ترنسمیتر EC

اهداف یادگیری

پس از این فعالیت، دانش آموزان باید بتوانند:

• یک رسانا و یک عایق در جریان انرژی الکتریکی تعریف کنید.
• نمونه هایی از هادی ها و عایق ها را ذکر کنید.
• نحوه استفاده مهندسان از هادی ها و عایق ها را توضیح دهید.

استانداردهای آموزشی 

NGSS: استانداردهای علوم نسل بعدی – علم

استانداردهای دولتی هسته مشترک – ریاضی

انجمن بین المللی مربیان فناوری و مهندسی – فناوری

استانداردهای دولتی

ترازبندی را پیشنهاد کنید که در بالا ذکر نشده است

فهرست مواد 

هر گروه نیاز دارد:

• 1 باتری (1.5 یا 6 ولت)
• 1 لامپ در نگهدارنده لامپ؛ 1.5 یا 6 ولت، برای مطابقت با باتری؛ در رادیو شاک یا سایر فروشگاه ها یا وب سایت های لوازم الکترونیکی موجود است
• (اختیاری) 1 تکه چوب، ~ 5 x 15 سانتی متر (2 x 6 اینچ)، هر ضخامت، که برای پایداری نگهدارنده لامپ روی آن نصب شود
• 1 متر (3 فوت) سیم مسی عایق شده در بخش های 30 سانتی متری (1 فوت) یا 3 گیره تمساح
• 1 نوار لاستیکی ضخیم
• 2 عدد گیره کاغذ بزرگ
• 2 عدد مداد با نوک پاک کن
• 2 عدد انگشت شست فلزی سر تمیز
• کاربرگ تست هدایت الکتریکی EC ، یک برگه برای هر تیم
• مجموعه ای از چندین شی که باید به عنوان رسانا یا عایق آزمایش شوند، مانند فویل آلومینیوم، کاغذ، شیشه، مس، پلاستیک، آب نمک و غیره.

کاربرگ ها و پیوست ها

دانش قبل از Req

درک اولیه یک مدار

مقدمه / انگیزه

چه چیزهایی هستند که در یک روز گرم واقعاً گرم می شوند؟ (پاسخ های ممکن: فلزات، اقلام تیره رنگ.) آیا تا به حال به قاشق فلزی که در یک کاسه سوپ داغ نشسته بود دست زده اید و متوجه شده اید که دسته قاشق بسیار داغ است؟ قاشق فلزی گرما را از سوپ داغ از طریق قاشق به دسته هدایت می کند. موادی که رسانای گرما هستند نیز ممکن است رسانای الکتریسیته باشند.

آیا تا به حال در مورد هادی ها یا عایق ها شنیده اید؟ هنگامی که ما در مورد چگونگی حرکت جریان الکتریکی یاد می گیریم، اینها کلمات مهم واژگانی هستند. هادی هر ماده یا ماده ای است که مسیری را برای جریان انرژی فراهم می کند. این بدان معنی است که الکتریسیته و جریان الکتریکی می توانند آزادانه در اطراف، داخل و از طریق یک هادی حرکت کنند. سیم نمونه خوبی از رسانای انرژی الکتریکی است . سیم ها وسایل برقی را به پریزهای برق در دیوار متصل می کنند. جریان الکتریکی ( الکترون ها ) از طریق سیم ها جریان می یابد تا دستگاه ها کار کنند. در یک قطار الکتریکی یا یک سیستم ریلی سبک، ریل ها در واقع رسانای برق هستند. جریان الکتریکی از طریق ریل ها می گذرد و قطار را به حرکت در می آورد. نمونه دیگری از هادی، حصار الکتریکی است. مردم از حصار برقی برای نگه داشتن حیوانات در داخل و خارج کردن غریبه ها از حیاط استفاده می کنند. حصارهای برقی دارای جریان الکتریکی قوی هستند که از سیم‌ها عبور می‌کند که می‌تواند به حیوان یا شخصی که آن را لمس می‌کند صدمه بزند.

نقطه مقابل هادی یک عایق است . عایق به هر ماده یا ماده ای گفته می شود که اجازه نمی دهد الکتریسیته یا جریان الکتریکی در آن جریان داشته باشد. عایق ها در ایمن نگه داشتن ما از جریان الکتریکی قوی مهم هستند. مهندسان برق از یک دستکش لاستیکی که عایق خوبی است برای محافظت از خود در برابر هر سیمی که لمس می کنند استفاده می کنند. شیشه، پلاستیک، لاستیک و چوب عایق های خوبی هستند که از ما در برابر جریان الکتریکی خطرناکی که از یک ماده یا وسیله ای که یک رسانا است محافظت می کند. پوشش های پلاستیکی یا لاستیکی روی سیم صفحه کلید، ماوس یا دوشاخه تلویزیون نمونه هایی از سیم های عایق هستند. عایق ها همچنین از تماس دو سیم با یکدیگر جلوگیری می کنند یا از تماس شخص با برق سیم جلوگیری می کنند.

ایمنی دلیل اصلی برای درک اینکه کدام مواد رسانای جریان الکتریکی هستند و کدام عایق هستند. به عنوان مثال، مهندسانی که جریان الکتریسیته را در سیم‌ها، پانل‌ها یا تجهیزات اندازه‌گیری می‌کنند، باید از عایق مناسب برای آزمایش تجهیزات استفاده کنند تا دچار شوک نشوند. برق گرفتگی می تواند بسیار خطرناک باشد. به همین دلیل است که ما هرگز یک قطعه فلز (یک هادی خوب) را به پریز دیواری نمی چسبانیم. مقدار جریان الکتریکی که از طریق فلز وارد بدن شما می شود می تواند واقعاً به شما آسیب برساند! مهندسان در هنگام طراحی تجهیزات الکتریکی در نظر دارند که چه قسمت هایی از تجهیزات خود نیاز به عایق بندی و چه قسمت هایی برای هدایت الکتریکی EC الکتریسیته دارند، بنابراین جریان الکتریکی در جهت درست جریان می یابد و تجهیزات به درستی کار می کنند.

یادت هست مدار چیست ؟ مدار مسیری است که جریان الکتریکی از آن عبور می کند. مهندسان برق از هادی ها برای اتصال عناصر در مدار استفاده می کنند، مانند لامپ به باتری. آیا می توانید چراغ قوه ای را تصور کنید که در آن جریان الکتریکی از باتری به لامپ نرسد؟ روشن نمی شود، که وقتی بیرون تاریک است چراغ قوه مفیدی نخواهد بود. امروز قصد داریم یک تستر هدایت الکتریکی EC بسازیم و سپس بسیاری از موارد را آزمایش کنیم تا ببینیم رسانا هستند یا عایق. این به ما کمک می کند تا کمی بیشتر در مورد چگونگی حرکت بار الکتریکی در مدار و اینکه مهندسان برای ایمن نگه داشتن ما باید در مورد الکتریسیته بدانند، بیشتر بدانیم.

روش ترنسمیتر EC

قبل از فعالیت

• مطالب را جمع آوری کنید و از کاربرگ تست هدایت الکتریکی EC کپی کنید .

با دانش آموزان

1. از کلاس بپرسید که آیا الکترون ها در همه مواد یکسان جریان دارند؟ تفاوت بین هادی ها و عایق ها را مورد بحث قرار دهید.
2. کلاس را به تیم های سه دانش آموز تقسیم کنید. تیم ها را هدایت کنید تا یک آزمایشگر هدایت الکتریکی EC بسازند (شکل 1 را ببینید).

• مجموعه لامپ را با قرار دادن یک لامپ کوچک 1.5 ولتی در نگهدارنده لامپ ایجاد کنید، که می تواند برای پایداری روی یک تکه چوب نصب شود.
• در هر انتهای باتری یک گیره کاغذ قرار دهید. از نوار لاستیکی برای نگه داشتن گیره های کاغذ در جای خود استفاده کنید.
• به هر گیره کاغذ یک سیم بچسبانید، مطمئن شوید که یا عایق از هر انتهای سیم که با گیره کاغذ تماس دارد برداشته شود، یا به جای سیم از گیره های تمساح استفاده کنید.
• یک سیم را از ترمینال باتری به مجموعه لامپ وصل کنید.
• سیم دوم را به انتهای دیگر باتری وصل کنید.
• سیم سوم را از انتهای باز مجموعه لامپ وصل کنید.
• انتهای آزاد سیم را دور دو بند انگشت فلزی با سر تمیز بپیچید.
• کتهای انگشت شست را محکم به پاک کن دو مداد فشار دهید تا پروب های آزمایشی ایجاد شود.
• مطمئن شوید که مدار با فشار دادن دو کاوشگر آزمایشی (پشت سرانگشتی) با هم کار می کند. اگر لامپ روشن نشد، مدار اشتباه ساخته شده است.

3. برای آزمایش یک شی، دو کاوشگر آزمایش را در انتهای مخالف هر جسم اعمال کنید. اگر لامپ روشن شود، جسم یک هادی است. اگر لامپ روشن نشود، آن شی یک عایق است. نکته: مطمئن شوید که دو کاوشگر تست را با هم لمس نکنید وگرنه خوانش نامعتبر است.

توضیح: در یک هادی جریان الکتریکی آزادانه جریان دارد. در یک عایق نمی تواند آزادانه جریان یابد. “رسانا” به این معنی است که الکترون های بیرونی اتم های موجود در ماده به طور سست متصل هستند و آزادانه در میان مواد حرکت می کنند. بیشتر اتم ها الکترون های خود را محکم نگه می دارند و عایق هستند.

4. از دانش آموزان بخواهید کاربرگ را تکمیل کنند. پس از تعریف هادی و عایق، نمودار را با فهرست کردن اینکه کدام اقلام آزمایشی رسانا و کدام یک عایق هستند (اشیاء ضعیف یا نارسانا) کامل کنید.
5. پسوند ریاضی: دو دایره با اندازه یکسان را از دو ورق کاغذ ساختمانی با رنگ های مختلف برش دهید (به طور همزمان برش دهید تا دقیقاً یک اندازه باشند). در مرحله بعد، هر دو دایره را (دوباره با هم برش دهید) به قطعات هم اندازه و به شکل پای برش دهید، با تعداد قطعات مختلف که مورد آزمایش قرار گرفته اند. از دانش‌آموزان بخواهید با استفاده از یک رنگ برای نشان دادن رساناهایی که آزمایش کرده‌اند و از رنگ دیگر برای نشان دادن عایق‌هایی که آزمایش کرده‌اند، یک دایره جدید با رنگ‌های ترکیبی ایجاد کنند. نام هر مورد آزمایشی را روی قطعه پای شکل آن بنویسید. دایره رنگ مخلوط حاصل راهی برای تجسم درصد برای هر دسته، هادی ها در مقابل عایق ها فراهم می کند.
6. پس از اتمام آزمایش، از تیم های دانش آموز بخواهید نتایج خود را با هم مقایسه کنند که کدام اشیاء آزمایشی رسانا و کدام یک عایق در نظر گرفته شده اند. از آنها بخواهید به دنبال الگوها باشند و نظریه ها را فرضیه کنند. به عنوان مثال: بیشتر فلزات رسانای الکتریکی خوبی هستند. اکثر غیر فلزات عایق های خوبی هستند
7. برای نتیجه‌گیری، از دانش‌آموزان بخواهید که به مثال‌های روزمره فکر کنند که در آن مواد، مانند مواردی که آزمایش کردند، به عنوان رسانا و عایق استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، پوشش های پلاستیکی خروجی دیوار، پوشش های کلید چراغ، سیم های فلزی در شاخه های با روکش های پلاستیکی، کابل های جامپر با دستگیره های پلاستیکی و پوشش های سیم و غیره.

واژگان / تعاریف ترنسمیتر EC

مدار: مسیری که جریان الکتریکی از آن عبور می کند.

رسانا: جسم یا ماده ای که امکان انتقال الکترون (الکتریسیته) را فراهم می کند.

جریان: حرکت الکترون ها.

انرژی الکتریکی: انرژی تولید شده از طریق حرکت الکترون ها (ولتاژ x جریان).

الکترون: یک ذره بسیار کوچک با بار منفی.

انرژی: توانایی انجام کار.

عایق: جسم یا ماده ای که مانع از انتقال الکترون ها (الکتریسیته) می شود.

مقاومت: جسم یا ماده ای که از عبور جریان الکتریکی ثابت جلوگیری می کند.

ارزیابی ترنسمیتر EC

ارزیابی قبل از فعالیت

بحث: از دانش آموزان بخواهید آنچه را که در مورد برق می دانند به خاطر بیاورند. آیا تا به حال یک شوک الکتریکی کوچک از یک پریز یا از شخص دیگری دریافت کرده اند؟ از آنها بخواهید مواردی را که برق می تواند برای مردم خطرناک باشد فهرست کنند.

طوفان فکری: در گروه های کوچک، از دانش آموزان بخواهید در بحث آزاد شرکت کنند. به آنها یادآوری کنید که هیچ ایده یا پیشنهادی “احمقانه” نیست. همه عقاید باید محترمانه شنیده شوند. موضعی غیرانتقادی بگیرید، ایده های وحشی را تشویق کنید و از انتقاد از ایده ها خودداری کنید. از دانش آموزان بخواهید که به نمونه هایی از مواد هادی و عایق فکر کنند. به عنوان یک کلاس، همه ایده ها را روی تخته ثبت کنید.

ارزیابی تعبیه شده فعالیت

کاربرگ / بررسی تیم ها: از تیم های دانش آموز بخواهید نتایج آزمون خود را در کاربرگ تست هدایت الکتریکی EC ثبت کنند . پاسخ ها و نتایج آنها را مرور کنید تا میزان تسلط آنها بر موضوع را بسنجید. پس از اتمام کاربرگ، از آنها بخواهید پاسخ ها را با سایر تیم های دانش آموز مقایسه کنند و به همه دانش آموزان زمان بدهید تا برگه را تمام کنند.

ابزار رتبه‌بندی: از دانش‌آموزان بخواهید برای مواردی که آزمایش کرده‌اند یک ابزار رتبه‌بندی ایجاد کنند. از آنها بخواهید اقلام را به ترتیب از بیشترین رسانا به کم رسانا (بهترین عایق) رتبه بندی کنند.

ارزیابی پس از فعالیت

بحث پایانی: پس از اتمام آزمایش و ارائه توضیحات، از تیم های دانش آموز بخواهید نتایج خود را با هم مقایسه کنند که کدام اجسام رسانا و کدام یک عایق در نظر گرفته شده اند. از آنها بخواهید به دنبال الگوها باشند و نظریه ها را فرضیه کنند. از دانش‌آموزان بخواهید به مثال‌های روزمره بیندیشند که در آن مواد، مانند موادی که آزمایش کردند، به عنوان رسانا و عایق استفاده می‌شوند.

مهندسین ایمنی: به دانشجویان بگویید که برای شرکت مهندسی کاملا ایمن کار می کنند. از آنها بخواهید یکی از تکالیف زیر را انجام دهند:

• فهرستی از موادی که عایق یا هادی هستند در آشپزخانه تهیه کنید. از آنها بخواهید یک بروشور برای جامعه محلی ایجاد کنند که توضیح دهد کدام یک از اقلام برای استفاده در اطراف وسایل برقی ایمن هستند و کدام یک نیستند.
• فهرستی از موادی که عایق یا رسانا هستند تهیه کنید. از آنها بخواهید یک بروشور طراحی کنند که استفاده از هادی ها را در انرژی الکتریکی، جایی که آنها را در سراسر جامعه پیدا کنید، و نحوه ایمن نگه داشتن خود را از شوک الکتریکی توصیف می کند.
• تصویری از یک لوازم خانگی بکشید و روی قسمت هایی از دستگاه که رسانا یا عایق هستند برچسب بزنید.
• یک دستگاه حمام جدید طراحی کنید. چگونه ایمنی برق را در نظر می گیرند؟ چه بخش هایی از دستگاه را با استفاده از موادی که رسانا هستند و کدام قسمت ها را با استفاده از موادی که عایق هستند طراحی می کنند؟

نکات عیب یابی ترنسمیتر EC

یک جایگزین برای این فعالیت مدارسازی این است که دانش آموزان مواد را برای خواص هدایت و عایق بودن آنها با استفاده از آب گرم به جای باتری، سیم و لامپ آزمایش کنند. آب را بجوشانید و اقلام غیر رسانا و رسانا را طوری در قابلمه قرار دهید که یکی از انتهای هر اقلام با آب داغ تماس نداشته باشد و در معرض هوای خنک قرار گیرد. از دانش‌آموزان بخواهید قبل از قرار دادن آن در گلدان با آب داغ دمای آن را اندازه‌گیری کنند و سپس از آن‌ها بخواهید دمای نوک شی‌ای را که از گلدان بیرون می‌آید اندازه‌گیری کنند. یک هادی باید افزایش چشمگیری در دما در نوک خشک داشته باشد زیرا گرما به راحتی از انتهایی که در آب گرم است منتقل می شود.

برنامه های افزودنی ترنسمیتر EC

برای اضافه کردن یک جزء ریاضی، مقدار ولتاژی که در هادی یا عایق حرکت می کند با یک مولتی متر یا ولت متر اندازه گیری کنید و نتایج را نمودار کنید.

از دانش‌آموزان بخواهید اقلامی را از خانه بیاورند و فرضیه‌ای را مطرح کنند که کدام هادی‌ها و عایق‌ها هستند. اقلام را با استفاده از تسترهای هدایت الکتریکی EC آنها آزمایش کنید.

برای دانشجویان پیشرفته تر، در مورد چگونگی ذخیره انرژی خازن ها و نقش آنها در فناوری های مهندسی بحث کنید.

از دانش‌آموزان بخواهید نقش مقاومت را در کابل‌های بزرگی که الکتریسیته را در سراسر کشور حمل می‌کنند (کابل‌ها از آلیاژی از فلزات ساخته شده‌اند که استحکام را با مقاومت کم ترکیب می‌کنند) یا در رشته‌های کوچک سیم نازک در یک لامپ (الکتریسیته باید به شدت فشار دهد) کشف کنند. از فیلامنت عبور کنید؛ این باعث می شود رشته آنقدر داغ شود که با نور سفید روشن می درخشد).

مقیاس بندی فعالیت ترنسمیتر EC

برای دانش‌آموزان جوان‌تر، ممکن است نصب آزمایش‌کننده‌های هدایت الکتریکی EC از قبل کمک کند. این فعالیت برای دانش‌آموزان جوان‌تر سرگرم‌کننده است تا بفهمند چه اقلامی رسانا یا عایق هستند.