نشاط
صناعة مغناطيس كهربائي!
نظرة عامة
تقوم فرق الطلاب بالتحقيق في خصائص المغناطيس الكهربائي.
يقومون بإنشاء مغناطيسات كهربائية صغيرة خاصة بهم ويجرون تجارب على كيفية تغيير قوتها لامتصاص المزيد من دبابيس الورق.
يتعلم الطلاب عن الطرق التي يستخدمها المهندسون المغناطيسات الكهربائية في التطبيقات اليومية.
الارتباط الهندسي:
يقوم المهندسون بتصميم المغناطيسات الكهربائية، والتي تعتبر جزءًا أساسيًا من المحركات. المحركات الكهرومغناطيسية هي جزء كبير من الحياة اليومية، بالإضافة إلى الصناعات والمصانع. قد لا ندرك حتى أننا نتفاعل مع المغناطيسات الكهربائية يوميًا حيث نستخدم مجموعة متنوعة من المحركات لتسهيل حياتنا. الأجهزة الشائعة التي تستخدم محركات كهرومغناطيسية تشمل: الثلاجات، وأجهزة تجفيف الملابس، والغسالات، وغسالات الصحون، ومكانس كهربائية، وآلات الخياطة، ، وأجراس الأبواب، وأجهزة الحاسوب، وطابعات الكمبيوتر، والساعات، والمراوح، وبدايات السيارات، ومحركات ممسحة الزجاج، وفرشاة الأسنان الكهربائية، وأجهزة حلاقة كهربائية، ، ومكبرات الصوت، وأجهزة تشغيل الموسيقى ، وغيرها.
أهداف التعلم
بعد هذا النشاط، يجب أن يكون الطلاب قادرين على:
1. ربط بين التيار الكهربائي وإنشاء مجال مغناطيسي.
2. وصف كيفية صنع المغناطيس الكهربائي.
3. التحقيق في طرق تغيير قوة المغناطيس الكهربائي.
4. سرد العديد من العناصر التي صممها المهندسون باستخدام المغناطيسات الكهربائية.
تكامل تخصصات STEM في نشاط بناء مغناطيس كهربائي :
العلوم (Science): يتعين على الطلاب فهم المفاهيم العلمية المتعلقة بالمغناطيسية، والقوى الكهربائية، والمواد الموصلة وعوازلها.
2. التكنولوجيا (Technology): يتضمن هذا النشاط استخدام التكنولوجيا لإنشاء واختبار المغناطيس الكهربائي، ويمكن أن يشمل أيضًا استخدام البرمجة والمحاكاة لتحسين الأداء.
3. الهندسة (Engineering): يتعين على الطلاب تصميم وبناء المغناطيس الكهربائي بناءً على مبادئ الهندسة، بما في ذلك حساب الأبعاد واختيار المواد.
4. الرياضيات (Mathematics):يشمل حساب التيار الكهربائي والقوى المغناطيسية باستخدام الرياضيات، مما يتطلب مهارات حسابية متقدمة.
عادات العقل المنتجة:
1. التفكير التصميمي (Design Thinking):تشمل هذه العادة التفكير بشكل إبداعي ومنهجي في مراحل تصميم وإنشاء المغناطيس الكهربائي. يمكن تحقيق ذلك من خلال تحليل المشكلة بعمق والبحث عن حلول مبتكرة.
2. التفكير العلمي (Scientific Thinking): يتضمن هذا النهج القائم على الأدلة والتجارب. يجب على الطلاب تحليل النتائج واستخدام المنهج العلمي لفهم العلاقات بين مختلف العوامل المؤثرة على المغناطيس الكهربائي.
3. التفكير النقدي (Critical Thinking): هذه العادة تشمل تقدير الأدلة وتقييم المعلومات بنقدية. يجب على الطلاب الاعتماد على التفكير النقدي لفحص وتحليل القرارات والاختيارات أثناء عملية البناء.
4. التفكير الهندسي (Engineering Thinking): يتعين على الطلاب تطبيق مفاهيم الهندسة والتصميم في تحليل المشكلة وبناء المغناطيس الكهربائي بأمان وكفاءة.
5. التعاون والتواصل (Collaboration and Communication):تعزز هذه العادة من تبادل المعرفة والأفكار مع فريق العمل. القدرة على التواصل بفعالية والعمل بشكل جماعي تلعب دورًا مهمًا في نجاح المشروع.
مهارات القرن الواحد والعشرين في هذا الدرس
1. التفكير النقدي وحل المشكلات: القدرة على تحليل المشكلات واستخدام التفكير النقدي في تطبيق المفاهيم والمعرفة لحل التحديات التقنية المعقدة.
2. الابتكار والإبداع: تشجيع الطلاب على تطوير أفكار جديدة ومبتكرة في تصميم وإنشاء المغناطيس الكهربائي.
3. التكنولوجيا والبرمجة: تعلم استخدام التكنولوجيا والبرمجة في تصميم وتحكم المغناطيس الكهربائي، وهذا يشمل مهارات البرمجة واستخدام الأدوات التقنية.
4. التعلم الذاتي واكتساب المعرفة: تشجيع الطلاب على البحث الذاتي واكتساب المعرفة من خلال دراسة المفاهيم المتعلقة بالمغناطيس والكهرباء.
5. التعاون والعمل الجماعي: تنمية مهارات التعاون والعمل كفريق في إنشاء المغناطيس الكهربائي، مما يعزز القدرة على التعاون في بيئة عمل متعددة التخصصات.
6. الاتصال الفعال: تعلم كيفية التواصل بفعالية مع أفراد الفريق وتوجيه الأسئلة والمشاركة في مناقشات بناءة حول المشروع.
7. الاستدامة والوعي بالبيئة: فهم تأثير تكنولوجيا المغناطيس الكهربائي على البيئة وتعزيز الوعي بأهمية الاستدامة.
قائمة المواد
كل مجموعة تحتاج إلى:
- مسمار بطول 3 بوصات (حوالي 7.6 سم) أو أطول (مصنوع من الزنك أو الحديد أو الصلب، ولكن ليس الألومنيوم).
- سلك نحاسي عازل بطول 2 قدم (حوالي 0.6 متر) على الأقل بقياس AWG 22 أو أعلى.
- بطارية D-cell.
- عدد من دبابيس الورق أو دبابيس صغيرة أو دبابيس.
- حلقة مطاطية واسعة.
- ورقة العمل لبناء المغناطيس الكهربائي.
(Note: AWG هو اختصار للنظام الأمريكي لتصنيف الأسلاك الكهربائية ويُستخدم لتحديد حجم السلك.)
لكل محطة للمجال الكهرومغناطيسي:
- أسطوانة ورق المرحاض ( الانبوب )
- سلك نحاسي عازل بقياس AWG 22 أو أعلى بعدة أقدام (حوالي متر واحد).
- قطعة من الورق المقوى بحجم حوالي 5 × 5 بوصة (حوالي 13 × 13 سم).
- مشابك أو أقواس ملابس (اختياري).
- شريط لاصق (ماسكنج تيب).
- حلقة مطاطية.
- 2-3 بطاريات D-cell.
- بطارية 9 فولت.
- عدد من دبابيس الورق ودبابيس أو دبابيس صغيرة.
- بطاريات إضافية إذا كانت متاحة: 6 فولت، 12 فولت، بطاريات المصباح (حسب الاحتياج).
- شريط كهربائي (اختياري).
- 2 بوصلتي توجيه صغيرتين.
المعرفة السابقة المطلوبة
يجب أن يكون لديهم معرفة بالقوى المغناطيسية (أقطاب وقوى الجذب).
مقدمة / تحفيز
اليوم، سنتحدث عن المغناطيسات الكهربائية وسنقوم بصنع مغناطيسات كهربائية خاصة بنا! أولاً، هل يمكن لأحد أن يخبرني ما هي المغناطيسات الكهربائية؟ (استمع إلى أفكار الطلاب.) حسنًا، اسم المغناطيس الكهربائي يساعدنا في معرفة ما هو. (قم بكتابة كلمة "مغناطيس كهربائي" على لوحة الصف لرؤية الطلاب.) دعونا نفحصها. الجزء الأول من الكلمة، إلكترو، يبدو وكأنه كلمة كهرباء. الجزء الثاني من الكلمة، مغناطيس، هو بالضبط ما يبدو عليه - مغناطيس! لذا، المغناطيس الكهربائي هو مغناطيس يتم إنشاؤه بواسطة الكهرباء.
الشيء المهم حقًا اليوم هو أن الكهرباء يمكنها إنشاء مجال مغناطيسي. قد يبدو هذا غريبًا، لأننا معتادون على أن المجالات المغناطيسية تأتي فقط من المغناطيسات، ولكنه حقيقي تمامًا! سلك يحمل تيارًا كهربائيًا ينشئ مجالًا مغناطيسيًا. في الواقع، أبسط مغناطيس كهربائي هو سلك واحد يلف حول نفسه ويحمل تيارًا كهربائيًا. المجال المغناطيسي الذي يولده السلك الملفوف يشبه المغناطيس العادي. إذا قمنا بتمرير قضيب حديدي (أو نيكل، أو كوبالت، إلخ)، مثل مسمار، عبر وسط الملف (انظر الشكل 1)، يصبح القضيب نفسه المغناطيس، ويخلق مجالًا مغناطيسيًا. من أين نحصل على الكهرباء لمغناطيس كهربائي؟ حسنًا، يمكننا الحصول على هذه الكهرباء بعدة طرق، مثل من البطارية أو من مأخذ الحائط.
يمكننا جعل هذا المجال المغناطيسي أقوى عن طريق زيادة كمية التيار الكهربائي الذي يمر عبر السلك، أو يمكننا زيادة عدد لفات السلك في الملف للمغناطيس الكهربائي. ماذا تعتقدون سيحدث إذا قمنا بفعل هذين الشيئين معًا؟ بالضبط! سيصبح مغناطيسنا أقوى بكثير!
المهندسون يستخدمون المغناطيسات الكهربائية عند تصميمهم وبناءهم للمحركات. المحركات تُستخدم حولنا يوميًا، لذا نتفاعل مع المغناطيسات الكهربائية دائمًا دون أن ندرك ذلك! هل يمكنكم أن تفكروا في بعض المحركات التي استخدمتموها؟ (إجابات ممكنة: غسالة ملابس، غسالة صحون، فتاحة علب، مطحنة القمامة، آلة الخياطة، طابعة الكمبيوتر، مكنسة كهربائية، فرشاة الأسنان الكهربائية، مشغل الأقراص المدمجة (CD)، مشغل أقراص الفيديو الرقمية (DVD)، مشغل شرائط الفيديو VCR، الكمبيوتر، الحلاقة الكهربائية، لعبة كهربائية (مثل السيارات بالتحكم عن بعد أو الدمى المتحركة)، إلخ.)
الإجراءات
قبل النشاط:
1. اجمع المواد واصنع نسخًا من ورقة العمل "بناء مغناطيس كهربائي".
2. نصب محطات الحقل الكهرومغناطيسي الكافية لاستيعاب فرق مؤلفة من طالبين في كل محطة.
بديلًا، يمكن تنفيذ كل جزء من النشاط كعروض صفية قادها المعلم.
التحضير لمحطات الحقل الكهرومغناطيسي:
1. قم بلف السلك حول أسطوانة ورق المرحاض الكرتونية 12-15 مرة لإنشاء حلقة سلك.
2. اترك طرفي سلك طويلين من اللفة.
2. قم بعمل أربعة ثقوب في الورق المقوى. ادخل طرفي السلك من خلال الثقوب في الورق بحيث يتم تثبيت أسطوانة الورق المرحاض واللفة في الورق المقوى (انظر الشكل 2).
3. استخدم مشابك الملابس أو الإمساكات أو الشريط لتثبيت الورق المقوى على الطاولة أو المكتب.
4. باستخدام شريط ماسكنج أو حلقة مطاطية، اربط أحد أطراف السلك بأي بطارية، مع الاحتفاظ بالطرف الآخر من السلك غير المتصل بالبطارية.
5. ضع بعض الدبابيس أو دبابيس الورق أو الدبابيس في المحطة. كما يمكنك وضع أي بطاريات إضافية متاحة (6 فولت، 12 فولت، إلخ) واثنين من البوصلات الصغيرة للتوجيه في هذه المحطة.
التحضير لبناء مغناطيس كهربائي:
لهذا الجزء من النشاط، يمكن إعداد المواد في محطة واحدة أو تقديمها لأزواج من الطلاب للعمل بها على مكاتبهم.
احتفظ بعدد قليل من البطاريات الإضافية للطلاب لاختبار مغناطيساتهم الكهربائية الخاصة. يمكن أن تتضمن هذه البطاريات بطاريات 9 فولت. يمكنك إعداد بطارية 3 فولت عن طريق توصيل 2 بطاريات D-cell بتوالي أو بطارية 4.5 فولت عن طريق توصيل 3 بطاريات D-cell بتوالي.
قم بقص قطعة واحدة بطول 2 قدم (حوالي 0.6 متر) من السلك لكل فريق. باستخدام مزيل العزل عن الأسلاك، اقطع حوالي ½ بوصة (حوالي 1.3 سم) من العزل من كل طرف لكل قطعة من السلك.
مع الطلاب: محطات الحقل الكهرومغناطيسي
1. قسّم الصف إلى أزواج من الطلاب وقدم ورقة العمل واحدة لكل فريق.
2. استنادًا إلى إعداد النشاط السابق (انظر الشكل 2)، حيث تكون أحد أطراف السلك الملفوف متصلة بأحد أطراف البطارية، قدم للطلاب توصيل الطرف الآخر من السلك بالبطارية باستخدام الشريط أو الحلقة المطاطية.
3. للعثور على المجال المغناطيسي للمغناطيس الكهربائي، اوجه الطلاب إلى تحريك البوصلة بشكل دائري حول المغناطيس الكهربائي، مع الانتباه إلى الاتجاه الذي تشير إليه البوصلة (انظر الشكل التالي). اوجه الطلاب إلى رسم البطارية واللفة والمجال المغناطيسي على ورقة العمل. استخدم السهام لعرض المجال المغناطيسي. قم بتسمية الأطراف الإيجابية والسلبية للبطارية وأقطاب المجال المغناطيسي. ماذا يحدث إذا قمت بتعليق دبوس الورق من دبوس الورق آخر قرب اللفة (الإجابة: يتحرك دبوس الورق المعلق، ويغير اتجاهه و/أو يتذبذب.)
من ثم، قم بعكس توصيل المغناطيس الكهربائي عن طريق تغيير كل طرفي السلك إلى الأطراف المعاكسة للبطارية. (عند عكس اتجاه التيار في لفة أو مغناطيس كهربائي، تعكس أقطاب المغناطيس - القطب الشمالي يصبح القطب الجنوبي، والقطب الجنوبي يصبح القطب الشمالي.) استخدم البوصلة للتحقق من اتجاه المجال المغناطيسي. ارسم رسمًا ثانيًا. اعلق دبوس الورق بالقرب من اللفة مرة أخرى. ماذا يحدث؟ (الإجابة: مرة أخرى، يتحرك دبوس الورق المعلق، ويغير اتجاهه و/أو يتذبذب.)
قم بإزالة أحد أطراف السلك على الأقل عن البطارية للتوفير في استهلاك البطارية.
إذا كان هناك وقت كاف، استخدم بطاريات مختلفة ولاحظ أي تغييرات. الجهد الكهربائي الأعلى يترجم إلى تيار أعلى، ومع المزيد من التيار، يصبح المغناطيس الكهربائي أقوى.
مع الطلاب: بناء مغناطيس كهربائي
تأكد من أن لديك لكل زوج من الطلاب المواد التالية: 1 مسمار، 2 أقدام (حوالي 0.6 متر) من السلك المعزول، 1 بطارية D-cell، عدد من دبابيس الورق (أو دبابس أو دبابيس)، وحلقة مطاطية.
قم بلف السلك حول المسمار على الأقل 20 مرة (انظر الشكل التالي). تأكد من أن الطلاب يلفون المسمار بإحكام، دون ترك فجوات بين الأسلاك ودون تداخل اللفات.
امنح الطلاب عدة دقائق لمعرفة ما إذا كانوا يمكنهم إنشاء مغناطيس كهربائي بمفردهم قبل أن تعطيهم باقي التعليمات.
لمتابعة عملية صنع المغناطيس الكهربائي، قم بتوصيل أطراف السلك الملفوف بكل من طرفي البطارية باستخدام الحلقة المطاطية لتثبيت الأسلاك في مكانها (انظر الشكل التالي).
اختبار قوة المغناطيس الكهربائي من خلال معرفة كم عدد دبابيس الورق التي يمكن أن يلتقطها.
سجل عدد دبابيس الورق على ورقة العمل.
افصل السلك عن البطارية بعد اختبار المغناطيس الكهربائي. هل يمكن للمغناطيس الكهربائي أن يلتقط دبابيس الورق عند فصل التيار الكهربائي؟
(الإجابة: لا)
اختبار كيف يؤثر تنويع تصميم المغناطيس الكهربائي على قوته. العاملين لتعديلهما هما عدد اللفات حول المسمار والتيار في السلك الملفوف من خلال استخدام حجم أو عدد مختلف من البطاريات. للحفاظ على طاقة البطارية، تذكر دائمًا فصل السلك عن البطارية بعد كل اختبار.
أكمل ورقة العمل وقم بإعداد قائمة بالطرق التي يمكن أن يستفيد منها المهندسون باستخدام المغناطيسات الكهربائية.
فيديو العمل :
https://youtu.be/raq6pjafNKQ?si=ZaeFhDkY_selkY5j
ورقة عمل 1 :
ورقة عمل 1 ( الاجابات ) :