Електричні вимикачі

Будівельні матеріали (для кожної команди)

Необхідні матеріали

• Різні типи вимикачів
• Ізольований провід
• Держатель батареї розміру D
• D батарея розміру
• 1.5-вольтова розетка
• 1.5-вольтова лампа
• Скріпки
• Кріплення для паперу
• Алюмінієва фольга
• Плоскогубці (спільні)
• Різак дроту (спільний)

Матеріали

• Вбудовані схеми та вимикачі

Процес

Команди будують свої схеми та тестують, щоб підтвердити, що лампочка загоряється.

Потім команди додають перемикач до своїх схем і демонструють, як вимикач вмикає та вимикає лампочку.

• Якщо студентам складно створювати перемикач, запропонуйте їм скористатися зігнутою скріпкою, щоб при натисканні вона ледве торкалася шматка фольги або іншої скріпки
• Або застібка для паперу, вклинена між батареєю та тримачем батареї, що заважає їм контактувати при натисканні.

Design Challenge

Ви команда інженерів, котра вирішила скласти схему, використовуючи лише батарею та лампочку. Потім вам доведеться додати в схему перемикач, який вмикає та вимикає лампочку.

Критерії

• Схема повинна використовувати батарею та 1.5-вольтову лампочку.
• Вимикач повинен вмикати та вимикати лампочку.

Обмеження

Використовуйте лише надані матеріали.

1. Розбийте клас на команди 3-4.
2. Роздайте аркуш електричних вимикачів, а також кілька аркушів паперу для ескізних проектів.
3. Обговоріть теми у Розділі фонових понять. Запитайте учнів про приклади використання перемикачів.
4. Ознайомтеся з процесом інженерного проектування, викликом проекту, критеріями, обмеженнями та матеріалами.
5. Надайте кожній команді свої матеріали.
6. Поясніть, що учні повинні побудувати робочий контур лише за допомогою акумулятора та лампочки. Потім вони повинні додати перемикач, який вмикає та вимикає лампочку.
7. Повідомте, скільки часу їм потрібно наростити (рекомендується 1 година).
8. 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.
9. Студенти зустрічаються та розробляють план їх схеми та вимикача. Вони повинні начеркнути свій план перед тим, як будувати його, і використовувати схематичні символи, показані в розділі «Основні поняття».
10. Команди будують свої схеми та тестують, щоб підтвердити, що лампочка загоряється.
11. Команди додають перемикач до своїх схем і демонструють, як вимикач вмикає та вимикає лампочку.

• Якщо студентам складно створювати перемикач, запропонуйте їм скористатися зігнутою скріпкою, щоб при натисканні вона ледве торкалася шматка фольги або іншої скріпки
• Або застібка для паперу, вклинена між батареєю та тримачем батареї, що заважає їм контактувати при натисканні.

12. Під час занять обговоріть запитання студентів щодо роздумів.
13. Щоб отримати додатковий зміст по цій темі, дивіться розділ “Копати глибше”.

Ідея розширення

Нехай студенти шукають перемикачі у викинутих іграшках, приладах чи інших електричних пристроях. Студенти можуть розібрати предмети, щоб побачити, як вони працюють.

Роздуми студентів (інженерний зошит)

1. Опишіть, що ви робили, щоб лампочка загорялася за допомогою перемикача.
2. Які матеріали ви використовували для виготовлення власного перемикача?

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.

Що таке 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 високого потенціалу (+) акумулятора через лампочку (запалюючи її) і назад до мінусової (-) клеми безперервним потоком, коли перемикач знаходиться в увімкненому положенні, щоб струм міг потік

Принципова схема простої схеми

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

Імітація комутатора шляхом відключення дроту

Ви можете зробити сирий перемикач, просто від’єднавши один з проводів і по черзі торкаючись його і виймаючи з металевого корпусу колби. Чому світло вимикається, коли дріт вже не торкається? Коли провід видаляється, електронам доведеться текти по повітрю, щоб завершити ланцюг. Щоб змусити електрони текти по повітрю, потрібно набагато більше енергії, ніж доступно, оскільки майже всі електрони в повітрі тісно пов'язані з атомами. Те саме стосується всіх інших матеріалів, відомих як ізолятори. Імпровізований вимикач, який виконується шляхом від'єднання та повторного підключення дроту, робить точно те саме, що виготовлений вимикач, за винятком того, що виготовлені більш надійні. Все, що вони роблять, - це від'єднувати та підключати дроти, коли ви рухаєте важіль, натискаєте кнопку, повертаєте ручку або посуваєте кнопку.

• 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.
• 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 схема підключення: схема, яка використовується для планування електропроводки ланцюга. 
• 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.

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)

Письмова діяльність

Напишіть есе або абзац, в якому опишіть, як вимикачі, знайдені на звичайних побутових приладах вдома, роблять ці прилади більш функціональними або простішими в експлуатації.

Вирівнювання навчальних програм

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

• Стандарти наукової освіти США (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Наукові стандарти наступного покоління США (http://www.nextgenscience.org/) 
• Стандарти Міжнародної асоціації технологічної освіти щодо технологічної грамотності (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Принципи та стандарти шкільної математики Національної ради вчителів математики США (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Загальноосновні державні стандарти США з математики (http://www.corestandards.org/Math)
• Асоціація викладачів інформатики K-12 Стандарти комп'ютерних наук (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

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, випробування та вдосконалення пристрою, який перетворює енергію з однієї форми в іншу.

Інженерний дизайн 

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• 3-5-ETS1-1. Визначте просту дизайнерську проблему, що відображає потребу або потребу, яка включає визначені критерії успіху та обмеження на матеріали, час або вартість.
• 3-5-ETS1-2. Сформувати та порівняти декілька можливих варіантів вирішення проблеми, виходячи з того, наскільки кожен з них, ймовірно, відповідає критеріям та обмеженням проблеми.

Наукові стандарти наступного покоління - 6-8 класи (вік 11-14)

Інженерний дизайн 

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• MS-ETS1-1 Визначте критерії та обмеження проектної проблеми з достатньою точністю, щоб забезпечити успішне рішення, беручи до уваги відповідні наукові принципи та потенційний вплив на людей та природне середовище, що може обмежити можливі рішення.
• MS-ETS1-2 Оцініть конкурентні проектні рішення, використовуючи систематичний процес, щоб визначити, наскільки вони відповідають критеріям та обмеженням проблеми.

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.

• арабська