Израда сензора сензора
Ова лекција се фокусира на хигрометар, сензор који се користи за мерење влажности. Студенти у тимовима раде на дизајнирању и изради хигрометара од свакодневних предмета за мерење нивоа влажности.
- Сазнајте више о инжењерском дизајну.
- Сазнајте више о инструментацији.
- Сазнајте више о планирању и изградњи.
- Сазнајте о тимском раду и раду у групама.
Старосни нивои: 8-18
Материјали за израду (за сваки тим)
Потребни материјали (трговање / табела могућности)
- Памучне куглице
- Папирна марамица
- Картон
- Лакмус папир
- Папир за писање
- Дрвени блокови
- Пластичне или папирне чаше
- Стравс
- Алуминијумска фолија
- Гумице
- Чачкалице
- Папирни убруси
- Жица
Материјали за испитивање
Бочица са воденим распршивачем, са могућношћу магле
Materijali
- Бочица са воденим распршивачем, са могућношћу магле
Процес
Нека тимови оставе свој дизајн хигрометра преко ноћи како би створили основно „очитавање“ влажности.
Следећег дана тимови би требало да забележе „нормално“ мерење влажности на свом студентском радном листу. Затим изложите хигрометар сваког тима влази користећи низ прскања магле / воде. Тимови треба да означе своја „очитања“ хигрометра након сваког од следећег:
- Очитавање пре излагања магли
- Очитавање након излагања 4 прскања магле
- Очитавање након излагања 8 прскања магле
- Очитавање након излагања 16 прскања магле
Дизајн изазов
Део сте тима инжењера који су добили изазов да развију хигрометар - инструмент који открива промене влажности. Вероватно ћете морати да уградите осовину и мерач у свој хигрометар. Циљ је бити у могућности да пријавите промену влажности у учионици.
kriterijumi
- Морате нацртати вагу којом ћете „мерити“ промене влажности. У скали можете користити бројеве или речи.
- Дизајн се мора оставити у учионици преко ноћи да би се добио „основни приказ“ нивоа влажности.
Ограничења
- Користите само достављене материјале.
- Тимови могу трговати неограниченим материјалом.
- Разбијте разред у тимове од 2-3. Ова активност мора бити завршена током 2 дана - како би се омогућило очитавање основне влажности.
- Поделите радни лист Макинг Сенсе оф Сенсорс, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
- Разговарајте о темама у одељку о основним концептима. Размислите о томе да питате ученике како се мери температура. Који алат се користи? Да ли се влажност мери на исти начин? Да ли је потребан посебан алат за мерење влажности?
- Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
- Обезбедите сваки тим својим материјалима.
- Објасните да студенти морају тимски да дизајнирају хигрометар од свакодневних материјала који могу указивати на промену влажности. Објасните да свој дизајн могу заснивати на окретном мерачу (као што је Цовентри хигрометар) или могу да осмисле свој дизајн.
- 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 хигрометар. Договарају се о материјалима који ће им требати, напишу / нацртају свој план и презентују свој план предавању. Тимови могу трговати неограниченим материјалима са другим тимовима како би развили своју листу идеалних делова.
- Тимови граде своје дизајне.
- Тимови остављају свој дизајн хигрометара преко ноћи како би створили основно „очитавање“ влаге.
- Следећег дана тимови би требало да забележе „нормално“ мерење влажности на свом студентском радном листу. Затим изложите хигрометар сваког тима влази користећи низ прскања магле / воде. Тимови треба да означе своја „очитања“ хигрометра након сваког од следећег:
- Очитавање пре излагања магли
- Очитавање након излагања 4 прскања магле
- Очитавање након излагања 8 прскања магле
- Очитавање након излагања 16 прскања магле
- Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
- За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.
Рефлексија ученика (инжењерска свеска)
- Да ли сте успели да направите хигрометар који је указивао на промену влажности?
- Који аспект вашег дизајна мислите да је најбоље функционисао? Зашто?
- Који хигрометар „дизајниран“ од стране другог студентског тима сматрате најинспиративнијим? Како је то функционисало боље од вашег, или коју сте особину ценили да је смислио други тим?
- Да ли сте одлучили да ревидирате свој оригинални дизајн док сте били у фази изградње? Зашто? Како?
- Хигрометри мере влажност ваздуха стотинама година. Да ли мислите да је технологија побољшала хигрометар? Како?
- Шта мислите, колико је ваш хигрометар издржљив? Да ли би могао да настави да ради недељу, две недеље, годину, деценију? Шта бисте морали учинити са својим хигрометром да би био поуздан током дужег временског периода?
- Да ли мислите да бисте лакше могли да завршите овај пројекат да радите сами? Објасните…
- Да сте могли да користите материјал или материјале који вам нису достављени, шта бисте тражили? Зашто мислите да је овај материјал можда помогао у изазову?
- Можете ли препознати пет сензора у вашој школској згради?
- Који је био ваш омиљени део изазова? Фаза дизајна? Фаза изградње? Фаза тестирања? 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.
Шта је влажност?
Влажност је количина водене паре у ваздуху. У свакодневном језику термин „влага“ обично се подразумева као релативна влажност.
Релативна влажност се дефинише као однос делимичног притиска водене паре у комаду ваздуха и притиска засићене паре водене паре на прописаној температури. Влажност се такође може изразити као апсолутна влажност и специфична влажност. Релативна влажност ваздуха је важан показатељ који се користи за предвиђање времена. Влажност ваздуха указује на вероватноћу падавина, росе или магле. Због високе влажности лети се људи осећају вруће напољу, јер смањује ефикасност знојења ради хлађења тела спречавањем испаравања зноја са коже. Овај ефекат се израчунава у табели индекса топлоте.
Мерење релативне влажности
Мерење релативне влажности захтева две чињенице: температуру и тачку росе. Тачка росе је температура до које ваздух мора да се охлади да би дошло до кондензације. Што је већа влажност ваздуха, тачка росе је ближа температури ваздуха. Када је влажност ваздуха 100 процената, тачка росе и температура су исти. Тачка росе у било ком тренутку не може бити виша од температуре ваздуха.
Влажност се може мерити на неколико различитих начина, али најчешће се влажност извештава као „релативна влажност“. Релативна влажност је однос количине влаге у ваздуху у односу на количину коју ваздух може да задржи на датој температури, изражен у процентима. Интернет калкулатор влажности може се наћи на мрежи на веб локацији Националне метеоролошке службе за претворбе и прорачуне на адреси ввв.впц.нцеп.ноаа.гов/хтмл/хеатиндек.схтмл.
Инжењерске импликације
Инжењери у многим дисциплинама у свом раду морају узети у обзир ниво влаге. На пример, грађевински инжењер може дизајнирати зграду за смештај ретких књига које би могле бити оштећене прекомерном влагом. Или, инжењер климатизације и хлађења можда развија систем за заштиту ретких таписерија у музеју. Инжењери хемије и нафте могу се суочити са ситуацијама у којима паралелно постоје гасови и кондензационе паре. Поуздани алати су важни инжењерима јер решавају изазове са којима се суочавају у многим пољима.
Шта су сензори?
Зашто користимо сензоре
Сензори су уређаји који мере нешто о околини и узрокују реакцију или пријављују податке које особа може прочитати.
На пример, термометар мери спољне температуре или може мерити температуру особе. Нека предузећа и домови имају „сензоре за ниске температуре“ који покрећу телефонски позив власнику имовине како би их обавестили да је температура у згради пала на опасан ниво због чега би цеви могле да се смрзну.
Друга врста сензора је сензор светлости који доводи до укључивања светла, на пример када напољу падне мрак. Они су популарни у спољној расвети, а често се напајају на соларну енергију и укључују спољно светло у сумрак и искључују се у зору.
Други сензор је сензор покрета. Они се користе у противпровалним алармним системима и такође често покрећу светла да се укључе. На пример, светло с десне стране може се поставити испред зграде, па када би неко кренуо до улаза, светло би се палило да води пут. Неке камере сада имају уграђене и сензоре покрета. Користе се за фотографисање дивљих животиња док не узнемиравају животиње.
Сензори се такође користе у познатим уређајима као што су тастери дизала осетљиви на додир или специјални рачунарски екрани. А стотине сензора могу се наћи у просечном аутомобилу - пратећи све, од тога колико је горива остало у резервоару, па све до притиска на гуме.
Како раде сензори?
Свака врста сензора делује мало другачије. На пример, живин термометар показује промене температуре јер се течна жива шири или скупља нагоре или надоле у калибрисану стаклену цев са отиснутом скалом. Сензори покрета могу имати сноп светлости који прелази кроз врата или могу имати радар. На пример, многа се врата прехрамбених производа аутоматски отварају када купац крене према вратима и узрокује да се радар одбије, што покреће реакцију мотора који отвара врата. Неки сензори покрета детектују инфрацрвену енергију, у облику топлоте од особе или животиње која може покренути светло. Да би се одржала тачност, с времена на време треба калибрисати све сензоре.
Шта је хигрометар?
Како хигрометри раде
Хигрометри су инструменти који се користе за мерење влажности. Он мери садржај водене паре у ваздуху и видљиво и одмах саопштава промене влажности путем графикона или бројчаника. Постоји неколико врста, укључујући:
- Хигрометар за косу - користи људску косу као инструмент за очитавање. Коса се продужава када је ваздух влажан и скупља се када је ваздух сув, али температура ваздуха остаје непромењена. Овај систем функционише, али коса не реагује тренутно на промене и захтева време за мерење.
- Механички хигрометар - користи упијајући папир као сензорски инструмент. Папир постаје тежи јер упија воду из ваздуха.
- Електрични хигрометар - користи плочу пресвучену угљеником. Електрична отпорност угљеничног слоја се мења како се мења садржај влаге у ваздуху.
- Инфрацрвени хигрометар - користи сноп светлости који садржи две одвојене дужине таласа за мерење влажности ваздуха. Водену пару упија једна од таласних дужина, друга не утиче, пружајући изузетно тачан индекс водене паре за стазе од неколико инча или хиљаде стопа.
Цовентри хигрометар
Леп, стари пример је Цовентри хигрометар. Заснован је на томе како се папир шири и скупља са променама влаге. Смештен је у Музеју науке у Лондону, изумио га је Јохн Цовентри, а направио га је Георге Адамс млађи око 1790. Пружа врло једноставну меру влаге у ваздуху и био је широко коришћен од хемичара и природњака. На једном краку ваге била је окачена гомила папирних дискова намочених у саламури. Друга рука се преселила преко ваге. Папир је упијао воду у атмосфери и постајао све тежи у влажним условима, нагињући вагу као показатељ влажности.
- Ограничења: Ограничења у погледу материјала, времена, величине тима итд.
- Критеријуми: Услови које дизајн мора да задовољи као његова укупна величина итд.
- Електрични хигрометар: Користи плочу обложену угљеником. Електрични отпор угљеничног премаза се мења како се мења садржај влаге у ваздуху.
- 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.
- Хигрометар за косу: Користи људску косу као сензорски инструмент. Коса се продужава када је ваздух влажан и скупља се када је сув, али температура ваздуха не утиче на то. Овај систем функционише, али коса не реагује тренутно на промене и захтева време за мерење.
- Влажност: Количина водене паре у ваздуху. У свакодневном језику термин „влажност“ се обично подразумева да означава релативну влажност.
- Хигрометар: Инструменти који се користе за мерење влажности.
- Инфрацрвени хигрометар: Користи сноп светлости који садржи две одвојене таласне дужине за мерење влажности у атмосфери. Једна од таласних дужина се апсорбује воденом паром, а друга је непромењена, обезбеђујући изузетно тачан индекс водене паре за стазе од неколико инча или хиљада стопа.
- Итерација: Тестирање и редизајн су једна итерација. Поновите (више понављања).
- Механички хигрометар: Користи упијајући папир као сензорски инструмент. Папир постаје тежи како упија воду из ваздуха.
- Окретни мерач (као што је хигрометар Ковентри): Пружа веома једноставну меру влаге у ваздуху и нашироко га користе хемичари и природњаци.
- Прототип: Радни модел решења за тестирање.
- Релативна влажност: Однос парцијалног притиска водене паре у комаду ваздуха према притиску засићене водене паре на прописаној температури.
- Сензори: Уређаји који мере нешто о околини и или изазивају реакцију или извештавају о подацима које особа може да прочита.
Интернет Цоннецтионс
Рецоммендед Реадинг
- Трактат о метеорологији: барометар, термометар, хигрометар, мерач кише и озонометар (ИСБН: 1409788326)
- Мерење температуре и влажности (ИСБН: 9814021091)
- Водич за дизајн влаге за контролу влажности за комерцијалне и институционалне зграде (ИСБН: 1883413982)
Писање активности
Напишите есеј или одломак о томе зашто би грађевински инжењер који развија нови музеј за смештај акварелних слика могао бити забринут због влаге.
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)
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
- Положај и кретање предмета
САДРЖАЈ СТАНДАРД Д: Наука о Земљи и свемиру
Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Промене на земљи и небу
САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија
Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају
- Способности технолошког дизајна
САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Промене у окружењу
- Наука и технологија у локалним изазовима
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
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
САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Становништво, ресурси и окружење
- Ризици и користи
- Наука и технологија у друштву
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
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
- Природа научног сазнања
- Историјске перспективе
Научни стандарди следеће генерације, разреди 3-5 (узраст 8-11)
Кретање и стабилност: Силе и интеракције
Студенти који покажу разумевање могу:
- 3-ПС2-1. Планирајте и спроведите истрагу како бисте пружили доказе о ефектима уравнотежених и неуравнотежених сила на кретање предмета.
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 3: Студенти ће развити разумевање односа између технологија и веза између технологије и других поља студија.
Технологија и друштво
- 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 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.
- Стандард 13: Студенти ће развити способности за процену утицаја производа и система.
Дизајнирани свет
- Стандард 17: Студенти ће развити разумевање и моћи ће да бирају и користе информационе и комуникационе технологије.
Индустријско инжењерство
Рачунарско инжењерствоДео сте тима инжењера који су добили изазов да развију инструмент за откривање промена влажности - хигрометар. Имаћете на располагању много материјала, а вероватно ћете морати да уградите осовину и мерач унутар хигрометра. Ако ваш систем функционише, моћи ћете да пријавите промену влажности у учионици. Како ћете извршити задатак, зависи од вашег тима !.
Фаза планирања
Састаните се као тим и разговарајте о проблему који треба да решите. Мораћете да одредите које ћете материјале тражити од многих свакодневних предмета које ваш учитељ има на располагању. Као тим измислите свој најбољи дизајн и нацртајте га у пољу испод. Обавезно наведите материјале које предвиђате да користите, укључујући количину коју ћете захтевати од наставника. Представите свој дизајн предавању. Можете изабрати да ревидирате план својих тимова након што добијете повратну информацију од предавања.
| Дизајн:
Потребни материјали:
|
У доњи оквир нацртајте скалу којом ћете „мерити“ промене влажности. У скали можете користити бројеве или речи. Можда ћете желети да копирате онај који сте нацртали за употребу у свом хигрометру или да направите други који одговара величини вашег инструмента током израде.
Скала: Пример:
|
Фаза изградње
Направите свој хигрометар. Током изградње можете закључити да су вам потребни додатни предмети или да ваш дизајн треба променити. Ово је у реду - само направите нову скицу и ревидирајте листу материјала. Можда ћете желети да мењате предмете са другим тимовима или да затражите додатне материјале од свог наставника.
Фаза тестирања
Оставите хигрометар преко ноћи да генерише основно „очитавање“ влаге. Следећег дана забележите „нормално“ мерење влажности у поље испод.
Даље, хигрометри ће бити изложени влази низом спрејева магле / воде. Означите своје хигрометре „очитањима“ након сваког прскања.
| Очитавање на хигрометру пре излагања магли | Очитавање на хигрометру након излагања 4 прскања магле | Очитавање на хигрометру након излагања 8 прскања магле | Очитавање на хигрометру након излагања 16 прскања магле |
|
|
Фаза евалуације
Тада тимови попуњавају радни лист за евалуацију / размишљање и презентују своја сазнања предавању.
- Да ли сте успели да направите хигрометар који је указивао на промену влажности?
- Који аспект вашег дизајна мислите да је најбоље функционисао? Зашто?
- Који хигрометар „дизајниран“ од стране другог студентског тима сматрате најинспиративнијим? Како је то функционисало боље од вашег или шта сте оценили по својству другог тима?
- Да ли сте одлучили да ревидирате свој оригинални дизајн док сте били у фази изградње? Зашто? Како?
- Хигрометри мере влажност ваздуха стотинама година. Да ли мислите да је технологија побољшала хигрометар? Како?
- Шта мислите, колико је ваш хигрометар издржљив? Да ли би могао да настави да ради недељу, две недеље, годину, деценију? Шта бисте морали учинити са својим хигрометром да би био поуздан током дужег временског периода?
- Да ли мислите да бисте лакше могли да завршите овај пројекат да радите сами? Објасните…
- Да сте могли да користите материјал или материјале који вам нису достављени, шта бисте тражили? Зашто мислите да је овај материјал можда помогао у изазову?
- Можете ли препознати пет сензора у вашој школској згради?
- Који је био ваш омиљени део изазова? Фаза дизајна? Фаза изградње? Фаза тестирања? Зашто?
