다.
디자인 도전
당신은 모퉁이에 있거나 다른 방에 있는 적외선 리모컨으로 텔레비전을 작동할 계획을 세우는 도전을 받은 엔지니어 팀입니다.
기준
- 원격 제어 적외선 빔을 사용하여 물체의 빔 반사를 테스트합니다.
- 거울을 사용하여 적외선 빔이 모퉁이를 돌거나 다른 방으로 향하게 합니다.
제약
- 제공된 재료만 사용하십시오.
- 수업을 2-3명의 팀으로 나눕니다.
- 적외선 조사 워크시트를 나누어 주십시오.
- 배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다.
- 엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다.
- 각 팀에 자료를 제공합니다.
- 학생들은 다양한 재료를 사용하여 재료에서 적외선 빔을 반사하고 텔레비전으로 다시 반사함으로써 리모콘에서 적외선 기술의 한계를 테스트할 것이라고 설명합니다. 그런 다음 거울을 사용하여 적외선 빔을 모퉁이를 돌거나 텔레비전을 작동하는 다른 방으로 향하게 합니다.
- 설계 및 구축에 소요되는 시간을 알립니다(1시간 권장).
- 타이머나 온라인 스톱워치(카운트다운 기능)를 사용하여 시간을 잘 지키십시오. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). 학생들에게 정기적인 "시간 확인"을 하여 과제를 계속 수행하도록 합니다. 그들이 어려움을 겪고 있다면 더 빨리 해결책을 찾을 수 있는 질문을 하십시오.
- 학생들은 적외선 빔을 반사하기 위해 재료를 사용하기 위한 계획을 만나고 개발합니다. 그들은 결과에 대해 예측하고 문서화합니다.
- 팀은 TV를 계속 제어하는지 확인하기 위해 다음 자료 중 일부 또는 전체에서 리모콘 적외선을 반사하여 적외선 간섭 또는 확장에 대한 예측을 테스트합니다.
- 백지
- 검은 종이
- 플랫 포일
- 구겨진 호일
- 플라스틱 랩
- 손
- CD
- 물 유리
- 우유 한 잔
- 색 물 한 잔
- 검은 전기 테이프
다음으로 학생들은 거울을 사용하여 적외선을 모퉁이 또는 다른 방으로 리디렉션합니다.
그런 다음 학생들은 90도 각도로 손전등을 사용하여 텔레비전에 적외선 빔과 평행을 이루는 효과를 테스트할 수 있습니다. 학생들은 학생 워크시트에 결과를 기록해야 합니다.
- 팀은 결과와 예측을 문서화해야 합니다.
- 학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
- 주제에 대한 자세한 내용은 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.
학생 성찰(엔지니어링 노트)
- 팀을 가장 놀라게 한 결과는 무엇입니까? 왜요?
- 귀하의 연구에 따르면 엔지니어링 팀이 수중 시스템을 제어하기 위해 적외선을 사용하는 것을 고려하고 있다면 적외선을 통합하는 데 동의하시겠습니까? 왜요? 왜 안 돼?
- 우주에서는 어떨까요? 왜요? 왜 안 돼?
- 엔지니어가 새로운 제품이나 시스템에 통합하기 위해 고려 중인 구성 요소를 테스트해야 하는 이유는 무엇이라고 생각합니까?
- 엔지니어링 팀이 적외선 컨트롤러가 유용할 수 있다고 생각하는 다른 응용 프로그램을 생각할 수 있습니까?
시간 수정
수업은 고학년 학생의 경우 1회 수업 시간에 완료할 수 있습니다. 그러나 학생들이 서두르지 않도록 하고 학생의 성공을 보장하기 위해(특히 어린 학생의 경우) 수업을 두 기간으로 나누어 학생들에게 브레인스토밍, 아이디어 테스트 및 디자인을 완성할 더 많은 시간을 제공합니다. 다음 수업 시간에 테스트 및 보고를 수행합니다.
적외선과 그 응용
적외선이란 무엇입니까?
적외선(IR) 복사는 가시광선보다 파장이 길고 전파보다 짧은 파장의 전자기 복사입니다. 이름은 "적색 아래"(라틴어 infra, "아래"에서)를 의미하며, 적색은 가장 긴 파장의 가시광선의 색입니다. 적외선은 750배 크기이며 약 1nm에서 XNUMXmm 사이의 파장을 가지고 있습니다.
스펙트럼의 적외선 부분은 군대의 표적 획득 및 추적을 포함하여 많은 기술적 용도를 가지고 있습니다. 원격 온도 감지; 근거리 무선 통신; 분광학 및 일기 예보. 적외선 센서가 장착된 망원경은 적외선 천문학에서 분자 구름과 같은 먼지가 많은 공간을 관통하는 데 사용됩니다. 먼 별을 공전하는 행성과 같은 저온 물체를 감지하고 우주의 초기 역사에서 적색 편이가 높은 물체를 관찰합니다.
원자 수준에서 적외선 에너지는 쌍극자 모멘트의 변화를 통해 분자의 진동 모드를 유도하므로 이러한 에너지 상태를 연구하는 데 유용한 주파수 범위가 됩니다. 적외선 분광법은 주파수와 강도를 기준으로 적외선 에너지 범위에서 광자의 흡수 및 투과를 조사하는 것입니다.
엔지니어링의 적외선 응용
엔지니어들은 많은 산업에서 사용되는 다양한 장비 및 시스템에 적외선 기술을 통합합니다. 다음은 몇 가지 예입니다.
나이트 비전
적외선은 물체를 보기에 가시광선이 충분하지 않을 때 야간 투시 장비에 사용됩니다. 방사선이 감지되어 화면에 이미지로 변환되고 더 뜨거운 물체는 더 차가운 물체와 다른 음영으로 표시되어 경찰과 군대가 사람과 자동차와 같은 따뜻한 표적을 포착할 수 있습니다.
분광학
적외선 분광법은 (일반적으로) 유기 화합물의 조성을 연구하는 것으로, 샘플을 통한 IR 방사의 투과율을 기준으로 화합물의 구조와 조성을 알아냅니다.
날씨 위성
스캐닝 라디오미터가 장착된 기상 위성은 열화상 또는 적외선 이미지를 생성하여 훈련된 분석가가 구름 높이와 유형을 결정하고 육지 및 지표수 온도를 계산하며 해양 표면 특징을 찾을 수 있도록 합니다.
우주 응용
천문학자들은 거울, 렌즈, 고체 디지털 검출기를 포함한 광학 부품을 사용하여 전자기 스펙트럼의 적외선 부분에서 물체를 관찰합니다.
난방 응용 분야
적외선은 적외선 사우나에서 탑승자를 따뜻하게 하고 항공기 날개에서 얼음을 제거하는 데 사용됩니다(제빙). 또한 신축시나 손상된 아스팔트를 보수할 때 아스팔트 포장을 가열하는 방법으로 인기를 얻고 있습니다. 적외선은 입자가 없는 경우 주변 공기가 아닌 불투명하고 흡수성인 물체만 가열하기 때문에 음식을 요리하고 가열하는 데 사용할 수 있습니다.
열 화상 장비
적외선 열화상 촬영은 열화상 카메라를 사용하여 물체 표면의 열 패턴과 온도를 감지, 표시 및 기록하는 비접촉, 비파괴 검사 방법입니다. 열화상 촬영은 법 집행, 소방, 수색 및 구조, 의료 및 수의학 분야에서 널리 사용됩니다.
통신 장치
IR 데이터 전송은 컴퓨터 주변기기와 PDA(Personal Digital Assistants) 간의 근거리 통신에도 사용됩니다. 리모콘 및 IrDA 장치는 적외선 발광 다이오드(LED)를 사용하여 플라스틱 렌즈에 의해 좁은 빔으로 집속되는 적외선을 방출합니다. 리모컨은 사람의 눈으로 볼 수 없을 정도로 낮은 주파수의 광선을 사용하여 작동합니다. 빔은 변조되어 데이터를 인코딩합니다. IR은 벽을 통과하지 않으므로 인접한 방의 다른 장치를 방해하지 않습니다. 적외선은 원격 제어가 기기에 명령을 내리는 가장 일반적인 방법입니다.
원격 제어의 엔지니어링 발전
다양한 원격 제어 방법
텔레비전을 제어하기 위한 최초의 리모컨은 1950년대 초 Zenith Radio Corporation에서 개발했습니다. "remote"는 비공식적으로 "Lazy Bones"라고 불렸고 실제로 긴 전선으로 텔레비전에 연결되었습니다. 번거로운 설정을 개선하기 위해 "Flashmatic"이라는 무선 리모콘이 1955년에 개발되었으며 광전 셀에 광선을 비추어 작동합니다. 불행히도 셀은 리모컨의 빛과 다른 광원의 빛을 구별하지 못했고 Flashmatic은 리모컨이 수신기를 매우 정확하게 가리키도록 요구했습니다.
1956년 "천정 우주 사령부"가 개발되었습니다. 그것은 기계적이었고 초음파를 사용하여 채널과 볼륨을 변경했습니다. 사용자가 리모콘의 버튼을 누르면 클릭하고 막대를 쳤습니다. 이것은 일부 사람들이 리모콘을 "클리커"라고 부르는 이유를 설명합니다. 각 막대는 다른 주파수를 방출했으며 텔레비전의 회로는 이 노이즈를 감지했습니다. 트랜지스터의 발명은 여전히 개는 들을 수 있지만 인간 가청의 상한 임계값 근처 또는 그 이상의 주파수에서 진동 전류에 의해 공급되는 압전 수정을 포함하는 더 저렴한 전자 리모콘을 가능하게 했습니다. 수신기에는 동일한 주파수로 조정된 회로에 부착된 마이크가 포함되어 있습니다. 이 방법의 몇 가지 문제는 수신기가 자연적으로 발생하는 소음에 의해 우발적으로 작동될 수 있고 일부 사람들, 특히 젊은 여성이 날카로운 초음파 신호를 들을 수 있다는 것이었습니다. 실로폰의 배음 중 일부가 리모콘의 초음파 주파수와 일치하기 때문에 장난감 실로폰이 이러한 유형의 TV에서 채널을 변경한 주목할만한 사건도 있었습니다.
1970년대 후반에 대부분의 상업용 리모콘에는 다음 방송국, 이전 방송국, 볼륨 증가 또는 감소의 네 가지 기능만 있는 제한된 수의 기능이 있었습니다. 당시 BBC 엔지니어들은 1977-78년경에 훨씬 더 많은 기능을 제어할 수 있는 초기 프로토타입으로 이어진 한두 개의 텔레비전 제조업체와 대화를 시작했습니다. ITT는 관련된 회사 중 하나였으며 나중에 적외선 통신의 ITT 프로토콜에 이름을 붙였습니다.
2000년대 초반까지 대부분의 가정에 있는 소비자 전자 장치의 수가 크게 증가했습니다. CES(Consumer Electronics Association)에 따르면 평균적인 미국 가정에는 XNUMX개의 리모컨이 있습니다. 홈 시어터를 작동하려면 케이블 또는 위성 수신기, VCR 또는 디지털 비디오 레코더, DVD 플레이어, TV 및 오디오 증폭기용 리모컨을 포함하여 XNUMX개 또는 XNUMX개의 리모컨이 필요할 수 있습니다.
인터넷 연결
추천 도서
- 미래의 엔지니어링: 오늘날의 기술 전문가가 꿈꾸는 다음 세기(ISBN: 0780353625)
- 공학 과학(ISBN: 0750652594)
- 시각 과학 및 공학(ISBN: 0824791851)
쓰기 활동
적외선 기술을 사용한 열화상 기술이 인명 구조 작업에 어떻게 도움이 되었는지에 대한 에세이 또는 단락을 작성하십시오.
커리큘럼 프레임워크에 맞게 조정
참고 : 이 시리즈의 수업 계획은 다음 표준 세트 중 하나 이상에 맞춰져 있습니다.
- S. 과학 교육 기준(http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. 차세대 과학 표준(http://www.nextgenscience.org/)
- 국제 기술 교육 협회의 기술 문해력 기준(http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. 전국 수학 교사 협의회의 학교 수학 원칙 및 표준(http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. 수학에 대한 공통 핵심 국가 표준(http://www.corestandards.org/Math)
- 컴퓨터 과학 교사 협회 K-12 컴퓨터 과학 표준(http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
국가 과학 교육 기준 K-4학년(4-9세)
내용 표준 A: 탐구로서의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은
- 과학적 탐구에 필요한 능력
- 과학적 탐구에 대한 이해
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 물체 및 재료의 속성
- 물체의 위치와 움직임
- 빛, 열, 전기 및 자기
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 과학 기술에 대한 이해
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 지역 문제의 과학 기술
국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)
내용 표준 A: 탐구로서의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은
- 과학적 탐구에 필요한 능력
- 과학적 탐구에 대한 이해
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 에너지 전달
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
5-8학년 활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 과학 기술에 대한 이해
국가 과학 교육 기준 9-12학년(14-18세)
내용 표준 A: 탐구로서의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은
- 과학적 탐구에 필요한 능력
- 과학적 탐구에 대한 이해
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 물질의 구조와 성질
- 에너지와 물질의 상호작용
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 과학 기술에 대한 이해
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 지역, 국가 및 글로벌 과제의 과학 및 기술
차세대 과학 표준 2-5학년(7-11세)
물질과 그 상호작용
- 2-PS1-2. 다양한 재료를 테스트하여 얻은 데이터를 분석하여 의도한 목적에 가장 적합한 특성을 가진 재료를 결정합니다.
공학 설계
이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.
- 3-5-ETS1-1. 재료, 시간 또는 비용에 대한 제한과 성공에 대한 특정 기준을 포함하는 필요 또는 욕구를 반영하는 단순한 설계 문제를 정의합니다.
- 3-5-ETS1-2.각각이 문제의 기준 및 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는지에 따라 문제에 대한 여러 가능한 솔루션을 생성하고 비교합니다.
- 3-5-ETS1-3.개선할 수 있는 모델 또는 프로토타입의 측면을 식별하기 위해 변수를 제어하고 실패 지점을 고려하는 공정한 테스트를 계획하고 수행합니다.
차세대 과학 표준 6-8학년(11-14세)
정보 전송 기술에서의 파동과 그 응용
이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.
- MS-PS4-2. 파동이 다양한 재료를 통해 반사, 흡수 또는 전달됨을 설명하는 모델을 개발하고 사용합니다.
공학 설계
이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.
- MS-ETS1-1 가능한 솔루션을 제한할 수 있는 관련 과학적 원칙과 사람과 자연 환경에 대한 잠재적 영향을 고려하여 성공적인 솔루션을 보장하기에 충분한 정밀도로 설계 문제의 기준과 제약 조건을 정의합니다.
- MS-ETS1-2 시스템 프로세스를 사용하여 경쟁 설계 솔루션을 평가하여 문제의 기준 및 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는지 확인합니다.
기술 문해력 표준 – 모든 연령대
기술의 본질
- 표준 1: 학생들은 기술의 특성과 범위에 대한 이해를 발전시킵니다.
- 표준 3: 학생들은 기술 간의 관계 및 기술과 다른 연구 분야 간의 연결에 대한 이해를 개발합니다.
기술과 사회
- 표준 7: 학생들은 역사에 대한 기술의 영향에 대한 이해를 발전시킬 것입니다.
디자인
- 표준 9: 학생들은 엔지니어링 설계에 대한 이해를 발전시킵니다.
- 표준 10: 학생들은 문제 해결에서 문제 해결, 연구 및 개발, 발명과 혁신, 실험의 역할에 대한 이해를 개발합니다.
기술 세계를 위한 능력
- 표준 11: 학생들은 디자인 프로세스를 적용하는 능력을 개발할 것입니다.
- 표준 13: 학생들은 제품 및 시스템의 영향을 평가하는 능력을 개발합니다.
디자인된 세계
표준 17: 학생들은 정보 및 통신 기술을 이해하고 선택하고 사용할 수 있습니다.
당신은 적외선 기술의 한계를 이해하고 구석이나 다른 방에서 텔레비전을 작동할 계획을 세우기 위해 적외선 기술을 테스트해야 하는 도전을 받은 엔지니어 팀입니다.
연구 및 예측 단계
- 다양한 학생용 참조 시트를 검토하여 적외선과 그 응용에 대해 알아보세요.
- "엔지니어" 팀으로 일하면서 다양한 재료가 적외선에 어떤 영향을 미칠지에 대해 토론하고 예측합니다. 종이, 호일 또는 기타 재료에서 적외선을 반사하여 여전히 텔레비전을 제어하는지 확인하려고 하면 어떻게 될까요?
자재 | 백지 | 검은 종이 | 플랫 포일 | 구겨진 호일 | 플라스틱 랩 | 너의 손 | CD |
예측
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자재 | 물 유리 | 우유 한 잔 | 색 물 한 잔 | 검은 전기 테이프 | 기타 | 기타 | 기타 |
예측
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테스트 단계
- 종이, 호일 또는 기타 재료에서 적외선을 반사하여 여전히 텔레비전을 제어하는지 확인하여 적외선의 간섭 또는 확장에 대한 팀의 예측을 테스트합니다. 또한 손전등을 90도 각도로 사용하고 텔레비전 빔과 평행하게 사용할 때의 효과를 테스트합니다. 아래에서 결과를 확인하세요.
자재 | 백지 | 검은 종이 | 플랫 포일 | 구겨진 호일 | 플라스틱 랩 | 너의 손 | CD |
결과
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자재 | 물 유리 | 우유 한 잔 | 색 물 한 잔 | 검은 전기 테이프 | 기타 | 기타 | 기타 |
결과
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배송 시 요청 사항:
이 워크시트를 사용하여 팀의 결과를 평가하십시오.
- 팀을 가장 놀라게 한 결과는 무엇입니까? 왜요?
- 귀하의 연구에 따르면 엔지니어링 팀이 수중 시스템을 제어하기 위해 적외선을 사용하는 것을 고려하고 있다면 적외선을 통합하는 데 동의하시겠습니까? 왜요? 왜 안 돼?
우주에서는 어떨까요? 왜요? 왜 안 돼?
- 엔지니어가 새로운 제품이나 시스템에 통합하기 위해 고려 중인 구성 요소를 테스트해야 하는 이유는 무엇이라고 생각합니까?
- 엔지니어링 팀이 적외선 컨트롤러가 유용할 수 있다고 생각하는 다른 응용 프로그램을 생각할 수 있습니까?
당신은 모퉁이에 있거나 다른 방에 있는 적외선 리모컨으로 텔레비전을 작동하는 계획을 고안해야 하는 도전을 받은 엔지니어 팀입니다.
팀 계획
- 연구 결과를 고려하고 아래 상자에서 엔지니어링 문제를 해결할 것이라고 생각하는 계획을 세웁니다. 필요한 모든 자료의 목록을 작성하십시오.
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필요한 재료:
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테스트 단계
- 필요할 것으로 예상한 장비를 수집하고 팀의 계획을 테스트합니다.
평가 및 반영
- 당신의 계획은 효과가 있었나요? 그렇지 않다면 그 이유는 무엇입니까?
- 테스트 단계에서 계획을 변경할 필요가 있다고 느꼈습니까? (항목 배치를 변경하거나 재료를 추가 또는 제거하여?) 그렇다면 목표를 달성하기 위해 계획을 어떻게 변경해야 했습니까?
- 다른 팀에서 개발한 시스템이 특히 영리하다고 생각한 시스템은 무엇입니까? 왜요?
- 컨트롤러가 제어하는 장비와 다른 방에 있어야 하는 애플리케이션을 생각할 수 있습니까?
- 팀으로 만나서 차세대 원격 제어 장치로 무엇을 하고 싶은지 생각해 보십시오. 아이디어를 실현하려면 어떤 엔지니어링 향상이 필요합니까?
수업 계획 번역