Нека буде цоол - ТриЕнгинееринг.орг Поверед би ИЕЕЕ

Остани кул

Ова лекција истражује како су инжењери изашли на крај са одржавањем хране, течности и других предмета на хладном. Студенти уче о преносу топлоте, усисавачима и изолацији и дизајнирају систем како би шољу расхлађене воде одржавали што је могуће хладнијом један сат.

Сазнајте више о изолацији, преносу топлоте и усисавачима.
Сазнајте више о инжењерском дизајну и редизајну.
Научите како инжењеринг може помоћи у решавању друштвених изазова.
Сазнајте о тимском раду и решавању проблема.

Старосни нивои: 8-18

Материјали и припрема

Материјали за израду (за сваки тим)

Потребни материјали

Папирне чаше
Термометар
Алуминијумска фолија
Пластични листови
Тканина
Памучне куглице
Маховина
Картон
Стравс
Спајалице
Спајалице
Цлотхес пинс
Жица
низ
Рециклирана пена за паковање
Гумице

Материјали за испитивање

вода
лед
Већи крчаг

Тестирање материјала и процеса

Materijali

вода
лед
Већи крчаг

Процес

Охладите воду у великом врчу с ледом и узмите очитавање температуре из врча. Тестирајте систем изолације сваког тима сипањем једнаке количине охлађене воде (без леда) у шољу сваког тима. Даље, тимови мере температуру хладне воде сваких 10 минута током 1 сата и обликују своје резултате.

Изазов инжењерског дизајна

Дизајн изазов

Део сте тима инжењера који имају изазов да направе изолациони систем помоћу контејнера да се шоља охлађене воде не загреје. Изазов вашег тима је да на крају једног сата развијете уређај који ће хладну воду одржавати хладнијим од уређаја другог тима. Мораћете да осмислите начин да термометар виси у води и буде у стању да очитава температуру током целог сата.

kriterijumi

Хладњак воде морате држати током сата.
Мора да постоји начин да се термометар стави у воду.
Очитавање температуре на сваких 10 минута током 1 сата.

Ограничења

Очитавање температуре на сваких 10 минута током 1 сата.

Упутства и поступци активности

Поделите класу на тимове од 2-3.
Поделите радни лист Кееп ит Цоол, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
Разговарајте о темама у одељку о основним концептима. Размислите о томе да питате ученике како термос помаже да им ручак буде топао.
Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
Упутите студенте да почну мозгати и скицирати своје нацрте.
Обезбедите сваки тим својим материјалима.
Објасните да студенти морају да пројектују и изграде систем изолације помоћу шоље која ће воду држати што хладнијом 1 сат. Дизајн мора омогућити да се термометар виси у шољи са видљивом температуром. Тимови ће мерити температуру сваких 10 минута током 1 сата.
Најавите колико им је времена потребно за дизајн и израду (препоручује се 1 сат).
Користите тајмер или он-лине штоперицу (функција одбројавања) како бисте били сигурни да држите време. (ввв.онлине-стопватцх.цом/фулл-сцреен-стопватцх). Дајте ученицима редовне „временске провере“ како би остали на задатку. Ако се муче, поставите питања која ће их брже довести до решења.
Студенти се састају и развијају план за свој изолациони систем Договарају се о материјалима који ће им требати, пишу / цртају свој план и представљају свој план предавању. Тимови могу да тргују неограничено са другим тимовима како би развили своју листу идеалних делова.
Тимови граде своје дизајне.
Упутите ученике да одмеравају температуру сваких 10 минута током 1 сата. Даље, требало би да зацртају своја очитавања.
Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.

Рефлексија ученика (инжењерска свеска)

Колико је ваш оригинални дизајн сличан стварној изолованој чаши коју сте изградили? Шта се променило? Зашто?
Како су се разлике у температури вашег тима упоредиле са остатком разреда?
Да имате прилику да поновите овај пројекат, шта би ваш тим урадио другачије?
Шта вам је графикон рекао о брзини промене температуре вашег уређаја?
Да сте могли да користите један додатни компонентни материјал који вам није достављен, који бисте изабрали и зашто?
Да ли је ваш тим користио било шта од наученог о вакуум боцама у вашем дизајну? Ако јесте, како и да ли сте мислили да је то променило ситуацију?
Који аспекти дизајна других тимова су вам најиновативнији? Зашто?

Модификација времена

Лекција се може изводити за само 1 час за старије ученике. Међутим, да бисте ученицима помогли да се осећају пожуривано и да би им осигурали успех (посебно за млађе ученике), поделите наставу на два периода дајући ученицима више времена за мозгање, тестирање идеја и дораду њиховог дизајна. Спроведите тестирање и извештавање у наредном периоду наставе.

Процес инжењерског дизајна

Позадине

Изолација, пренос топлоте и усисавање

Изолација и усисавачи

Изолација се користи у многе сврхе. Изолација је потребна да би се крхки предмети заштитили од оштећења током транспорта. Користи се за заштиту хладног ваздуха од кућа током зиме, користи се за одвајање електричних жица и користи се за одржавање хладних и врућих предмета врућих у вакуум тиквици. Многи материјали се користе као изолација од тканине до маховине, пластике, фибергласа и животињске коже. У случају вакуумске тиквице, вакуум служи као изолација. Вакуум се ствара када је запремина простора у основи празна од материје; обично када се испумпава ваздух. Сијалице садрже делимични вакуум, обично попуњен аргоном, који штити волфрам нит.

Пренос топлоте

Топлота се може преносити на три начина: проводљивост, конвекција и зрачење. Кондукција је пренос топлоте директним контактом честица материје. Метали попут бакра, платине, злата и гвожђа обично су најбољи проводници топлотне енергије. Конвекција је пренос топлотне енергије услед кретања молекула унутар течности. Зрачење је пренос топлотне енергије кроз празан простор.

Вацуум Фласкс

Изумио га је 1892. године Сир Јамес Девар, научник са Универзитета Окфорд, „вакуумска боца“ је први пут произведена за комерцијалну употребу 1904. године, када су две немачке дуваљке за стакло основале Тхермос ГмбХ. Одржали су такмичење за именовање „вакуумске боце“, а становник Минхена, Немачка, поднео је „термос“, што је настало од грчке речи „терме“ што значи „топлота“.

Вакуумска боца је боца израђена од метала, стакла или пластике са шупљим зидовима. Уски део између унутрашњег и спољног зида евакуише се из ваздуха, тако да је вакуум. Коришћење вакуума као изолатора избегава пренос топлоте проводењем или конвекцијом између два зида. Зрачни губици топлоте смањују се наношењем рефлектујућег премаза на површине попут сребра.

Наравно, у тиквици је потребан отвор за додавање или уклањање врућих или хладних течности. Занимљиво је да се највише губитка топлоте или хладноће дешава на чепу. Првобитно је чеп био направљен од плуте, а пластика се користила касније, јер је била издржљивија и могла је бити обликована у облику који одговара отвору. Типична тиквица одржава течност хладном око 24 сата, а топла до 8. Неке вакуумске боце укључују уграђену шољу ради лакшег коришћења са пићима.

речник

Кондукција: Пренос топлоте директним контактом честица материје.
Ограничења: Ограничења у погледу материјала, времена, величине тима итд.
Конвекција: Пренос топлотне енергије услед кретања молекула унутар течности.
Критеријуми: Услови које дизајн мора да задовољи као његова укупна величина итд.
Инжењери: проналазачи и решавачи проблема света. У инжењерству је признато двадесет пет главних специјалности (погледајте инфографику).
Процес инжењерског пројектовања: Процесни инжењери користе за решавање проблема.
Инжењерске навике ума (ЕХМ): Шест јединствених начина на које инжењери размишљају.
Пренос топлоте: Топлота се може преносити на три начина: проводљивост, конвекција и зрачење.
Изолација: Користи се за одржавање хладних предмета хладним и врућих у вакум посуди.
Итерација: Тестирање и редизајн су једна итерација. Поновите (више понављања).
Прототип: Радни модел решења за тестирање.
Зрачење: Пренос топлотне енергије кроз празан простор.
Вакумска боца: флаша направљена од метала, стакла или пластике са шупљим зидовима. Уско подручје између унутрашњег и спољашњег зида је евакуисано од ваздуха тако да је вакуум. Коришћењем вакуума као изолатора избегава се пренос топлоте провођењем или конвекцијом између два зида.

Копајте дубље

Интернет Цоннецтионс

Како ради термос

Рецоммендед Реадинг

Сцхаум-ов приказ преноса топлоте (ИСБН: 978-0070502079)
1001 изум који је променио свет (ИСБН: 978-0764161360)

Писање активности

Напишите есеј или одломак о инжењерству које је променило могућности изолације домова током последњих 200 година.

Усклађивање наставног програма

Усклађивање са оквирним програмима

Белешка: Планови лекција у овој серији усклађени су са једним или више следећих скупова стандарда:

Амерички стандарди за научно образовање (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Амерички научни стандарди следеће генерације (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарди за технолошку писменост Међународног удружења за технолошко образовање (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Амерички национални савет наставника математике „Принципи и стандарди за школску математику“ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Заједнички основни амерички државни стандарди за математику (http://www.corestandards.org/Math)
Удружење наставника информатике К-12 Стандарди рачунарске науке (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди научног образовања Разреди К-4 (узраст 4-9 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Особине предмета и материјала
Светлост, топлота, електрицитет и магнетизам

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности технолошког дизајна
Разумевање науке и технологије
Способност разликовања природних предмета од предмета које су направили људи

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у локалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука као људски подухват

Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10-14 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање

Особине и промене својстава у материји
Пренос енергије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности у 5-8 разредима, сви ученици би требало да се развијају

Способности технолошког дизајна
Разумевање науке и технологије

Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10-14 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у друштву

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Историја науке

Национални стандарди научног образовања Разреди 9-12 (узраст 14-18 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици би требало да развију разумевање

Структура и својства материје
Очување енергије и пораст нереда
Интеракције енергије и материје

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности технолошког дизајна
Разумевање науке и технологије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у локалним, националним и глобалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Историјске перспективе

Научни стандарди следеће генерације, разреди 3-5 (узраст 8-11)

енергија

МС-ПС3-3. Примените научне принципе за пројектовање, конструисање и тестирање уређаја који или минимизира или максимизира пренос топлотне енергије.

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

3-5-ЕТС1-1.Дефинишите једноставан дизајн проблем који одражава потребу или потребу која укључује одређене критеријуме за успех и ограничења на материјале, време или трошкове.
3-5-ЕТС1-2. Генеришите и упоредите више могућих решења проблема на основу тога колико је вероватно да ће свако од њих испунити критеријуме и ограничења проблема.
3-5-ЕТС1-3.План и извршити фер испитивања у којима се контролишу променљиве и узимају у обзир тачке отказа како би се идентификовали аспекти модела или прототипа који се могу побољшати.

Научни стандарди следеће генерације, разреди 6-8 (узраст 11-14)

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

МС-ЕТС1-1 Дефинишите критеријуме и ограничења проблема дизајна са довољно прецизношћу да обезбедите успешно решење, узимајући у обзир релевантне научне принципе и потенцијалне утицаје на људе и природну средину који могу ограничити могућа решења.
МС-ЕТС1-2 Процените конкурентска решења дизајна користећи систематски поступак да бисте утврдили колико добро испуњавају критеријуме и ограничења проблема.

Стандарди за технолошку писменост - сва доба

Природа технологије

Стандард 1: Студенти ће развити разумевање карактеристика и домета технологије.
Стандард 3: Студенти ће развити разумевање односа између технологија и веза између технологије и других поља студија.

Технологија и друштво

Стандард 4: Студенти ће развити разумевање културних, социјалних, економских и политичких ефеката технологије.
Стандард 5: Студенти ће развити разумевање ефеката технологије на животну средину.
Стандард 6: Студенти ће развити разумевање улоге друштва у развоју и употреби технологије.
Стандард 7: Студенти ће развити разумевање утицаја технологије на историју.

Дизајн

Стандард 8: Студенти ће развити разумевање својстава дизајна.
Стандард 9: Студенти ће развити разумевање инжењерског дизајна.
Стандард 10: Студенти ће развити разумевање улоге решавања проблема, истраживања и развоја, проналаска и иновација и експериментисања у решавању проблема.

Способности за технолошки свет

Стандард 11: Студенти ће развити способности за примену процеса дизајнирања.

Студентски радни лист

Примена технологије за решавање проблема

Инжењерски тимски рад и планирање

Део сте тима инжењера који имају изазов да направе контејнер да шоља охлађене воде не загреје. Имаћете пуно материјала за употребу, као што су алуминијумска фолија, пластичне фолије, тканина, памучне куглице, маховина, картон, додатне папирне чаше, трака, чаше, сламке, спајалице, игле за одећу, жица, канапи, рециклирана пена за паковање, тканина, гумене траке и други лако доступни материјали. Изазов вашег тима је да на крају једног сата развијете уређај који ће хладну воду одржавати хладнијим од уређаја другог тима. Мораћете да осмислите начин како да се термометар одмори у води и буде у стању да очитава температуру током целог сата.

Фаза истраживања

Прочитајте материјале које вам је пружио ваш наставник, укључујући оне који говоре о преносу топлоте.

Фаза планирања и дизајна

Размислите о различитим начинима на које употребљене материјале одржавате хладном водом хладном. Запамтите да на почетку треба да оставите простор за термометар за мерење охлађене температуре, а затим један сат након израде дизајна. У доњем пољу нацртајте дијаграм ваше планиране изоловане шоље и укључите листу делова за које мислите да би вам могли затребати. Ово можете касније прилагодити, а такође додати још материјала током градње. Представите овај план свом разреду.

Потребни материјали:

Фаза изградње

Изградите свој систем изолације око шоље хладном водом која вам се пружа. Не заборавите да смислите методу држања термометра суспендованог у води, а да и даље можете очитавати температуру. Током градње можете извршити било која прилагођавања која желите, укључујући тражење додатних материјала који ће вам можда затребати. Такође можете да тргујете материјалима са другим тимовима ако имају додатне предмете који су вам потребни.

Тестирање у учионици

Ваш наставник ће се расхладити и сипати једнаку количину хладне воде у уређај сваког тима. Измерите очитавања температуре сваких десет минута током једног сата, а затим запишите резултате у графички формат. У поља испод означите своје температуре, а затим попуните питања о рефлексији.

Оригинална температура воде

Темп на 10 минута

Темп на 20 минута

Темп на 30 минута

Темп на 40 минута

Темп на 50 минута

Коначна температура у 1 сату

Разлика у температури од оригиналне до финалне