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建造一个水钟

材料

  • 1升塑料饮料瓶
  • 计时器或手表,可以读取到秒
  • 统治者
  • 标记笔
  • 100毫升气缸毕业
建造一个水钟伯纳德·吉顿的时间流时钟
Luna04 / CC-BY-SA-3.0,通过Wikimedia Commons

目的

建立反馈控制系统(水钟)并研究改进系统设计的方法。


上下文

这个活动应该跟随学生遇到更简单的系统,如铅笔,剪刀等。在这个活动中,学生将开始更仔细地研究系统各部分之间的相互作用。让学生学习系统的主要目的不是让他们抽象地谈论系统,而是提高他们在试图理解或处理整个系统时关注特定系统的各个方面的能力。


动机

从让学生观看开始本周WOW:水钟这是北美最大的水钟的视频,正在印第安纳波利斯的儿童博物馆展出。学生应该记下并描述一些组成水钟的部分。

然后让学生阅读更多关于水钟的知识穿越时空。把学生的注意力集中在简单的水钟,或漏壶上,这是在页面上描述的。

在阅读过程中,要求学生写下以下问题的答案:

  • 水钟的部件是什么?
    • (振荡器[钟摆],分频器,分钟计数器[分钟盘],小时计数器[小时球]。地下室的水泵(就在时钟下方)将水通过时钟中间的管道泵入顶部的蓄水池。然后,水滴到顶部的一个勺子上,这个勺子与绿色的摆动的钟摆相连。钟摆使勺子将水倾倒到一系列的虹吸管中。虹吸管在分分秒秒的地球仪中填满和清空。虹吸管是一根倒“U”形的管子,在没有泵的情况下,使溶液向上流动,在重力的作用下,液体沿着管子向下流动,由液体下落提供动力。)
  • 设计它的目的是什么?
  • 与日晷等其他设备相比,它有什么优势?
    • (它可以在白天也可以在晚上使用。)
  • 与水钟有关的最大问题是什么?
    • (水的流速很难精确控制。)

与全班同学讨论答案。


发展

水钟是如何工作的
在活动的第一部分,课程将研究水钟的工作原理和它的一个变量对它成为一个准确的时钟的能力的影响。

告诉学生:早期的水钟是一种石头容器,有倾斜的侧面,可以让水以几乎恒定的速度从底部附近的一个小孔滴落。其他的水钟是碗状容器,以恒定的速度缓慢地装满水。由于碗缓慢下沉,碗内的水位上升时,碗内表面的标记可以测量时间的流逝。我们将用一个软饮料瓶做一个类似的装置。

让学生选择他们认为设备中最重要的部分。

过程
在老师的引导下进行以下探索:

  1. 用大头针在瓶子底部或靠近瓶子底部的地方打一个非常小的洞。一个比销钉直径小的孔是可取的。让学生检查这个洞。
  2. 握住手指在孔上,用水填充瓶子到肩部下方的水平,在那里它开始具有较小的直径。在瓶子外面标记这个水平。测量100ml(+/- 0.5ml)水运行或滴用瓶子所需的时间。重复实验,并在瓶中的起始水水平上方并在瓶子中非常低。绘制作为距离的次数,起始水位在瓶子中孔上方。

用以下问题与全班讨论结果:

  • 结果告诉你什么?(如果瓶子中的水位变化很大,滴落率就会改变。)
  • 关于水钟,这告诉了你什么?(可能不是很准确。)

现在让每个学生用一句话描述他们如何改进这个演示中制作的简单水钟。学生的回答可能有所不同,但通常他们的回答应该是,可以通过使滴水率更稳定来改善时钟。


构建一个更好的水钟
在这部分活动中,学生们将建立一个反馈控制的机器人系统,它将作为一个水钟,可以在不需要人工干预的情况下准确计时至少两个小时。

步骤:把班级分成小组。每一组的目标是建造一个水钟,在没有人为干预的情况下,至少两个小时准确计时(误差在+/- 1%以内)。要做到这一点,瓶子的滴速必须是恒定的。滴速为10- 15ml /min将提供适当准确的数据(当滴出的体积被测量时)。以这样的滴水速度,两小时内可以收集1-2升的水,这是一个足够小的数量,可以管理。因为如果瓶子里的水位变化很大,水滴的速率也会发生变化,所以为了保持水滴速率不变,水滴瓶里的水位必须保持相当恒定。

任务是设计一个反馈控制的机器人系统,以保持瓶子中的水位足够恒定,以保持稳定的滴水率。每个学生小组将决定什么是“足够稳定”。机器人需要感知瓶子里的水位,并在必要时加水(但不要加水太多,否则水位会太高)。

你可以限制学生使用的传感器类型为机械设备(如浮子),或者允许他们使用教室里的任何材料(或几乎所有家庭都可以使用的材料),包括用于光电传感的光电池,如果你有的话。

水的来源可以从一个大的(2-L)蓄水池到水龙头,同样取决于您希望对设计施加的限制。这些机器人的范围也很广泛,从仅靠重力驱动的机器人到包含小型电机等电子元件的机器人。机器人的关键部分是控制水从源头流入瓶子。同样,如果可以的话,可以通过电磁阀等机电设备来控制通过油管的流量。

在课堂上和课外为学生提供一些时间来发展他们的机器人的概念,检查他们的想法,以确保他们符合设计标准和安全,然后提供至少一到两个课堂时间的部分建设,因此,你可以判断团队成员是如何一起工作的,并鼓励和加强他们的想法。

完成的机器人必须有一个显著的标志,给出从收集的水量到开始收集的分钟数的换算系数。

学生们应该在课堂上展示他们完成的机器人。每个项目都应该附有一份详细设计的书面报告,包括图纸说明和他们所设计的机器人系统的所有部分的名称。


评估

对完成的机器人的实际测试可能是对整个学校开放的活动,因为每个机器人在两个小时的运行中会随机测试两到三个时间,以确定它在整个期间的时间是否保持在规定的±1%以内。

机器人符合规格的小组应获得完整的评分。没有达到目标的扣除额应该由你和学生在考试前一起决定。

为了激发学生的创造力,你可以设立一些特别的奖励,奖励那些完全靠重力、弹簧、电动机和/或能连续显示运行时间的设备来运行的机器人。你自己在这方面的创造力应该只受学校能合理提供的东西的限制。允许的选择范围越广,每个人对机器人的可能性就会了解得越多。


扩展

欲了解本部分中与基准相关的其他课程,请访问标题为“科学网络链接”的课程意甲赞助商万博测量阴影


参观富兰克林研究所Robo-Spot更多关于机器人的知识和各种机器人资源的链接。有兴趣做机器人研究报告或科学展览项目的学生可以使用这些链接作为起点。


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课程详细信息

成绩 主题 类型 2061项目的基准
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