Ліхтарики та акумулятори

Цей урок досліджує, як працює ліхтарик, показуючи електричні схеми та функції перемикача цього повсякденного домашнього вжитку. Студенти дізнаються, як працюють батареї, як вони забезпечують живлення простого кола в межах простого ліхтарика та як перемикач керує потоком електронів. Студенти працюють у командах, щоб розібрати ліхтарик та намалювати схему конструкції ліхтарика.

  • Дізнайтеся, як комутатори керують потоком електроенергії.
  • Навчіться малювати основні електричні принципові схеми.
  • Дізнайтеся, як працює електрична схема та акумулятор у ліхтарику.
  • Дізнайтеся про командну роботу та роботу в групах.

Вікові рівні: 8-11

Будівельні матеріали

Необхідні матеріали

  • ліхтарик
  • 2 D батареї
  • Перемикачі 2

Design Challenge

Ви команда інженерів, котра отримала завдання розібрати та зібрати ліхтарик, щоб він працював. Потім ви розробите та намалюєте схему вдосконаленого ліхтарика (нові матеріали, кілька ламп, додаткові батареї) і поділитесь своїм дизайном із класом.

  1. Розбийте клас на команди 3-4.
  2. Роздайте аркуш ліхтариків та батарей, а також кілька аркушів паперу для ескізних проектів.
  3. Обговоріть теми у Розділі фонових понять. Покажіть учням справний ліхтарик і поясніть, як вимикач на ліхтарику керує потоком електрики по всьому ланцюгу ліхтарика.
  4. Надайте кожній команді свої матеріали.
  5. Попросіть команди розібрати та скласти ліхтарик, щоб він працював.
  6. Попросіть команди намалювати схему електричного кола для ліхтарика в положенні «увімкнено».
  7. Наступні студентські команди розробляють вдосконалений ліхтарик та малюють ще одну електронну схему для свого нового дизайну. (Ідеї: нові матеріали, кілька ламп, додаткові батареї)
  8. Команди представляють клас своєму новому дизайну.
  9. Щоб отримати додатковий зміст по цій темі, дивіться розділ “Копати глибше”.

Модифікація часу

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.

Розділіться на команди
Перегляньте виклик та обмеження критеріїв
Мозковий штурм можливих рішень (зробіть ескіз під час мозкового штурму!)
Виберіть найкраще рішення та створіть прототип
Перевірте, а потім перепроектуйте, доки рішення не буде оптимізовано
Подумайте, як команда, а доповідь як клас

Що таке проста схема? 

Проста схема

Проста схема складається з трьох мінімальних елементів, необхідних для завершення функціонуючого електричного кола: джерела електроенергії (акумулятор), шляху або провідника, по якому тече електрика (провід), та електричного резистора (лампи), який є будь-яким пристроєм, що вимагає електроенергія для роботи. На малюнку нижче показано просту схему, що містить один акумулятор, два дроти, вимикач та лампочку. Потік електроенергії йде від клеми з високим потенціалом (+) акумулятора через лампочку (запалюючи її) і назад до мінусової (-) клеми безперервним потоком, коли перемикач знаходиться в увімкненому положенні, тому струм може текти.

Принципова схема простої схеми

Далі наведена принципова схема простої схеми, що відображає електронні символи для акумулятора, вимикача та лампочки.

IEEE / tryengineering.org

 

 

 

 

 

 

 

 

Імітація комутатора  

Імітація перемикача шляхом від'єднання дроту або додавання олівця

Є кілька способів, як можна імітувати перемикач у простій схемі. Просте виймання та заміна дроту з колби може служити перемикачем. Ще один простий перемикач можна зробити, прикріпивши кінець одного з проводів до кінця гумки олівця за допомогою гумки. Потім прикріпіть іншу гумку на інший кінець олівця, і, просто поклавши другий кінець зверху - а потім і від - сполучного дроту, ви створили вимикач. Інші типи провідників також можуть бути використані в конструкції вимикачів, такі як алюмінієва фольга, затискачі для волосся, скріпки, скріпки для паперу та деякі металеві ручки.

Батареї та ліхтарики   

Sofic-bigstock.com

Історія батареї

Перша батарея була продемонстрована в 1800 році графом Алессандро Вольта. Його експерименти показали, що різні метали, що контактують між собою, можуть створювати електрику. Він сконструював стос дисків цинку, чергуючи їх з промокальним папером, змоченим у морській воді та сріблі або міді. Коли дроти з двох різних металів були прикріплені як до верхнього, так і до нижнього дисків, Вольта зміг виміряти напругу та струм. Він також виявив, що чим вище купа, тим вище напруга. Струм утворюється внаслідок хімічної реакції, що виникає внаслідок різних притягуючих електрон здатностей двох металів. Додаткову інформацію про історію батареї можна знайти на Wiki Engineering and Technology History (https://ethw.org/Batteries).

Історія ліхтарика

Sofic-bigstock.com

У 1890-х роках засновник американської компанії Ever-Ready Conrad Hubert винайшов електричний ручний пальник. Патент на перший ліхтарик Eveready Хуберт придбав у 1898 році. Перші ліхтарики Губерта були виготовлені з паперових та волоконних трубок з лампочкою та латунним відбивачем. У той час батареї були дуже слабкими, а лампочки все ще розроблялися, тому перші ліхтарики виробляли лише короткий «спалах» світла - що і дало назву винаходу.

Як працюють ліхтарики

Існує сім основних компонентів ліхтарика:

  • Корпус або трубка: вміщує всі інші компоненти ліхтарика.
  • Контакти: тонка пружина або смуга металу, зазвичай виготовлена ​​з міді або латуні, яка служить з’єднанням між батареєю, лампою та вимикачем.
  • Перемикач: може бути в положенні увімкнення або вимкнення.
  • Відбивач: пластик, покритий світловідбиваючим шаром алюмінію, що сприяє яскравішому ефекту світла лампочки.
  • Цибулина: зазвичай дуже маленька.
  • Об’єктив: пластикова кришка перед колбою для захисту лампи, яку легко можна зламати.
  • Батареї: живлення ліхтарика.

Коли перемикач знаходиться в положенні «увімкнено», він з'єднує дві контрактні смужки, що дозволяють електронам протікати. Акумулятори забезпечують живлення ліхтарика і розташовуються на невеликій пружині, яка підключена до однієї з контактних стрічок. Ця контактна смуга проходить по довжині корпусу і контактує з вимикачем. Інша контактна стрічка з'єднує вимикач з лампочкою. Нарешті, інший контакт підключає лампочку до верхньої батареї, завершуючи схему.

  • Акумулятор: пристрій, який може накопичувати електроенергію.
  • Контур: повний шлях, навколо якого може протікати електрика.
  • Обмеження: обмеження в матеріалах, часі, розмірі команди тощо.
  • Критерії: умови, яким має задовольняти проект, як-от його загальний розмір тощо.
  • Потік електронів: електрика.
  • Інженери: винахідники та вирішувачі проблем світу. Двадцять п’ять основних спеціальностей визнані в інженерії (див. інфографіку).
  • Процес інженерного проектування: інженери-технологи використовують для вирішення проблем. 
  • Інженерні навички розуму (EHM): шість унікальних способів мислення інженерів.
  • Ітерація: тестування та редизайн – це одна ітерація. Повторити (кілька ітерацій).
  • Прототип: робоча модель рішення для тестування.
  • Схематична діаграма: схема, що показує електронні символи схеми.
  • Проста схема: складається з трьох мінімальних елементів, необхідних для створення функціонуючого електричного кола: джерела електрики (батареї), шляху або провідника, по якому тече електрика (провід), і електричного резистора (лампи), який є будь-яким пристроєм, який вимагає електрика для роботи.
  • Перемикач: пристрій для встановлення, розриву або зміни з'єднань в електричному колі.

Інтернет-з'єднання

Рекомендована література

  • DK Свідок очевидців: Електроенергія (ISBN: 0751361321)
  • Свідки очевидців, Стів Паркер (DK Publishing, ISBN: 0789455773)
  • Як працює наука, Джудіт Ханн (Дайджест читачів, ISBN: 0762102497)
  • Usborne Book of Battery and Magnets (How to Make Series), автор Пола Бортон, Вікі Кейв (Публікації EDC, ISBN: 074602083X)

Письмова діяльність

Напишіть есе або параграф, в якому опишеться, як працюють кривошипні ліхтарики

Вирівнювання навчальних програм

Примітка: Плани уроків у цій серії узгоджуються з одним або кількома з наступних наборів стандартів:  

Національні стандарти наукової освіти Класи K-4 (віком 4 - 9)

ЗМІСТ СТАНДАРТ А: Наука як запит

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

  • Здатності, необхідні для наукового дослідження 
  • Розуміння наукового дослідження 

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

  • Світло, тепло, електрика та магнетизм

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка 

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

  • Розуміння науки та техніки 

Національні стандарти наукової освіти 5-8 класи (10-14 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ А: Наука як запит

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

  • Здатності, необхідні для наукового дослідження 
  • Розуміння щодо наукового дослідження 

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

  • Передача енергії 

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

  • Розуміння про науку і техніку 

Наукові стандарти наступного покоління - 3-5 класи (вік 8-11)

енергія

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

  • 4-PS3-4. Застосовуйте наукові ідеї для проектування, тестування та вдосконалення пристрою, який перетворює енергію з однієї форми в іншу. 

Стандарти технологічної грамотності - всі віки

дизайн

  • Стандарт 8: Студенти розвинуть розуміння атрибутів дизайну.
  • Стандарт 9: Студенти розвинуть розуміння інженерного проектування.
  • Стандарт 10: Студенти розвинуть розуміння ролі усунення несправностей, досліджень та розробок, винаходів та інновацій та експериментів у вирішенні проблем.

Накресліть принципову схему схеми схеми для стандартного ліхтарика в положенні «увімкнено» у полі нижче.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Намалюйте принципову схему вдосконаленого ліхтарика у полі нижче.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сертифікат про закінчення, який можна завантажити