دائرة كهربائية باستخدام المياه المالحة
نشاط STEM
المرحلة العمرية: الصف الثاني المتوسط
الوقت المطلوب للتنفيذ: 3 حصص دراسية
عدد الطلاب في كل مجموعة : 4
تكامل تخصصات STEM
العلوم: الدوائر الكهربائية – التوصيل على التوالي والتوازي-
قوانين الكهرباء.
الرياضيات: المعادلات الرياضية والصيغ الرياضية في قوانين الدائرة الكهربائية والقدرة على حل المعادلات وتمثيل البيانات بالرسم البياني. حساب النسب المئوية.
التقنية: استخدام الأدوات المتاحة لبناء وتصميم النموذج (أعواد خشبية – ورق قصدير – ملاعق بلاستيكية – أكواب بلاستيكية) تصميم العمل في مواقع تقنية مختلفة مثل Prezi وبوربوينت.
الهندسة: تطبيق النموذج باستخدام خطوات التصميم الهندسي والعمل كالمهندسين.
ملخص:
يقوم الطلاب ببناء دائرة مياه مالحة، وهي دائرة كهربائية تستخدم المياه المالحة كجزء من الدائرة. يبحث الطلاب في موصلية المياه المالحة، ويطورون فهمًا لكيفية تأثير كمية الملح في المحلول على مقدار التيار الكهربائي الذي يتدفق عبر الدائرة. يتعلمون عن تطبيق واحد في العالم الحقيقي لدائرة المياه المالحة - كأداة لمحطة تحلية المياه لاختبار إزالة الملح من مياه المحيط.
الارتباط الهندسي:
يقوم مهندسو الكهرباء بتصميم وبناء أنظمة كهربائية صغيرة وكبيرة الحجم. في الانضباط الفرعي لتصميم الدوائر في الهندسة الكهربائية، يستخدم المهندسون معرفتهم بموصلية المواد لتصميم لوحات الدوائر الكهربائية المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون وأفران التحميص وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الأخرى التي لا تعد ولا تحصى. يساعد فهم أخطار وفرص مزج الكهرباء والمياه المهندسين في تصميم أدوات قياس للسلامة بالإضافة إلى أدوات قياس إبداعية.
أهداف التعلم:
أن يعرف الطالب الفرق بين الدائرة الكهربائية على التوالي وعلى التوازي.
أن يجمع ويحلل البيانات باستخدام الصيغ الرياضية.
أن يذكر الفرق بين الموصلات والعوازل.
أن يبني ويصمم باستخدام الأدوات المتاحة.
معايير العلوم للجيل القادم NGSS :
مقدمة:
(قبل البدء ، اجمع المواد لإجراء عرض توضيحي للفصل الدراسي لدائرة المياه المالحة .أنشئ تركيزين من المياه المالحة ، أحدهما يسمح للمصباح بالتشغيل مع بقاء الضوء خافتًا والآخر محدد للسماح للضوء يجب أن يكون المصباح ساطعًا التركيزات المقترحة:
المحلول أ: 300 مل ماء و1 جرام ملح.
المحلول ب: 300 مل ماء و11 جرام ملح.
سيكون المحلول أ أغمق بكثير من المحلول ب).
هل تعتقد أنه يجب خلط الماء والكهرباء؟
(الجواب: عادة لا.)
ماذا لو كان بإمكانك مزج الماء والكهرباء بأمان؟
هل يمكنك التفكير في أي تقنيات رائعة يمكن أن تأتي من هذا؟
(امنح الطلاب بضع دقائق للتفكير).
اليوم، سنعمل على الإجابة عن هذا السؤال. في الواقع، سنقوم بربط الماء والكهرباء بطريقة خاصة آمنة.
هل قام أي شخص ببناء أي نوع من الدوائر الكهربائية من قبل؟ (توقف لإعطاء الطلاب دقيقة أو دقيقتين للتفكير في هذا.)
حسنًا، سنقوم اليوم ببناء دائرة مياه مالحة وسنقوم بفحص موصلية المياه المالحة. على وجه الخصوص، سوف نجيب على السؤال: "كيف تؤثر كمية الملح في دائرة المياه المالحة على التيار الكهربائي المتدفق عبر الدائرة؟"
سؤالنا سؤال علمي، لكن له أيضًا تطبيق هندسي. بعد كل شيء، الهندسة هي تطبيق الرياضيات والعلوم لإنشاء تقنيات تجعل العالم مكانًا أفضل. أحد التطبيقات الهندسية لهذا العلم هو تطوير أداة لاختبار كفاءة محطة تحلية المياه.
محطة تحلية المياه هي نظام يأخذ المياه المالحة وينتج مياه شرب نظيفة. إذا كان على المرء تصميم محطة لتحلية المياه، فيمكن دمج دائرة المياه المالحة كأداة للكشف عن وجود الملح في ناتج محطة تحلية المياه. إذا كانت دائرة المياه المالحة توصل الكهرباء، فإن المحطة لم تزيل كمية كبيرة من الملح ، وإذا لم تكن توصل الكهرباء ، فإن المصنع قد أزال كمية كبيرة من الملح من مدخلات المياه.
خاص بمعلم STEM
دائرة المياه المالحة - تتكون دائرة المياه المالحة من بطارية، وسلك ، ومصباح كهربائي، ومقبس مصباح كهربائي ، وإلكترودين (انظر الشكل 1). عندما يتم توصيل البطارية وتلامس الأقطاب الكهربائية معًا ، يكون لدينا دائرة مغلقة وتتدفق الإلكترونات من الطرف الموجب للبطارية إلى الطرف السالب للبطارية. يؤدي هذا التدفق إلى إضاءة المصباح الكهربائي. عندما لا تتلامس الأقطاب الكهربائية ، تكون الدائرة "مفتوحة" ولا تتدفق الإلكترونات ؛ هذا يسمى الدائرة المفتوحة. في دائرة المياه المالحة لدينا، تعمل الأقطاب الكهربائية كمفتاح.
إذا قمت بغمر الأقطاب الكهربائية في ماء الصنبور العادي، فلن يتم تشغيل المصباح الكهربائي نظرًا لعدم وجود وسيط لنقل الإلكترونات من جانب واحد من الماء إلى الجانب الآخر. ولكن إذا غمرت الأقطاب الكهربائية في الماء المالح، فسيتم تشغيل المصباح الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر كمية الملح في محلول الماء المالح على مقدار تدفق التيار عبر الدائرة ، وبالتالي ، مدى سطوع المصباح الكهربائي.
شكل 1
لماذا تعمل دائرة المياه المالحة؟
الأيون ذرة لها شحنة كهربائية موجبة أو سالبة. تتكون جزيئات الملح من الصوديوم والكلور. عندما يدخل الملح إلى الماء، يتسبب الماء في تفكك ذرات الملح والصوديوم والكلوريد وجعل بلورات الملح تبدأ في الاختفاء. نتيجة لذلك، يتكون أيون الصوديوم وأيون الكلور. ينقص أيون الصوديوم إلكترونًا، مما يعطيه تغيرًا إيجابيًا. يحتوي أيون الكلور على إلكترون إضافي، مما يمنحه شحنة سالبة.
عندما يتم تطبيق جهد كهربائي، تنجذب أيونات الصوديوم موجبة الشحنة إلى القطب السالب وتنجذب أيونات الكلور سالبة الشحنة إلى القطب الموجب. تحمل هذه الأيونات الكهرباء عبر الماء. يتمثل جوهر العملية المذكورة أعلاه في تكوين "سلك غير مرئي" يسمح للإلكترونات بالانتقال من أيون إلى أيون عبر الماء.
قبل النشاط اجمع المواد.
قطع ما يكفي 6-10 سم من القطع النحاسية المعزولة بحيث تحتوي كل مجموعة على أربع قطع. قم بطباعة بطاقات المياه المالحة المرفقة وقطعها ، بما يكفي بحيث يكون لديك بطاقة واحدة لكل مجموعة (يحتوي الملحق المكون من صفحتين على 20 بطاقة مختلفة ، كل منها توفر قياسات الملح والماء لعمل ثلاثة حلول مختلفة لتركيز المياه المالحة).
قم بعمل نسخ من ورقة عمل المياه المالحة (بدون مقياس متعدد)
أو ورقة عمل دائرة المياه المالحة (بالمتر المتعدد) ، واحدة لكل مجموعة ، اعتمادًا على ما إذا كانت أجهزة القياس المتعددة متاحة للاستخدام أم لا.
قسّم الفصل إلى مجموعات من اثنين أو ثلاثة طلاب في كل مجموعة
النشاط الخاص بالدرس:
الأدوات المطلوبة لكل مجموعة:
· 2 عصي مصاصة كبيرة خشبية (متوفرة في متاجر الحرف اليدوية)
· 4 قطع من الأسلاك النحاسية المعزولة ، طول كل منها (10-15 سم)
· 3 أكواب بلاستيكية حجم (473 مل)
· 2 ملاعق بلاستيكية
· بطارية 9 فولت
· غطاء البطارية، عادةً مع أسلاك حمراء وسوداء.
· مصباح كهربائي 3. فولت .
· 1 مقبس لمبة إضاءة مصغر
· حماية العين (نظارات واقية أو نظارات السلامة) (اختياري)
· خيوط من الصوف متعددة المقاييس
· أوراق العمل
خطوات العمل:
1. قم بلف قطعتين كبيرتين من المصاصة في ورق ألومنيوم (انظر الشكل 1-اليسار). هذه هي أقطابك الكهربائية.
2. قم بتوصيل سلك واحد لكل قطب كهربائي باستخدام شريط كهربائي. تأكد من أن الطرف المكشوف من السلك يلامس ورق الألمنيوم (انظر الشكل 1-اليسار).
شكل 1
3. قم بتوصيل الطرف المقابل من السلك من قطب كهربائي إلى طرف واحد من مقبس المصباح الكهربائي. أدخل السلك العاري حول طرف المقبس واربطه بمفك البراغي. أضف قطعة من الشريط الكهربائي لتأمين الاتصال (انظر الشكل 1-يمين).
4. قم بتوصيل سلك بالطرف المقابل لمقبس المصباح الكهربائي. شد مرة أخرى بمفك البراغي وغطيه بقطعة من الشريط الكهربائي (انظر الشكل 1-يمين).
شكل 1
5. استخدم شريطًا كهربائيًا لتوصيل السلك من مقبس المصباح الكهربائي بالسلك الأحمر لغطاء البطارية 9 فولت (انظر الشكل 2-اليسار).
6. استخدم شريطًا كهربائيًا لتوصيل سلك بالسلك الأسود الخاص بغطاء البطارية 9 فولت (انظر الشكل 2-اليسار).
شكل 2
7. في حالة استخدام مقياس متعدد: قم بتوصيل السلك الحر بالطرف السالب للمقياس المتعدد. ثم قم بتوصيل الطرف الموجب للمقياس المتعدد بالإلكترود الحر (انظر الشكل 2 في المنتصف).
8. في حالة عدم استخدام مقياس متعدد: استخدم شريطًا كهربائيًا لتوصيل السلك الحر لغطاء البطارية بالإلكترود الحر (انظر الشكل 2 - اليمين).
9. اختبر دائرتك عن طريق لمس القطبين معًا. هذا يكمل الدائرة ، مما يسمح للكهرباء بالتدفق من أحد طرفي البطارية إلى الطرف الآخر ، ويضيء المصباح الكهربائي في هذه العملية. إذا لم يضيء المصباح ، فتحقق من توصيلات الأسلاك للتأكد من أنها كلها آمنة وحاول مرة أخرى. (انظر الشكل 3.)
شكل 2
مع الطلاب - الحلول وجمع البيانات والتحليل:
1. وزع ورقة عمل دائرة المياه المالحة وبطاقات المياه المالحة لكل مجموعة.
2. وجه الفرق لاستخدام المعلومات المقدمة على البطاقة لعمل ثلاثة حلول مختلفة للمياه المالحة. قم بتسمية الأكواب A، B ، C ، من الأعلى إلى الأقل تركيز الملح.
اطلب من الطلاب حساب الكثافة (الكتلة / الحجم) لكل مزيج وتسجيله في الجدول 1 من ورقة العمل.
3. جمع البيانات اطلب من الطلاب إدخال كلا القطبين في محلول ماء مالح واحد (بدون لمس الأقطاب الكهربائية) ولاحظ مدى سطوع المصباح الكهربائي وتسجيل القراءة الحالية من جهاز القياس المتعدد. (في حالة عدم توفر أجهزة القياس المتعددة ، يكفي إجراء ملاحظة بصرية.)
قم بتسجيل القياسات و / أو الملاحظات في أوراق العمل.
4. تحليل البيانات رتب الحلول من الأغمق إلى الأكثر سطوعًا عن طريق الملاحظة المرئية.
5. (في حالة استخدام المتر المتعدد) بمجرد ترتيب الحلول ، اطلب من الطلاب رسم قراءات التيار الكهربائي مقابل الكثافة
. 6. اطلب من الطلاب أن يحسبوا النسبة المئوية لكتلة المحلول وهي الملح [(كتلة الملح / الكتلة الكلية للملح والماء) * 100٪].
7. اختتم النشاط بجعل الطلاب يكملون ورقة عمل التفكير، كما هو موضح في قسم التقييم.
مقطع فيديو يوضح التجربة:
المهام الإضافية أثناء تنفيذ الدرس :
اسأل الطلاب:
أسئلة للمناقشة:
هل يعني المزيد من الملح في دائرة المياه المالحة أن المصباح الكهربائي سيكون أكثر إشراقًا مما لو تم استخدام ملح أقل؟ (الإجابة: نعم ، إذا قمت بزيادة كمية الملح في محلول الماء المالح ، فإن المصباح الكهربائي يصبح أكثر إشراقًا.) هل تعتقد أنه يمكنك الاستمرار في إضافة الملح وجعل المصباح أكثر إشراقًا ، أم أن هناك نقطة لا يؤثر فيها الملح الزائد على سطوع المصباح؟ (الإجابة: في النهاية ، لن يتسبب أي ملح إضافي في زيادة سطوع المصباح الكهربائي. فقط الكثير من التيار الكهربائي يمكن استخلاصه من مصدر بطارية لدائرة كهربائية معينة.)
أوراق العمل:
Saltwater Circuit Presentation (pptx)
Saltwater Circuit Presentation (pdf)
Saltwater Circuit Worksheet without Multimeter (docx)
Saltwater Circuit Worksheet without Multimeter (pdf)