Серійні та паралельні схеми

Складання та тестування матеріалів (для кожної команди)

Необхідні матеріали (2 комплекти для кожної команди)

• 6 шматочків дротового дзвону (по 6 ″ кожен) із зачищеними кінцями
• Власник акумулятора
• Розетка
• Три або більше лампочок 1.5 вольта
• Батареї розміру D.

Design Challenge

Ви команда інженерів, які спільно працюють над розробкою системи, за допомогою якої один перемикач може увімкнути декілька ліхтарів. Прикладом може бути рядок вогнів.

Критерії

• Повинен скласти схему паралельної схеми
• Потрібно побудувати та протестувати як послідовну, так і паралельну схему

Обмеження

Використовуйте лише надані матеріали.

1. Розбийте клас на команди 2-4.
2. Роздайте аркуш «Серія» та «Паралельні схеми», а також кілька аркушів паперу для ескізних проектів.
3. Обговоріть теми у Розділі фонових понять. Надайте визначення послідовних та паралельних схем та обговоріть відмінності.
4. Ознайомтеся з процесом інженерного проектування, викликом проекту, критеріями, обмеженнями та матеріалами.
5. Надайте кожній команді свої матеріали (по 2 комплекти для кожної команди). Перш ніж учні почнуть будувати, розгляньте визначення послідовних і паралельних ланцюгів та обговоріть відмінності.  
   • Послідовні ланцюги: електрика має лише один шлях, по якому рухається. 
   • Паралельні ланцюги: електрика має більш ніж один шлях, по якому рухається.
     
6. Поясніть, що кожна команда повинна зробити послідовний і паралельний ланцюг. Доручіть їм вивчити схему послідовного кола на робочому аркуші студента та скласти власний план паралельного кола.
7. Повідомте, скільки часу їм потрібно для створення своїх схем (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. Команди будують свої схеми.
10. Після того, як команди побудують обидві схеми, попросіть їх зробити такі прогнози та записати їх на аркуші студента:
    ● Як ви думаєте, чи є низка ліхтарів прикладом паралельних або послідовних лампочок в ланцюзі? Поясніть, чому.
    ● Як ви гадаєте, лампочки в паралельному ланцюзі або послідовний контур будуть горіти яскравіше? Поясніть, чому.
    ● Якщо ви вилучите лампочку у вашому паралельному контурі, чи буде інша лампа (лампи) все ще світити? Поясніть, чому.
    ● Якщо ви видалите лампочку в послідовному ланцюзі, чи буде інша лампа (лампи) все ще світитись? Поясніть, чому.
11. Нехай кожна група студентів перевіряє свої прогнози, використовуючи свої схеми, і порівнює свої результати зі своїми прогнозами.
12. Під час занять обговоріть запитання студентів щодо роздумів.
13. Щоб отримати додатковий зміст по цій темі, дивіться розділ “Копати глибше”.

Роздуми студентів (інженерний зошит)

1. Чи були ваші прогнози щодо яскравості лампочок точними? Якщо ні, то що сталося, що відрізнялося від того, що очікувала ваша група?
2. Чи були ваші прогнози щодо того, що сталося, якщо лампочку було вилучено з паралельного та послідовного контурів, точні? Якщо ні, то що сталося, що відрізнялося від того, що очікувала ваша група?

Tips

• Викладачі можуть захотіти створити послідовну схему перед уроком і попросити учнів створити паралельну схему, щоб заощадити час.
• Вчителям слід розглянути можливість розповсюдження аркушів студентських матеріалів як матеріалу для читання / домашнього завдання на ніч перед тим, як діяльність буде проводитися на уроці.
• Заохочуйте студентів порівняти всі схеми, побудовані різними студентськими групами.

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 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.

Серія і паралель описує два різні типи схеми схеми. Кожне розташування забезпечує різний спосіб проходження електрики по колу.

Схеми серії

У послідовному ланцюзі електрика має лише один шлях, по якому слід рухатись. У прикладі праворуч дві лампочки живляться від батареї у послідовній схемі. Електроенергія надходить від акумулятора до кожної лампочки, по черзі, в тому порядку, в якому вони підключені до ланцюга. У цьому випадку, оскільки електрика може протікати лише по одному шляху, якщо одна з лампочок перегоріла, інша лампочка не зможе засвітитися, оскільки потік електричного струму був би перерваний. Таким же чином, якби одну лампочку було викручено, ток струму до обох ламп буде перерваний.

Паралельні схеми

У паралельному контурі електрика має більше одного шляху, по якому слід рухатись. У прикладі праворуч дві лампочки живляться від батареї в паралельній схемі. У цьому випадку, оскільки електроенергія може протікати по декількох шляхах, якщо одна лампочка перегоріла, інша лампочка все одно зможе засвітитися, оскільки потік електрики до зламаної лампочки не зупинить потік електроенергії до хороша цибулина. Точно так само, якби одну лампочку відкрутили, це не завадило б загорітися іншій.

А як щодо опору?

Потік електрики залежить від того, скільки опору в ланцюзі. У наших прикладах цибулини забезпечують опір. У послідовному ланцюзі опір в ланцюзі дорівнює загальному опору всіх лампочок. Чим більше лампочок в ланцюзі, тим слабше вони будуть світити. У паралельній схемі є кілька шляхів, по яких може протікати струм, тому опір загальної схеми є меншим, ніж було б, якби був доступний лише один шлях. Менший опір означає, що сила струму буде вищою, а лампочки будуть горіти яскравіше порівняно з такою ж кількістю лампочок, розташованих у послідовному контурі.

• Контур: петля, через яку протікає електрика. Ланцюг починається від джерела живлення, такого як акумулятор, і проходить через дроти та електричні компоненти (наприклад, ліхтарі, двигуни тощо).
• Провідник: матеріал, через який проходить електрика.
• 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.
• Ізолятор: матеріал, який не пропускає через нього електрику.
• Ітерація: тестування та редизайн – це одна ітерація. Повторити (кілька ітерацій).
• Паралельний контур: дозволяє протікати електрикою кількома шляхами.
• Прототип: робоча модель рішення для тестування.
• Опір: ізоляція вимірюється опором. Чим більш ізоляційний матеріал, тим більший опір він має.
• Послідовна схема: дозволяє протікати по одному шляху електрики. 
• Коротке замикання: коли дроти, які не повинні стикатися один з одним, торкаються.
  

 Рекомендована література

• DK Свідок очевидців: Електроенергія (ISBN: 0751361321)
• Зробіть круті пристосування для своєї кімнати Емі Пінчук та Теко Родрікес (ISBN: 1894379128)
• «Мій світ науки: провідники та ізолятори» Анжели Ройстон (Навчальні книги Хайнемана, ISBN: 0431137269)

Письмова діяльність

Напишіть есе (або абзац залежно від віку студента), в якому описується, як якщо замінити одне світло на ланцюжку лампочок на “блимає” світло, це призведе до того, що всі вогні в рядку також будуть блимати. Це приклад паралельної або послідовної схеми? Чому?

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 (віки 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.

інструкції

Ви інженер! Вам потрібно розробити систему, де один перемикач може вмикати кілька вогнів! Прикладом може бути низка святкових вогнів. Тепер побудуйте як послідовну схему, так і паралельну схему, використовуючи надані вам батареї, дроти та лампочки. Ваша схема серії виглядатиме приблизно так, як показано на малюнку нижче:

Намалюйте власну схему нижче, яка ілюструє, як буде виглядати ваша паралельна схема:

Групові прогнози
Після того, як ви побудували як послідовну, так і паралельну схему лампочки, зробіть кілька прогнозів щодо наступних груп:

1. Як ви думаєте, святкові вогні є прикладом паралельних або послідовних лампочок в ланцюзі? Поясніть, чому:

2. Як ви гадаєте, лампочки в паралельному ланцюзі або послідовний контур будуть горіти яскравіше? Поясніть, чому:

3. Якщо ви видалите лампочку у вашому паралельному контурі, чи буде інша лампочка (лампи) все ще світити? Поясніть, чому:

4. Якщо ви виймете лампочку в послідовному ланцюзі, чи буде інша лампа (лампи) все ще світити? Поясніть, чому:

Тест та результати

Тепер перевірте свої прогнози на запитання 2, 3 та 4 вище. Потім дайте відповіді на запитання нижче:

1. Чи були ваші прогнози щодо яскравості лампочок точними? Якщо ні, то що сталося, що відрізнялося від того, що очікувала ваша група?

2. Чи були точними ваші прогнози щодо того, що сталося, якщо лампочку було вилучено з паралельного та послідовного контурів? Якщо ні, то що сталося, що відрізнялося від того, що очікувала ваша група?

• арабська (PDF)
• суахілі