Инфрацрвени истражувања

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали

• Еден сет материјали за секој тим студенти:
  • Црна хартија
  • бела хартија
  • Листови од алуминиумска фолија (мазни)
  • Неколку мали огледала
  • ЦД или ДВД
  • Црна електрична лента или селотејп
  • светилка
  • Пластична фолија
  • Про Cleирна пластична чаша
  • Вода
  • Боење храна
  • Млеко или друга нетранспарентна течност

Материјали за тестирање

• Далечински управувач и телевизија

материјали

• Далечински управувач и телевизија

Процесот на

Тимовите ги тестираат своите предвидувања за мешање или проширување на инфрацрвеното зрачење со отскокнување на далечинскиот управувач со инфрацрвени зраци од некои или сите од следниве материјали за да видат дали снимањето ја контролира телевизијата:

• бела хартија
• Црна хартија
• Рамна фолија
• Стуткана фолија
• Пластична фолија
• Рака
• CD
• Чаша вода
• Чаша млеко
• Чаша вода во боја
• Црна електрична лента

Следно, студентите ќе користат огледала за да го пренасочат инфрацрвениот агол или во друга просторија.

Потоа, студентите можат да го тестираат ефектот од користење на фенерче под агол од 90 степени и паралелно со инфрацрвениот зрак на телевизорот. Студентите треба да ги забележат своите резултати на работниот лист за учениците.

Дизајн предизвик

Вие сте тим инженери на кои им е даден предизвик да смислат план за управување со телевизија од инфрацрвен далечински управувач што се наоѓа зад аголот или во друга просторија.

Критериуми

• Користете инфрацрвен зрак на далечински управувач за да тестирате како го отсликува зракот од предметите.
• Користете огледало за да го насочите инфрацрвениот зрак зад аголот или во друга просторија.

Ограничувања

• Користете ги само дадените материјали.

1. Пауза од часови во тимови од 2-3.
2. Распределете го работниот лист за инфрацрвени истраги.
3. Дискутирајте за темите во Делот за концепти за позадина.
4. Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвик за дизајн, критериуми, ограничувања и материјали.
5. Обезбедете им на секој тим свои материјали.
6. Објаснете дека студентите ќе ги тестираат ограничувањата на инфрацрвената технологија во далечински управувач со користење на разни материјали за да го одразуваат инфрацрвениот зрак од материјалот и назад на телевизија. Потоа, тие ќе користат огледало за да го насочат инфрацрвениот зрак зад аголот или во друга просторија за да работат со телевизорот.
7. Најавете го времето што треба да го дизајнираат и изградат (се препорачува 1 час).
8. Користете тајмер или он-лајн стоперка (одбројување одлика) за да се осигурате дека ќе бидете навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дајте им редовни „проверки на времето“ на студентите за да останат на задачата. Ако се борат, поставете прашања што побрзо ќе ги доведат до решение.
9. Студентите се среќаваат и развиваат план за користење на материјалите за одраз на инфрацрвениот зрак. Тие прават предвидувања за резултатите и ги документираат.
10. Тимовите ги тестираат своите предвидувања за мешање или проширување на инфрацрвеното зрачење со отскокнување на далечинскиот управувач со инфрацрвени зраци од некои или сите од следниве материјали за да видат дали снимањето ја контролира телевизијата:
    • бела хартија
    • Црна хартија
    • Рамна фолија
    • Стуткана фолија
    • Пластична фолија
    • Рака
    • CD
    • Чаша вода
    • Чаша млеко
    • Чаша вода во боја
    • Црна електрична лента

    Следно, студентите ќе користат огледала за да го пренасочат инфрацрвениот агол или во друга просторија.

    Потоа, студентите можат да го тестираат ефектот од користење на фенерче под агол од 90 степени и паралелно со инфрацрвениот зрак на телевизорот. Студентите треба да ги забележат своите резултати на работниот лист за учениците.

11. Тимовите треба да ги документираат резултатите наспроти нивните предвидувања.
12. Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
13. За повеќе содржини на темата, видете во делот „Копање подлабоко“.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

1. Кој резултат најмногу го изненади вашиот тим? Зошто?
2. Врз основа на вашето истражување, ако вашиот инженерски тим размислува да користи инфрацрвена зона за контрола на подводен систем, дали би се согласиле да вклучите инфрацрвен зрак? Зошто? Зошто да не?
3. Што е со вселената? Зошто? Зошто да не?
4. Што мислите, зошто инженерите треба да ги тестираат компонентите што размислуваат да ги вклучат во нов производ или систем?
5. Можете ли да размислите за други апликации за кои вашиот инженерски тим смета дека инфрацрвените контролери може да бидат корисни?

Лекцијата може да се заврши во период од само 1 час за постари ученици. Сепак, за да им помогнете на студентите да се почувствуваат избрзани и да обезбедат успех на студентите (особено за помладите ученици), поделете ја лекцијата во два периоди, давајќи им на студентите повеќе време за бура на идеи, тест идеи и финализирање на нивниот дизајн. Спроведете тестирање и дебрифија во следниот час.

Инфрацрвени зраци и неговите апликации

Што е инфрацрвено зрачење?

Инфрацрвеното зрачење е електромагнетно зрачење со бранова должина подолга од онаа на видливата светлина, но пократко од она на радио брановите. Името значи „под црвено“ (од латински инфра, „подолу“), црвената е боја на видливата светлина со најдолга бранова должина. Инфрацрвеното зрачење опфаќа три реда големина и има бранови должини од приближно 750 nm до 1 mm.

Инфрацрвениот дел од спектарот има голем број технолошки намени, вклучително и стекнување цели и следење од војската; далечинско чувство на температура; краткорочна безжична комуникација; спектроскопија и временска прогноза. Телескопите опремени со инфрацрвени сензори се користат во инфрацрвената астрономија за да навлезат во правливи области на вселената, како што се молекуларните облаци; откривање на објекти со ниска температура, како што се планети кои орбитираат околу далечни starsвезди, и да гледаат објекти со многу црвено поместување од раната историја на универзумот.

На атомско ниво, инфрацрвената енергија предизвикува вибрациони режими во молекулата преку промена на диполниот момент, што го прави корисен опсег на фреквенција за проучување на овие енергетски состојби. Инфрацрвена спектроскопија е испитување на апсорпција и пренос на фотони во инфрацрвениот енергетски опсег, врз основа на нивната фреквенција и интензитет.

Инфрацрвени апликации во областа на инженерството

Инженерите вклучуваат инфрацрвена технологија во разновидна опрема и системи што се користат во многу индустрии. Следниве се само неколку примери.

Ноќенпоглед

Инфрацрвеното се користи во опрема за ноќно гледање кога нема доволно видлива светлина за да се види некој објект. Зрачењето е откриено и претворено во слика на екранот, потопли предмети се појавуваат во различни нијанси од поладните објекти, што им овозможува на полицијата и војската да добијат топли цели, како што се човечки суштества и автомобили.

Спектроскопија

Спектроскопија со инфрацрвено зрачење е проучување на составот на (обично) органски соединенија, откривање на структурата и составот на соединението врз основа на процентуалната преносливост на IR зрачењето преку примерок.

Временски сателити

Временските сателити опремени со радиометри за скенирање произведуваат термички или инфрацрвени слики кои потоа можат да му овозможат на обучениот аналитичар да ги одреди височините и видовите на облаците, да ги пресмета температурите на копнените и површинските води и да ги лоцира карактеристиките на површината на океанот.

Апликации за вселената

Астрономите набудуваат објекти во инфрацрвениот дел од електромагнетниот спектар користејќи оптички компоненти, вклучувајќи огледала, леќи и дигитални детектори со цврста состојба.

Апликации за греење

Инфрацрвеното зрачење се користи во инфрацрвените сауни за загревање на патниците и за отстранување на мразот од крилјата на авионите (одмрзнување). Исто така, се здобива со популарност како метод за загревање на асфалтни тротоари на место за време на нова градба или при поправка на оштетен асфалт. Инфрацрвеното може да се користи при готвење и загревање на храна бидејќи загрева само непроqueирни, апсорбирачки предмети, а не воздухот околу нив, доколку во него нема честички.

Опрема за термографија

Инфрацрвената термографија е неконтактна, не-деструктивна метода за тестирање која користи термичка слика за откривање, прикажување и снимање на термички обрасци и температури низ површината на објектот. Термографијата е широко користена во спроведување на законот, гаснење пожар, пребарување и спасување и медицински и ветеринарни науки.

Уреди за комуникација

Преносот на IR податоци се користи и во комуникација со краток дострел помеѓу компјутерски периферни уреди и лични дигитални асистенти. Далечинските управувачи и уредите IrDA користат инфрацрвени диоди што емитуваат светлина (LED диоди) за да емитуваат инфрацрвено зрачење кое е фокусирано со пластична леќа во тесен зрак. Далечинскиот управувач користи нискофреквентен зрак на светлина, толку низок што човечкото око не може да го види. Зракот е модулиран, односно вклучен и исклучен, за да ги кодира податоците. IR не навлегува во wallsидовите и затоа не се меша со другите уреди во соседните простории. Инфрацрвеното зрачење е највообичаен начин за далечински управувачи да командуваат со апарати.

Инженерски напредок во далечинскиот управувач

Многу методи за далечинска контрола  

Првото далечинско управување наменето за контрола на телевизија беше развиено од радио корпорацијата Зенит во раните 1950 -ти години. „Далечинскиот управувач“ неофицијално беше наречен „Мрзеливи коски“ и всушност беше поврзан со телевизорот со долга жица. За да се подобри гломазната поставеност, во 1955 година беше развиен безжичен далечински управувач наречен „Flashmatic“, кој работеше со зрачење зрак светлина врз фотоелектрична ќелија. За жал, ќелиите не правеа разлика помеѓу светлината од далечинскиот управувач и светлината од други извори, а Flashmatic исто така бараше далечинскиот управувач да биде насочен многу точно кон приемникот.

Во 1956 година беше развиена „Зенитска вселенска команда“. Беше механички и користеше ултразвук за промена на каналот и јачината на звукот. Кога корисникот притиснал копче на далечинскиот управувач, кликнал и удрил во лента. Ова објаснува зошто некои луѓе ги нарекуваа далечинските управувачи „кликер“. Секоја лента емитуваше различна фреквенција и кола во телевизорот го детектираа овој шум. Пронајдокот на транзисторот овозможи поевтини електронски далечински управувачи што содржеа пиезоелектричен кристал, кој се напојуваше од осцилирачка електрична струја со фреквенција близу или над горниот праг на човечкиот слух, иако с still уште се слуша за кучињата. Приемникот содржеше микрофон прикачен на коло кое беше подесено на иста фреквенција. Некои проблеми со овој метод беа дека приемникот може случајно да се активира со природни звуци, а некои луѓе, особено младите жени, можеа да ги слушнат пробивните ултразвучни сигнали. Имаше дури и забележан инцидент во кој играчка ксилофон ги смени каналите на овие типови телевизори, бидејќи некои гласови од ксилофонот се совпаѓаа со ултразвучната фреквенција на далечинскиот управувач.

Кон крајот на 1970 -тите, повеќето комерцијални далечински управувачи имаа ограничен број на функции, понекогаш само четири: следната станица, претходната станица, зголемување или намалување на јачината на звукот. Во тоа време инженерите на БиБиСи започнаа разговори со еден или два производители на телевизии, што доведе до рани прототипови околу 1977-78 година, кои можеа да контролираат многу поголем број на функции. ITT беше една од вклучените компании, а подоцна го даде своето име на протоколот ITT за инфрацрвена комуникација.

До раните 2000 -ти, бројот на потрошувачки електронски уреди во повеќето домови значително се зголеми. Според Здружението за потрошувачка електроника, просечен американски дом има четири далечински управувачи. За управување со домашно кино може да бидат потребни дури пет или шест далечински управувачи, вклучувајќи еден за кабелски или сателитски приемник, видеорекордери или дигитален видео рекордер, ДВД плеер, ТВ и аудио засилувач.

Интернет конекции

• Нашата галерија за фотографии со светски инфрацрвени зраци
• Хершел и неговото откривање на инфрацрвени зраци

Препорачано четиво

• Инженерство утре: Денешните експерти за технологија го предвидуваат следниот век (ISBN: 0780353625)
• Инженерска наука (ISBN: 0750652594)
• Визуелна наука и инженерство (ISBN: 0824791851)

 Активност за пишување

Напишете есеј или параграф за тоа како техниките на сликање со топлина користејќи инфрацрвена технологија им помогнаа на човечките операции за спасување.

Усогласување со рамки на наставните програми

Забелешка: Плановите за лекции во оваа серија се усогласени со еден или повеќе од следниве групи на стандарди:

• С. Стандарди за научно образование (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Научни стандарди за следната генерација (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарди за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Национален совет на наставници по математички принципи и стандарди за училишна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• С. Заеднички основни државни стандарди за математика (http://www.corestandards.org/Math)
• Здружение на наставници по компјутерски науки К-12 Стандарди за компјутерски науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди за образование во наука Оценки К-4 (возраст 4 - 9)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• Способности неопходни за вршење на научни истражувања
• Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на активностите, сите ученици треба да развијат разбирање за

• Карактеристики на предмети и материјали
• Позиција и движење на предметите
• Светлина, топлина, електрична енергија и магнетизам

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• Способности на технолошки дизајн
• Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

• Наука и технологија во локалните предизвици

Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10 до 14 години)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• Способности неопходни за вршење на научни истражувања
• Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

• Трансфер на енергија

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности во 5-8 одделение, сите ученици треба да се развиваат

• Способности на технолошки дизајн
• Разбирање за науката и технологијата

Национални стандарди за образование во наука Одделение 9-12 (возраст од 14-18)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• Способности неопходни за вршење на научни истражувања
• Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

• Структура и својства на материјата
• Интеракции на енергија и материја

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• Способности на технолошки дизајн
• Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

• Наука и технологија во локални, национални и глобални предизвици

Стандарди за наука на следната генерација оценки 2-5 (7-11 возраст)

Материјата и нејзините интеракции

• 2-ПС1-2. Анализирајте ги податоците добиени од тестирање на различни материјали за да утврдите кои материјали имаат својства што се најпогодни за намена.

Инженерски дизајн

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

• 3-5-ЕТС1-1. Дефинирајте едноставен проблем во дизајнот што рефлектира потреба или желба што вклучува специфицирани критериуми за успех и ограничувања на материјалите, времето или трошоците.
• 3-5-ETS1-2. Создадете и споредете повеќе можни решенија за проблем заснован на тоа колку веројатно секој ги исполнува критериумите и ограничувањата на проблемот.
• 3-5-ETS1-3.Планирајте и извршете фер тестови во кои се контролираат променливите и се сметаат точките на неуспех за да се идентификуваат аспектите на моделот или прототипот што може да се подобри.

Стандарди за наука на следната генерација оценки 6-8 (11-14 возраст)

Бранови и нивни апликации во технологии за пренос на информации

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

• MS-PS4-2. Развијте и користете модел за да опишете дека брановите се рефлектираат, апсорбираат или се пренесуваат преку разни материјали.

Инженерски дизајн

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

• MS-ETS1-1 Дефинирајте ги критериумите и ограничувањата на дизајнерскиот проблем со доволна прецизност за да се обезбеди успешно решение, земајќи ги предвид релевантните научни принципи и потенцијалните влијанија врз луѓето и природната средина што може да ги ограничи можните решенија.
• MS-ETS1-2 Оценете конкурентни решенија за дизајн користејќи систематски процес за да утврдите колку добро ги исполнуваат критериумите и ограничувањата на проблемот.

Стандарди за технолошка писменост - сите векови

Природата на технологијата

• Стандард 1: Студентите ќе развијат разбирање за карактеристиките и обемот на технологијата.
• Стандард 3: Студентите ќе развијат разбирање за односите меѓу технологиите и врските помеѓу технологијата и другите области на студии.

Технологија и општество

• Стандард 7: Студентите ќе развијат разбирање за влијанието на технологијата врз историјата.

дизајн

• Стандард 9: Студентите ќе развијат разбирање за инженерскиот дизајн.
• Стандард 10: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на смена на проблеми, истражување и развој, пронајдоци и иновации и експериментирање во решавање проблеми.

Способности за технолошки свет

• Стандард 11: Студентите ќе развијат способности за примена на процесот на дизајнирање.
• Стандард 13: Студентите ќе развијат способности за проценка на влијанието на производите и системите.

Дизајнираниот свет

Стандард 17: Студентите ќе развијат разбирање за и ќе можат да изберат и да користат информатички и комуникациски технологии.

Вие сте тим инженери на кои им е даден предизвик да тестираат инфрацрвена технологија за да ги разберат нејзините ограничувања и да смислат план за работа на телевизија од агол или во друга просторија.

Фаза на истражување и предвидување

1. Прегледајте ги различните листови за студенти за да дознаете за инфрацрвените зраци и неговите апликации.
2. Работејќи како тим од „инженери“, дискутирајте и направете предвидувања за тоа како различните материјали ќе влијаат на инфрацрвеното зрачење. Што ќе се случи ако се обидете да отскокнете инфрацрвено зрачење од хартија, фолија или други материјали за да видите дали с still уште ја контролира телевизијата?

Фаза на тестирање

1. Тестирајте ги предвидувањата на вашите тимови за мешање или проширување на инфрацрвеното зрачење со отскокнување на инфрацрвената боја од хартија, фолија или други материјали за да видите дали с still уште го контролира телевизорот. Исто така, тестирајте го ефектот од користење на фенерче под агол од 90 степени и паралелно со зракот до телевизорот. Забележете ги вашите резултати подолу:

Забелешки:

Користете го овој работен лист за да ги оцените резултатите на вашиот тим:

1. Кој резултат најмногу го изненади вашиот тим? Зошто?

2. Врз основа на вашето истражување, ако вашиот инженерски тим размислува да користи инфрацрвена зона за контрола на подводен систем, дали би се согласиле да вклучите инфрацрвен зрак? Зошто? Зошто да не?

Што е со вселената? Зошто? Зошто да не?

3. Што мислите, зошто инженерите треба да ги тестираат компонентите што размислуваат да ги вклучат во нов производ или систем?

4. Можете ли да размислите за други апликации за кои вашиот инженерски тим смета дека инфрацрвените контролери може да бидат корисни?

Вие сте тим инженери на кои им е даден предизвик да смислат план за управување со телевизија од инфрацрвен далечински управувач што се наоѓа зад аголот или во друга просторија.

Планирање на тим

1. Размислете за резултатите од вашето истражување и во полето подолу, смислете план што мислите дека ќе го реши инженерскиот предизвик. Осигурајте се да направите список на сите потребни материјали.

Фаза на тестирање

1. Соберете ја опремата што предвидувате дека ќе ви треба и тестирајте го планот на вашите тимови.

Оценете и размислете

1. Дали вашиот план функционираше? Ако не, зошто да не?

2. Дали откривте дека треба да направите промени во вашиот план во фазата на тестирање? (или со промена на поставеноста на предметите, или со додавање или отстранување материјали?) Ако е така, како требаше да го смените вашиот план за да ја постигнете вашата цел?

3. Кои системи што ги разви другиот тим, според вас, беа особено умни? Зошто?

4. Можете ли да смислите апликација каде контролорот можеби ќе треба да биде во различна просторија од опремата што ја контролира?

5. Запознајте се како тим и размислете што сакате да може да направи следната генерација далечински управувачи. Кои инженерски подобрувања ќе бидат потребни за да ги направите вашите идеи реалност?