Защо хората не могат да живеят на Луната? И каква е причината космонавтите да носят специални костюми, когато я посещават? Много деца си мечтаят някой ден да станат космонавти, тласкани от любопитство към непознатия и безкраен Космос. Малцина обаче успяват да си представят колко са сурови условията там и колко трудна задача е оцеляването. Много от ежедневните дейности на хората на Земята се оказват същинско предизвикателство на Луната. Ходенето, дишането и дори пиенето на вода се оказват трудно постижими. Как можем да се справим с ограниченията на тази така негостоприемна среда?

Да открием заедно с този лесен STEM проект!

Същност на проекта

В този STEM проект учениците създават лунен термос, който ще поддържа относително постоянна температура на водата при екстремните температури на лунната повърхност. За целта те изследват принципа на работа на изолаторите и използват комбинация от различни материали за изработването на термос. Той трябва да поддържа температурата на 100 мл. гореща или студена вода в рамките на 3 градуса по Целзий в продължение на пет минути. Следвайки основните стъпки в инженерния процес, учениците идентифицират най-подходящите материали за изработването на термоса, създават прототип и тестват неговото представяне. Температурата на водата се отчита на всеки 30 секунди в продължение на пет минути. На базата на получените резултати се генерират идеи за подобряване на дизайна. Измерените стойности се представят във вид на линейна графика. 

Цели по предметно знание

В работата по този STEM проект са заложени следните учебни цели:

  • дефиниране на понятията топлина и температура;
  • даване на примери за различни видове изолатори;
  • илюстриране прехода на енергията от един вид в друг;
  • измерване на различни физични величини;
  • създаване на линейна графика;
  • сравняване на промените в температурата на водата при използването на различни изолационни материали;
  • създаване на модел на термос, който може да запази температурата на водата относително постоянна в рамките на пет минути;
  • аргументиране на избрания дизайн.

Цели по ключови умения

  • развиване на критичното мислене посредством изработване на дизайн, отговарящ на определени критерии; откриване на слабите страни на модела и модифициране;
  • подобряване на аналитичното мислене, чрез откриване на връзката между дизайна и представянето му;
  • създаване на условия за работа в екип в процеса на изследване, критично обсъждане на работния процес и интегриране на обратна връзка.

Времетраене

Основните дейности по проекта могат да бъдат проведени в рамките на 1 или 2 учебни часа.

Необходими материали

За този STEM проект учениците ще имат нужда от следните материали:

  • пластмасови, стъклени или картонени чаши - по 2 за всяка работна група;
  • градуирани цилиндри - по един на група;
  • хронометър (може да се използва телефон);
  • термометър - по един за всяка група;
  • изолационни материали по избор - хартиени листове, алуминиево фолио, плат, стреч фолио, стиропор, пясък, дървени стърготини;
  • тиксо;
  • термос с гореща вода;
  • цветни химикалки;
  • ледени кубчета;
  • фолио с балончета;
  • работен лист за запазване на енергията;
  • работен лист за създаване на инженерен дизайн.

Теоретична постановка

На Луната няма атмосфера, така че температурите варират в много широк диапазон. В сенчестите зони температурата може да падне до -180°C (или -300°F), а в слънчевите зони може да достигне около 100°C (или 212°F). На сянка водата замръзва, а на слънце - кипи. Тези амплитуди са твърде големи за човешкия организъм, който в по-голямата си част е изграден от вода. Освен това има петна на Луната, които са постоянно изложени на слънцето, а други са постоянно в сянка. Всеки, който попадне на Луната - дори и за кратко - ще трябва да се справи с тези температури и да бъде защитен по подходящ начин от суровите условия на средата. При проектирането на космически костюми, инженерите комбинират защитни слоеве от различни материали, създавайки своеобразен термос, който пази човешкото тяло от загубата на топлина или прегряване.

Топлината е вид енергия, която се предава от по-топла към по-студена система, когато двете системи са в контакт. Енергията не се създава или разрушава, тя може само да преминава от един вид в друг или от една система в друга.

Температурата е сходно, но различно понятие. Тя е мярка за средната кинетична енергия на атомите или молекулите в системата. Колкото по-голямо количество топлинна енергия е генерирал даден обект, толкова по-голяма е кинетичната енергия на градивните му частици, респективно и температурата. За да се предотврати преносът на топлинна енергия и промяна на температурата, могат да се използват различни изолатори, например стъкло, дърво, пластмаса, стиропор, въздух и др.

Ход на проекта

Подготовка

  1. За този STEM проект ще ви бъде необходим термос с гореща вода или кана за затопляне на вода с вместимост около 1 литър, както и ледени кубчета.
  2. Пригответе набор от различни изолационни материали, които учениците могат да използват за изработването на своите лунни термоси.

Ангажиращо въведение

  • Проучете какви са условията за живот на Луната и какви ограничения създават те за космонавтите. За целта можете да използвате образователни видеа, които да покажете на учениците или да им възложите сами да открият информация в интернет. На база направените проучвания поставете изисквания към дизайна на лунните термоси.
  • Обсъдете с учениците същността и начина на функциониране на изолаторите. Потърсете примери от ежедневието, които хората използват за ограничаване преноса на топлина.
  • Раздайте на всички по един работен лист за запазване на енергията, в който да записват наблюденията си и получените резултати от тестовете.
  • За да помогнете на учениците да разберат как се придвижва топлинната енергия и как това повлиява на температурата на системата, поставете ги в ролята на молекули. На открито пространство накарайте учениците да стоят близо един до друг. След това ги помолете да се поклащат, да движат ръце и да правят малки стъпки встрани, демонстрирайки топлинна енергия, навлизаща в системата. Добавете още повече топлинна енергия в системата, като възложите на учениците да започват да се движат по-бързо и да скачат нагоре - надолу. Засечете 10-20 секунди и кажете на учениците да спрат да се движат и да забележат къде са застанали. Те вероятно се намират по-далеч един от друг и се чувстват по-топли, отколкото в началото. Внасянето на топлинна енергия повишава кинетичната енергия на движение на молекулите, респективно температурата.  Учениците записват в работните листове каква е разликата между понятията топлина и температура.
  • След това всеки ученик трябва да нарисува по два лунни пейзажа в своя работен лист - единият трябва да изобразява човек, стоящ на засенчена част от Луната, а другият - човек, стоящ на осветена част от Луната. Във всеки от двата пейзажа се отбелязва температурата на въздуха и температурата на човешкото тяло. Със стрелки се обозначава преносът на топлината. Какви изводи могат да бъдат направени за движението на енергията? Учениците ги записват в работните листове за запазване на енергията.

Изпълнение

  • Разделете учениците в групи по трима или четирима.
  • За начало всеки екип трябва да провери как се променя температурата на 100 мл. гореща вода, без наличието на изолационен материал. За целта поставят термометър в чашата с гореща вода и отчитат температурата на всеки 30 секунди в продължение на пет минути. Получените резултати се записват в работния лист.
  • През това време 1 литър вода се изстудява с помощта на кубчета лед.
  • Когато учениците са готови с теста на горещата вода, те трябва да повторят експеримента, като този път групите налеят в чашите си по 100 мл. ледено студена вода. Резултатите се записват в работните листове.
  • На база направените наблюдения всяка група трябва да проектира „Лунен термос“, който може да поддържа чаша студена вода и чаша гореща вода при постоянна температура за 5 минути. Допустимото отклонение от първоначалната температура е 3 градуса по целзий.
  • Преди да започнат работа по конструирането, раздайте на всеки ученик по един работен лист за създаване на инженерен дизайн. В него учениците могат да запишат изискванията към дизайна на термоса, както и идеите, които имат за изработването му. 
  • Осигурете на учениците различни изолационни материали, които могат свободно да комбинират. Когато са готови със своите прототипи, учениците трябва да ги тестват по вече изпробвания метод. Получените резултати се записват в работния лист за запазване на енергията.
  • Подгответе учениците за възможността от провал на техните прототипи и ги насърчете да търсят причини за представяне на лунните си термоси. Могат ли да бъдат подобрени дизайните? Откритите плюсове и минуси на прототипите се записват в работния лист за изработване на инженерен дизайн.
  • След анализа при представянето на прототипите, учениците подобряват дизайна на своите термоси, като променят комбинацията от изолационни материали.
  • Получените крайни продукти се тестват отново и резултатите се записват в работния лист за запазване на енергията.
  • Възложете на работните групи да представят резултатите си графично. За целта се използват данните от всички направени тестове - контролата, първия прототип и крайния продукт. Върху оста х се нанася непроменливата величина, която в случая е времето за провеждане на експеримента. Температурата на водата е променливата величина. Тя се нанася на оста y. Резултатите от контролата се отбелязват като точки на графиката, след което се свързват с линия в черен цвят. Аналогично се начертават и резултатите от останалите тестове, като за първите прототипи се използва зелен цвят, а за крайните продукти - червен.

Заключителна част

Всяка от работните групи представя пред класа своите лунни термоси, както и направената линейна графика.

  • Сравнете представянето на различните комбинации изолационни материали. При кой от тестваните варианти топлинната енергия на системата се е запазила в най-голяма степен?
  • Дискутирайте как се променя температурата на студената и топлата вода с течение на времето
  • Анализирайте по какъв начин използваните изолатори влияят върху преноса на топлинна енергия. На какво се дължи това?

Възможности за надграждане на проекта

  • В този STEM проект проучихте как може да се ограничи преноса на топлинна енергия с цел защита на хората при екстремни температурни колебания на повърхността на Луната. А може ли тази енергия да бъде “уловена”? С какво може да ни помогне това, ако живеем на Луната?
  • Проучете как можете да се справите с другите аспекти на враждебната лунна повърхност, например липсата на кислород и по-слабото гравитационно поле.
  • Проверете по какъв начин топлинната енергия може да бъде преобразувана в механична, светлинна или електрическа енергия. 

За какво да внимаваме

  • Изберете чаши, които са достатъчно стабилни, за да намалите риска от разливане на горещата вода и изгаряне. Добър вариант са картонените или стъклените чаши. Всички групи трябва да използват еднакъв модел чаши, за да могат резултатите да бъдат съпоставими.

В този интересен STEM проект астрономията, физиката и математиката обединяват сили за ангажиране на учениците в изследване на основите на термодинамиката. В процеса на съвместна работа децата откриват реално приложение на основни физични принципи, анализират проблеми, намират научно обосновани решения и представят графично получените резултати. Ако и вие търсите начин да провокирате любопитството на вашите ученици, не се колебайте да поемете на това лунно пътешествие!

За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора: