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通过被动式太阳能设计减缓气候变化

你需要的东西

材料

  • 小的空盒子(纸巾盒很好用)
  • 小塑料瓶和透明的塑料容器,有盖子,可以放进盒子里
  • 塑料包装
  • 温度计
  • 加热灯
  • 黄油或人造黄油
  • 岩石
  • 黑白图画纸
  • 手表或时钟停止
  • 磁带
  • 瓶装水
通过被动式太阳能设计减缓气候变化通过Fred Bauder [CC By-SA 3.0(http://creativecommons.org/licenses/bord-sa/3.0),通过Wikimedia Commons

目的

通过研究被动式太阳能设计和技术,结合化石燃料燃烧和全球变暖对环境的影响,了解我们对气候变化的影响。


上下文

这一课是发明绿色项目,一个发明教育资源的集合,可以用来吸引6-12年级的学生在解决问题、创造力、设计和社会意识。发明教育包含这样一种理念,即学习是由实践经验驱动的,让学生能够将想法转化为具有影响力的发明。你可以了解更多关于发明教育阅读的第一部分教育教育家工具包

本课程是一系列三个课程中的第一个,专注于燃烧化石燃料的环境影响以及被动太阳能设计和技术如何有助于减轻这种影响。在本课程中,学生将被引入热质量和潜热的概念。彻底了解这些概念不是课程的目标。学生应该明白一些材料将“陷阱”的热量,使其模拟房屋的环境更加较长。然后可以将该概念用作使用热质量讨论被动太阳能的基础。

第一批课程依赖于有一些先验的气候变化知识。作为先决条件,我们建议使用课程我们如何知道我们对气候变化的了解使学生熟悉主题。

在该系列的第二课,使用被动式太阳能设计建筑,学生将设计一个使用被动式太阳能技术的建筑。他们将首先研究学校周围的当地地理,以确定建筑地点。然后他们将使用软件设计一个被动式太阳能建筑。

在第三课“太阳能住宅模型”中,学生们将建造一个使用被动式太阳能的住宅原型,以帮助减少用于取暖和制冷的能源。他们将被鼓励尝试一些新的和创新的东西。

这节课将通过一个简单的实验集中于热质量的概念。这样做,它将有助于建立本系列的其他课程,并将帮助学生理解本课程基准中提出的想法:也就是说,通过热质量活动,他们将能够自己看到能量是如何在一个系统中转换的,以及热能是如何与一个物体的温度相联系的。这也将帮助他们理解如何使用科学知识来解决实际问题。

本课程中的想法与下一代科学标准中的概念有关:

活力

  • MS-PS3-4。
    计划调查以确定通过样品温度测量的颗粒的电量,物质类型,质量和颗粒的平均动能的变化的关系。

科学工程,技术和应用

  • MS-ETS1-1。
    以充分的精确度定义设计问题的标准和约束,以确保成功的解决方案,考虑到有关的科学原则和对人民和自然环境可能限制可能解决方案的自然环境的潜在影响。
  • MS-ETS1-2。
    使用系统过程评估竞争设计解决方案,以确定它们如何符合问题的标准和限制。

生态系统:相互作用,能量和动力

  • MS-LS2-5。
    评估维持生物多样性和生态系统服务的竞争性设计解决方案。

提前计划

本课需要2-3课时完成。它包括一个实验活动,它需要一些准备。你需要为每组准备足够的材料。你还需要将班级组织成实验伙伴。我们建议您通读课程和活动,以确定您的课程的最佳时间表。

在你和你的学生开始这节课之前,我们鼓励你阅读教育教育家工具包。我们也建议你给你的学生提供发明教育工具包这样他们就可以获得关于发明教育的背景信息。

有关被动式太阳能的背景资料,你可以阅读被动式太阳能老师表和/或去被动太阳能设计


动机

请原谅我的双关语,全球变暖是一个热门话题。大多数科学家都认为全球气温正在上升,许多科学家相信人为排放的二氧化碳是导致气候变化的诸多因素之一。但是,也有不同的观点。

首先审查学生他们已经了解气候变化的内容。问这些问题:

  • 什么是全球变暖或气候变化?
    • (全球变暖和气候变化是指观察到的地球气候系统平均温度在一个世纪范围内的上升及其相关影响。)
  • 气候正在发生什么证据是什么?
    • (动物迁移有变化。有些植物正在扩大它们的范围。冰川是融化的。)
  • 什么是有助于气候变化的温室气体?
    • (有助于气候变化的温室气体是二氧化碳和甲烷。)
  • 气候变化的原因是什么?
    • (答案各不相同,这个问题没有简单的答案。)

在讨论这些问题后,学生应该使用他们的气候变化与被动式太阳能学生表格观看共识意义,来自美国科学进步的协会。该视频股份股份是什么气候专家从关于气候变化的证据中得出结论。

学生观看视频后,持有课堂讨论并询问这些问题:

  • 世界上有多少气候科学家得出结论认为,人为造成的气候变化正在发生?
    • (世界上97%的气候科学家都得出了这个结论。)
  • 气候变化会带来哪些风险?
    • (其中一个风险是,我们的未来将比我们预期的更糟。渐进的气候变化可能会突然发生突变,从而损害经济和生态系统。)
  • 您如何看待Katherine Hayhoe对购买气候变化风险购买“保险”的想法?你觉得这会如何工作?
    • (答案可能会有所不同。鼓励您的学生解释他们的答案。)
  • 提高能源效率和投资于被动式太阳能设计有什么好处?
    • (这样做的好处包括省钱的同时也减少了我们对气候变化的影响。)
  • 在听了科学家们为风险评估和采取行动的重要性提供的一些例子之后,你对可以做些什么来减少气候变化的风险有一些想法吗?
    • (答案可能会有所不同。鼓励您的学生解释他们的答案。)

发展

既然学生们有机会回顾他们对气候变化的理解,他们应该在这方面做更多的研究。

他们可以通过使用他们的eSheet来开始气候变化:我们如何知道?学生应该回答他们的问题气候变化与被动式太阳能学生登记表,并准备在课堂上讨论。

  • 看着CO的图表2水平,很明显CO2随着时间的推移而变化。然而,该图在最近的过去迅速攀升。什么可能导致这增加了?它可能是自然事件似乎是合乎逻辑的吗?
    • (答案可能会有所不同。鼓励您的学生解释他们的答案。)
  • 阅读关于气候变化证据的简要描述。哪个证据对你来说最有说服力?
    • (答案可能会有所不同。鼓励您的学生解释他们的答案。)
  • 大气中的一些气体据说是导致气候变化的原因,而另一些则被认为是反馈。解释两者之间的区别,并列出适合每种类型的气体。
    • (导致气候变化的气体是那些半永久存在于大气中的气体,它们对温度的变化不会产生物理或化学反应。它们包括二氧化碳和甲烷。作为反馈的气体会对温度的变化做出物理上或化学上的反应。它们包括水蒸气。)
  • 人类活动有助于促成已被观察到的全球气候变化的概率是什么?
    • (政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,简称ipcc)由来自世界各国的1300名独立科学专家组成,在联合国(United Nations)的支持下得出结论,过去50年的人类活动有超过90%的可能性导致地球变暖。)
  • 是否有可能是太阳造成了这些观测到的变化?解释一下。
    • (答案可能不同,但根据这篇文章,我们有理由认为太阳对气候变化负有部分责任。)

在学生了解更多关于气候变化之后,他们应该专注于一些可能的解决方案。他们应该使用他们的学生esheet来转到成为解决方案的一部分。当学生浏览这个资源时,他们应该回答同一个学生表格上的问题。一旦他们完成了,你应该在课堂上讨论他们的答案。在讨论中,让学生关注被动式太阳能和热质量。

  • 风能:什么是风电场,你在哪里找到一个?
    • (风电场是一组风力涡轮机。它们通常被放置在多风的山丘、开阔的平原和海岸线上。)
  • 地热能:什么是地热能的两种类型?它们是如何工作的?
    • (两种类型的地热能是地热发电厂和地热热泵。发电厂利用地球深处的热量产生蒸汽发电,而热泵利用靠近地球表面的热量加热水或为建筑物提供热量。)
  • 哪种地热能在你居住的地方最好用?
    • (答案可能有所不同。鼓励学生解释他们的答案。
  • 节能建筑:有哪些方法可以在我们的家庭和其他建筑中节约能源?
    • (答案可能包括使用高效供暖、照明和空调等技术。)
  • 太阳能:列出并描述本文中讨论的三种太阳能。
    • 太阳能有三种:光伏电池、太阳能热能和被动式太阳能采暖。光伏电池将阳光直接转化为电能,太阳能热电厂利用太阳的热量产生蒸汽来发电,而被动式太阳能加热利用太阳的热量为建筑供暖。)

热质量是被动式太阳能设计的关键组成部分。学生们应该用他们的学生报告单去热质量。一定要讨论作者提供的图片,关于他如何不得不清除雪从他的露台,而不是人行道,当他的房子下雪。问学生:

  • 为什么作者要铲甲板而不是行走?
    • (他不需要铲走人行道,因为热能储存在人行道的岩石中,以及人行道上较大的水泥铺路石中,因为这些密集类型的材料具有热质量。热物质中储存了前一天太阳照射到它们的热量。辐射热量在晚上和晚上都被释放出来,融化了雪。由于甲板是由木材,然而,它没有[相对大量的]热质量。虽然冬天的太阳在下午照在它身上,但它没有热质量,也不蓄热。)
  • 你有过这样的经历吗?还有其他的例子吗?
    • (答案可能会有所不同。鼓励您的学生解释他们的答案。)
  • 为什么游泳池的温度在夏季保持相对恒定,空气温度波动多达30度F?那个类似于甲板上的雪和走路的情况如何?
    • (答案各不相同,但可能包括水的热质量比空气高的观点。)

一旦学生对被动式太阳能和热质量有了更多的了解,他们就应该完成热质量活动。学生可以使用他们的热质量实验室做这项活动的学生名单。你可以使用热质量实验室老师将帮助您建立实验室并指导学生。

在这个活动中,学生应该以两三个学生为一组。每一组都应该测试一种可以在被动式太阳能房屋中用作热质量的材料。这种材料应该放在一个盒子里(纸巾盒或鞋盒可以)来模拟房子。学生应该测量在加热10分钟和冷却10分钟时盒子里的空气温度。每一种太阳质量的物质在吸收和释放能量时,都会影响温度上升和下降的速度。一个有效的热质量应该调节温度范围。

一旦学生完成了他们的材料测试,他们应该输入他们的结果热质量实验室类数据电子表格。这个Excel文件包含电子表格和图表,一旦学生输入他们的结果就会自动生成。

在完成实验室时监控学生非常重要。确保它们以这样的方式设置盒子和灯/阳光,以便能够通过尽可能少的运动读取温度计,而不会从盒子中移除温度计。可能有必要在开始数据收集之前与学生们如何阅读温度计。如果您可以访问数字温度计或可以直接收集到计算机的温度探头,请修改实验室以允许此可能有所帮助。


评估

学生表和实验室的问题将是评估的主要形式。

结果可能不同,但有几个趋势的数据应该变得明显。在数据中寻找以下模式:

  • 深色的材料比浅色的材料吸收更多的热量。因此,对于颜色较深的材料,在冷却期间温度不会下降得那么快。
  • 密度大的物质比密度小的物质的热质量更好。虽然实验室没有专门处理密度,但由于质量相同,学生可以推断出这一点,但并不是所有的样本都是相同的体积。
  • 空盒子(空气作为唯一的质量)应该显示最大的温度范围,因为没有东西吸收热能。
  • 油的相变应该会捕获大量的热能(聚变潜热),这应该有助于在冷却阶段保持周围空气的温度更高更长的时间。然而,在这个时间范围内,这可能很明显,也可能不明显。油有可能在10分钟内不会再次冻结。如果是这种情况,您可以建议小组继续收集几分钟的数据。重要的是,他们明白融化吸收热量,冻结释放热量的概念。因此,在热质量中,一种材料可以在白天融化,在晚上再冻结,将有效地将太阳能转化为热能,在白天帮助加热,在晚上通过释放能量的材料冻结。
  • 最佳的热质量将是温度升高和慢慢下降的热质量。由于实验室中可能的错误,结果可能会有所不同,但是查看所收集的类的数据,并考虑哪个材料保持温度最常。这就是他们应该得出的最佳热量。

除了实验和问题,让每个学生写一到两段关于这个问题:

如果你要设计一个利用被动式太阳能的房子,你会为你的房子选择哪种热质量?考虑到有效性,实用性,美学,以及其他任何你认为对这个决定重要的因素。


扩展

你应该遵循本课程和本系列的下两个课程:


太阳能供暖和你为学生提供更多的信息,关于人们使用来自太阳的热量温暖他们的家的各种方式。


如果你的学生有兴趣,他们可以学习如何建造一个太阳灶。这个网站提供了不同种类的太阳能炊具计划的链接。


资助信息信息
莱梅尔逊基金会
位于波特兰的Lemelson基金会利用发明的力量来改善生活。该基金会相信发明可以解决我们这个时代许多最大的经济和社会挑战,受此启发,该基金会帮助下一代发明家和以发明为基础的企业蓬勃发展。Lemelson基金会是由多产的发明家Jerome Lemelson和他的妻子Dorothy在上世纪90年代建立的。到目前为止,基金会已经提供了总计超过2亿美元的赠款来支持其使命。欲了解更多信息,请访问http://lemelson.org。

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课程详细信息

成绩 主题 类型 2061项目的基准 国家科学标准

本系列的其他课程

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