Електричне тісто

Необхідні матеріали

• Електропровідне тісто (див. Рецепт нижче)
• Непровідне / ізолююче тісто (див. Рецепт нижче)
• Акумулятори AA
• Акумуляторні батареї з клемами
• Світлодіоди (рекомендований розмір 10 мм)
• Дріт із затискачами алігатора

Факультативні матеріали (таблиця можливостей)

• Міні-хобі електричні двигуни постійного струму
• Вентилятори, зумери та інші компоненти

Провідний рецепт тіста

Інгредієнти:

• 1 склянку води
• 1 1⁄2 склянки борошна
• 1⁄4 склянки солі
• 3 ст. соус тартар
• 1 ст. рослинна олія
• Харчові барвники

1. Змішайте воду з 1 склянкою борошна, сіллю, вершковим каменем, рослинною олією та харчовими барвниками в середньому горщику.
2. Готуйте суміш на середньому вогні при постійному помішуванні.
3. Продовжуйте перемішувати, поки суміш не утворить кульку в центрі горщика.
4. Покладіть кульку на злегка борошняну поверхню. Тісто буде дуже гарячим. Перед обробкою дайте йому охолонути кілька хвилин.
5. Замісіть решту 1⁄2 склянки борошна в кульку, поки вона не досягне потрібної консистенції.
6. Зберігайте тісто в герметичній ємності.

Рецепт непровідного / ізолюючого тіста

Інгредієнти:

• 1 1⁄2 склянки борошна
• 1⁄2 склянки цукру
• 3 ст. рослинна олія
• 1⁄2 склянки води (найкраще деіонізована або дистильована, але можна використовувати водопровідну воду)

1. Змішайте в мисці 1 склянку борошна, цукру та олії.
2. Розмішайте невелику кількість води. Продовжуйте додавати воду і перемішуйте, поки більша частина води не вбереться.
3. Як тільки суміш стане консистенцією невеликих, відокремлених грудочок, вимішуйте суміш руками, поки вона не утворить єдину грудку.
4. Додайте в тісто воду і продовжуйте замішувати, поки воно не отримає липку, схожу на тісто текстуру.
5. Додайте трохи борошна, що залишилося, і замісіть його в тісто, поки воно не набуде бажаної текстури.
6. Зберігайте тісто в герметичній тарі.

Матеріали

• Використовуйте предмети з комплекту збірки

Процес

1. Почніть з кульки з електропровідного тіста. Вставте дроти акумуляторної батареї в протилежні сторони тіста. Вставте світлодіод в тісто. Дивіться, що відбувається.
2. Далі відокремте струмопровідне тісто на дві частини. Вставте один дріт акумулятора в один шматок тіста, а інший в інший шматок тіста. Тепер вставте світлодіод з одним проводом в один шматок тіста, а другий - у другий шматок тіста. Дивіться, що відбувається.
3. Далі вийміть світлодіод і поверніть його, провідниками в протилежному напрямку. Дивіться, що відбувається. Документуйте, чому, на вашу думку, це сталося.
4. Зі світлодіодом у свіченому положенні торкніться двох шматочків тіста. Дивіться, що відбувається. Документуйте, чому, на вашу думку, це сталося.
5. Додайте шматок ізолюючого тіста між двома шматками струмопровідного тіста і прикріпіть їх так, щоб вони торкалися. Зі світлодіодом, що розсікає ізоляційне тісто, вставляється в дві секції струмопровідного тіста. Чи світиться світлодіод?
6. Використовуйте струмопровідне та ізолююче тісто, щоб створити послідовну схему з двома або більше світлодіодами. Що ви помічаєте у вогні? Документуйте, чому, на вашу думку, це сталося.
7. Використовуйте струмопровідне та ізолююче тісто, щоб створити паралельний контур із трьома світлодіодами. Що ви помічаєте у вогні? Чим вони відрізняються від вогнів послідовного кола? Документуйте, чому, на вашу думку, це сталося.

Розмова TED: ЕннМері Томас

Джерело: канал TED YouTube

Скульптурна бризка скульптура ЕнМері Томас

Джерело: YouTube-канал Університету Св. Томи

Design Challenge

Ви інженер, який працює над розробкою та побудовою електроенергетичних творінь із тіста.

Критерії

• Потрібно використовувати два типи тіста (електропровідне та непровідне)
  для живлення світлодіодів.

Обмеження

Завершіть свою скульптуру протягом заданого часу.

1. Розбийте клас на команди по 2 особи.
2. Роздайте робочий аркуш електричного тіста та рецепти електропровідного та непровідного тіста.
3. Обговоріть теми у Розділі фонових понять.
4. Ознайомтеся з процесом інженерного проектування, викликом проекту, критеріями, обмеженнями та матеріалами. Якщо час дозволяє, перегляньте “Заявки в реальному світі” перед тим, як проводити проектну роботу.
5. Перш ніж давати вказівки студентам розпочати мозковий штурм та замальовувати свої конструкції, попросіть їх розглянути наступне
   ● Як працюють послідовні та паралельні схеми
   ● Відмінності між струмопровідними та ізолюючими матеріалами
   ● Що таке коротке замикання?
   ● Що таке полярність?
6. Надайте кожній команді свої матеріали.
7. Поясніть, що учні повинні робити електропровідне та непровідне (ізолююче) тісто. Вони випробують тісто, склавши різні схеми, використовуючи світлодіодні ліхтарі.
8. Повідомте, скільки часу їм потрібно на проектування та побудову (рекомендується 1 година).
9. Використовуйте таймер або онлайн секундомір (функція зворотного відліку), щоб забезпечити своєчасне виконання. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте студентам регулярні «перевірки часу», щоб вони продовжували виконувати завдання. Якщо вони борються, задайте питання, які приведуть їх до рішення швидше.
10. Команди роблять своє тісто.
11. Випробуйте тісто, використовуючи етапи тестування в розділі Тестування матеріалів та технологічних процесів.
12. Команди повинні задокументувати результати кожного етапу тестування.
13. Під час занять обговоріть запитання студентів щодо роздумів.

Варіації

Використовуйте світлодіодні ліхтарі, двигуни, звукові сигнали, вентилятори або будь-які інші матеріали для творчості!

схеми

Петля, по якій протікає електрика, називається ланцюгом. Схема починається від джерела живлення, такого як акумулятор, і протікає через дроти та електричні компоненти (такі як світильники, двигуни тощо). Існує два типи схем - послідовні та паралельні.

Схеми серії

Серійні схеми пропускають лише один шлях проходження електрики. У послідовній схемі зі світлодіодами світлодіоди далі від джерела живлення будуть виглядати тьмянішими, оскільки для їх живлення доступно менше електроенергії. Якби світлодіод згорів або був вилучений у послідовному ланцюзі, усі світильники, що слідують за ним, також погасли б, оскільки один шлях до решти вогнів був би відключений.

Паралельні схеми

Паралельні схеми пропускають безліч шляхів проходження електрики. У паралельній схемі зі світлодіодами кожен світлодіод має електрику, що надходить безпосередньо до нього по своєму шляху. Кожен світлодіод може яскраво світити незалежно від того
де воно є, оскільки електрика потрапляє безпосередньо до кожного світлодіода. Крім того, у паралельному контурі, якщо одне світло згорить або буде видалено, інші продовжать світити.

Провідні та ізоляційні матеріали

Провідні матеріали: дозволяють електриці протікати через них. Чи можете ви придумати деякі матеріали, що проводять електрику?

Ізоляційні матеріали: не дозволяйте електриці протікати через них. Чи можете ви придумати якісь ізоляційні матеріали? Ізоляція вимірюється опором. Чим більше ізоляційний матеріал, тим більший опір він має. Ізоляційне тісто, з яким ви будете працювати, є резистивним, тобто через нього може протікати мало електроенергії. Ізолятори виконують роль стіни, яка блокує електрику.

Коротке замикання

Коротке замикання трапляється, коли дроти, які не повинні контактувати між собою. Ось чому світлодіод не загоряється, коли його вставляють в один шматок струмопровідного тіста або в нього
два шматки електропровідного тіста, які потім торкаються один одного.

Полярність

Напрямок потоку струму в ланцюзі називається полярністю. У цій діяльності червоний провід від акумуляторної батареї є позитивним полюсом, а чорний провід - негативним. Деякі електронні компоненти також мають позитивну і негативну сторону і для того, щоб працювати, вони повинні бути прикріплені в правильному напрямку.

Кожен світлодіод у цій діяльності має два відведення, один короткий і один довгий. Чим довший відведення йде на позитивну сторону, а коротший - на негативну.

Роздуми студентів (інженерний зошит)

1. Електроенергія завжди йде шляхом найменшого опору. На кроці 1, чому, на вашу думку, світлодіод не загорівся, коли його вставили в один шматок струмопровідного тіста? На етапі 4, як ви думаєте, чому світлодіод вимкнувся, коли два шматки струмопровідного тіста торкалися один одного?
2. Електропровідне тісто виготовляється з води, борошна, солі, вершкового каменю та рослинного масла. Ізолююче тісто виготовляється з води, борошна, цукру та рослинного масла. Як ви думаєте, що змушує одне тісто проводити електрику, а друге ні?
3. Які ще матеріали, на вашу думку, є струмопровідними?
4. Як ви думаєте, які ще матеріали ізолюють?

Урок можна зробити лише за 1 клас для старших учнів. Однак, щоб допомогти студентам почуватися поспішно і забезпечити успіх студентів (особливо для молодших школярів), розділіть урок на два періоди, що дає студентам більше часу на мозковий штурм, перевірку ідей та доопрацювання їх дизайну. Проведіть тестування та опис у наступному класі.

• Диригент: Матеріал, що пропускає через нього електрику.
• Ізолятор: Матеріал, який не дозволяє електриці протікати через нього.
• Опір: Ізоляція вимірюється опором. Чим більше ізоляційний матеріал, тим більший опір він має.
• схема: Петля, через яку протікає електрика. Схема починається від джерела живлення, такого як акумулятор, і протікає через дроти та електричні компоненти (такі як світильники, двигуни тощо).
• Серія ланцюга: Дозволяє проходити по одному шляху електрики.
• Паралельна схема: Дозволяє проходити кілька електричних шляхів.
• Коротке замикання: Коли дроти, які не повинні контактувати між собою, торкаються.

Інтернет-з'єднання

• Сквоші схеми
• Makerspaces.com: М'які схеми
• ЕнМері Томас: Практична наука з млинними схемами

Рекомендована література

• Електроніка для дітей: грайте у прості схеми та експериментуйте з електрикою! (ISBN: 978-1593277253)
• Посібник для початківців по мікросхемах: дев’ять простих проектів з підсвічуванням, звуками та іншим! (ISBN: 978-1593279042)
• Будівництво млинних схем (ISBN: 978-1634727235)
• Велика книга проектів Makerspace: надихаючі розробників експериментувати, створювати та вчитися (ISBN: 978-1259644252)

Письмова діяльність

У цій діяльності ви будете будувати предмети з використанням матеріалу, здатного проводити електрику. Це дозволить вам додати до свого твору вогні, двигуни, вентилятори та інші електричні елементи. Кріс Туан, інженер-будівельник Університету Небраски, Лінкольн, розробив формулу для виготовлення струмопровідного бетону, який можна використовувати для виготовлення доріг та тротуарів, які можуть танути лід і сніг. Якби ви могли побудувати будівлю з електропровідних матеріалів, як би ви використали її електричні властивості?

Вирівнювання навчальних програм

Примітка: Усі плани уроків у цій серії узгоджуються зі Стандартами комп’ютерних наук K-12 Асоціації комп’ютерних наук, Загальноосновними державними стандартами математики США, а також, якщо застосовується, також до Національної ради вчителів математики „Принципи та стандарти для школи”. Математика, Стандарти Міжнародної асоціації технологічної освіти для технологічної грамотності та Національні стандарти наукової освіти США, які були розроблені Національною науковою радою.

Наукові стандарти наступного покоління

Студенти, які демонструють розуміння, можуть

• 3-5-ETS1-1. Визначте просту дизайнерську проблему, що відображає потребу або бажання, яка включає визначені критерії успіху та обмеження на матеріали, час або вартість.
• 3-5-ETS1-2. Сформувати та порівняти декілька можливих рішень проблеми, виходячи з того, наскільки кожен з них, ймовірно, відповідає критеріям та обмеженням проблеми.
• 3-5-ETS1-3. Плануйте та проводите справедливі випробування, в яких контролюються змінні та враховуються точки відмов, щоб визначити аспекти моделі чи прототипу, які можуть бути
  покращився.
• 4-PS3-2. Робіть спостереження, щоб надати докази того, що енергія може передаватися з місця на місце за допомогою звуку, світла, тепла та електричних струмів
• 4-PS3-4. Застосовуйте наукові ідеї для проектування, тестування та вдосконалення пристрою, що перетворює
  енергія від однієї форми до іншої.
• MS-ETS1-1. Визначте критерії та обмеження проблеми проектування з достатньою кількістю
  точність забезпечення успішного рішення з урахуванням відповідних наукових
  принципи та потенційний вплив на людей та природне середовище, що може обмежити можливі рішення.
• MS-ETS1-2. Оцініть конкуруючі дизайнерські рішення, використовуючи систематичний процес
  визначити, наскільки вони відповідають критеріям та обмеженням проблеми.
• MS-ETS1-3. Проаналізуйте дані тестів, щоб визначити подібність та різницю між кількома дизайнерськими рішеннями, щоб визначити найкращі характеристики кожного з них, які можна об’єднати в нове рішення для кращого задоволення критеріїв успіху.
• MS-ETS1-4. Розробіть модель для генерації даних для ітеративного тестування та модифікації запропонованого об’єкта, інструменту або процесу таким чином, щоб можна було досягти оптимального проектування.

Стандарти технологічної грамотності - всі віки

• Глава 8 - Атрибути дизайну
  • Визначення дизайну
  • Вимоги до дизайну
• Розділ 9 - Інженерне проектування
  • Процес інженерного проектування
  • Творчість та розгляд усіх ідей
  • моделі
• Розділ 10 - Роль усунення несправностей, досліджень та розробок, винаходів та експериментів у вирішенні проблем
  • Пошук і усунення несправностей
  • Винахідництво та інновації
  • Експериментація
• Глава 11 - Застосування процесу проектування
  • Збирати інформацію
  • Візуалізуйте рішення
  • Перевірте та оцініть рішення
  • Удосконалити дизайн
• Глава 16 - Енергетичні та енергетичні технології
  • Енергія буває в різних формах
  • Інструменти, машини, вироби та системи

схеми

Контур - це петля, по якій протікає електрика. Схема починається від джерела живлення, такого як акумулятор, і протікає через дроти та електричні компоненти (наприклад, ліхтарі, двигуни тощо). Існує два види схем - послідовні та паралельні.

Схеми серії дозволяють проходити лише один шлях для проходження електрики. У послідовній схемі зі світлодіодами світлодіоди, що знаходяться далі від джерела живлення, будуть виглядати слабкішими, оскільки для їх живлення доступно менше електроенергії. Якби світлодіод вигорів або був би вилучений у послідовній схемі, усі вогні, що слідують за ним, також погаснуть, оскільки один шлях до решти ліхтарів буде відключений.

Паралельні схеми дозволяють пропускати електрику кількома шляхами. У паралельному ланцюзі зі світлодіодами кожен світлодіод має електрику, що надходить безпосередньо до нього по своєму шляху. Кожен світлодіод може яскраво світити, де б він не знаходився, оскільки електрика надходить безпосередньо до кожного світлодіода. Крім того, в паралельному контурі, якщо одне світло перегорить або його видалять, інші продовжать світити.

Провідність та ізоляція

Матеріали, що проводять електрику - дозволяючи електриці текти через них - називаються провідними. Для створення ланцюгів можна використовувати провідні матеріали. Це може означати використання металевого дроту або більш незвичайних речей, таких як фрукти, картопля і навіть тісто. У провідниковому тісті, яке ви будете використовувати, сіль у тісті допомагає переміщати електрику через нього, дисоціюючи на іони Na+ та Cl-.

Матеріали, що не пропускають через них електрику, називаються ізоляційними. Ізоляція вимірюється опором. Чим більше ізоляційного матеріалу, тим він має більший опір. Ізоляційне тісто, з яким ви будете працювати, є резистивним, тобто через нього може протікати мало електрики.

Ізолятори виконують роль стіни для електрики. Електроенергію або зупиняє ізолятор, або їй потрібно знайти спосіб обійти її. Оскільки ізолююче тісто не проводить електрику, його можна використовувати для відділення струмопровідного тіста та змушення електрики текти через інші електричні компоненти, такі як світлодіоди та двигуни.

Опір також важливий, допомагаючи уповільнити потік електрики до певного компонента. Наприклад, провідне тісто пропускає через нього електрику, але також чинить певний опір. Це допомагає уповільнити потік електрики від акумуляторної батареї до світлодіодів. Якщо світлодіод підключати безпосередньо до акумулятора, він вигорить.

Коротке замикання

Електрика завжди йде шляхом найменшого опору. Замість того, щоб повільно протікати крізь стійкий матеріал, електрика пройде шлях через щось більш провідне, наприклад, світлодіод, двигун, дріт або інший більш провідний матеріал. Ось як ізоляційні матеріали можна використовувати для зміни курсу зміни електрики та переміщення через компоненти, через які вона протікає.

Якщо навколо електричного компонента, такого як світлодіод, є шлях, який пропонує менший опір, електрика обійде світлодіод, пройшовши по шляху найменшого опору. Це називається коротким замиканням. Ось чому світлодіод, вставлений в один шматок струмопровідного тіста або у два шматки провідного тіста, які потім торкаються один одного, світлодіод не загориться.

Полярність

Електричний струм тече від позитивного полюса джерела енергії до негативного полюса. Напрямок потоку струму в ланцюзі називається полярністю. Під час цієї діяльності червоний дріт від акумуляторної батареї є позитивним полюсом, а чорний провід - негативним. Деякі електронні компоненти також мають позитивну та негативну сторони, і для їх роботи необхідно прикріпити їх у правильному напрямку. Світлодіоди, з якими ви будете працювати, мають по два відведення, один короткий, а другий довгий. Чим довший відвід переходить до позитивної сторони, а коротший - до негативної. Якщо світлодіод приєднаний у неправильному напрямку, він не загориться, поки його не повернути. Двигуни працюватимуть, якщо вони встановлені в будь -якому напрямку. Однак напрямок руху електричної енергії визначатиме напрямок обертання вала двигуна.

У цій діяльності ви будете будувати творіння з тіста, так само, як це робили в молодості. Тільки ці творіння можуть проводити електрику, дозволяючи створювати схеми та додавати такі функції, як вогні, двигуни тощо. Ви будете працювати з двома типами тіста. Одне тісто (кольорове) є провідним і пропускатиме через нього електрику. Інший (білий) є ізоляційним і не пропускає через нього електрику. Ви почнете з вивчення двох типів тіста і того, як вони працюють разом для створення схем. Тоді ви зможете отримати задоволення від творчості.

Практикуйте кола/знайомство з вашим тістом

1. Почніть з кульки з провідного тіста. Вставте дроти акумуляторної батареї в протилежні сторони тіста. Вставте світлодіод у тісто. Що станеться?

   

2. Далі розділіть провідне тісто на дві частини. Вставте один провід акумуляторної батареї в один шматок тіста, а інший - в другий шматок тіста. Тепер вставте світлодіод з одним відведенням в один шматок тіста, а інший - у другий шматок тіста. Що станеться?

   

3. Далі вийміть світлодіод і поверніть його, а потім вставте назад у два шматки тіста з проводами в протилежному напрямку від того, як вони були раніше. Що станеться? Як ви думаєте, чому це сталося?

4. Коли світлодіод горить, торкніться двох шматочків тіста разом. Що станеться? Як ви думаєте, чому це сталося?

5. Потім додайте шматок ізоляційного тіста між двома шматками провідного тіста і прикріпіть їх так, щоб вони торкалися. Завдяки світлодіоду, що знаходиться на ізоляційному тісті, вставленому в дві секції провідного тіста, у вас є один твердий предмет. Світлодіод горить, однак не відбувається короткого замикання. Оскільки ізоляційне тісто не пропускає електрику через нього, електрика проходить через світлодіод, запалюючи його.

   

6. Використовуйте провідне та ізолююче тісто, щоб створити послідовну схему з двома або більше світлодіодами. Що ви помітили у вогнях? Чому, на вашу думку, це так?

   

7. За допомогою провідного та ізолюючого тіста створіть паралельну схему з трьома світлодіодами. Що ви помітили у вогнях? Чим вони відрізняються від вогнів у послідовній схемі? Чому, на вашу думку, це так?

   

Отримати творчість

Тепер, коли ви розумієте, як використовувати два типи тіста для живлення світлодіода та керування двигуном, спробуйте створити щось креативне. Ви можете використовувати світлодіоди, двигуни, зумер, вентилятори або будь -які інші матеріали, надані вашим учителем. Ви можете створити тварину з запаленими очима, гелікоптер з обертовим гвинтом або що-небудь інше, що ви можете собі уявити. Коли ви закінчите, поділіться своїм творінням з рештою класу і подивіться, що ви придумали, однокласники. Ось деякі твори інших учнів: