Людям з порушеннями зору
Кейс-урок «Смартфон – моє все!»

Розділ: Науки, природа та людина

Рівень (клас): 9

Тема: Прикладна наука

Мета: Систематизувати різновекторні знання, які використовуються під час конструювання мобільного телефону

Яка інформація мене тут чекає?
  • Як працює мобільний телефон?
  • Чому мобільний зв'язок називається стільниковим?
  • Чому деякі авіакомпанії просять пасажирів вимикати мобільний телефон?
  • Як задіяні фізика та хімія в конструкції телефону?
  • Які фундаментальні та практичні знання мені стануть у пригоді?
  • Як впливає мобільний телефон на людину?
4 розгортки з предметів, явищ та практик:
Вступ

Сьогодні мобільний телефон вважається тим пристроєм, без якого жодна сучасна людина не може обійтися.

У ньому є функції, якими ми користуємося найчастіше (15–20). Є також ті, до яких ми звертаємося значно рідше (200–300). Дивлячись на цей мініатюрний пристрій, важко уявити, як саме він «вміщує» сотні гігабайт інформації. Як це вдалося конструкторам?

Телефон – не лише частинка життя окремої людини, але й маркер прогресу та інновацій. Надбання науки та технології відображаються в можливостях мобільного телефону. А нові потреби користувачів мобільних телефонів спонукають винахідників, дослідників, розробників до пошуку сучасних наукових рішень. Наприклад, як зробити так, щоб телефон заряджався якомога швидше та тримав заряд якнайдовше?

Південнокорейські дослідники, у відповідь на це питання, винайшли акумулятор, здатний повністю зарядитися лише за 30 секунд. Про це повідомляється в щомісячному бюлетені Вищої школи енергетики Сеула*.

А вчені з Массачусетського технологічного інституту розробили пристрій, який виробляє електрику з повітря*.

В основі роботи пристрою – температура повітря. Якщо різниця нічної і денної температури 10 градусів, то пристрій виробить 1,3 мілівата енергії і 350 мілівольт потенціалу.

Правда, розміри нового пристрою поки що не дуже підходять для телефонів та інших ґаджетів :). І над мінімізацією пристрою ще доведеться попрацювати, вирішуючи і наукові, і суто інженерні питання. Але як вам перспектива заряджати телефон просто «з повітря»?

Фізика

Робота мобільного телефону ґрунтується, насамперед на радіозв'язку. Принципи радіозв'язку такі.

Змінний електричний струм високої частоти, який створюють в антені передавача, викликає в просторі навколо антени електромагнітні хвилі високої частоти. Коли хвилі досягають антени приймача, вони індукують у ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач.

Для передачі звука високочастотні коливання змінюють чи модулюють за допомогою електричних коливань низької частоти (звукової частоти). Цей метод називають амплітудною модуляцією.

У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяють низькочастотні коливання. Такий процес перетворення сигналу називають детектуванням. Отриманий у результаті детектування сигнал відповідає тому звуковому сигналу, який діяв на мікрофонному передавачі.

Тобто, маємо ланцюжок «звукові коливання – електромагнітні коливання – звукові коливання».

Основні елементи мережі – телефони і базові станції. Антена базової станції розділена на кілька секторів, кожен з яких спрямований у свій бік.

Стільниковий зв'язок – один з видів сучасного мобільного радіозв’язку. Його особливість полягає в тому, що вся зона покриття ділиться на зони покриття окремих базових станцій (BSS). На ідеально рівній поверхні без будинків покриття від однієї станції являє собою коло. Але ж такі кола частково перекриваються, ось і утворюються шестикутники – чарунки (комірки) стільника. Саме тому мобільний зв'язок ще називають стільниковим.

Ми навіть не помічаємо тієї роботи, якою «зайнятий» наш мобільний, коли ми користуємося ним або лишаємо його в режимі очікування дзвінків. Увімкнений телефон прослуховує радіоефір, шукаючи сигнал базової станції. Знайшовши станцію, телефон надсилає їй свій унікальний ідентифікаційний код. Станція і телефон постійно перебувають у контакті, обмінюються даними. Зв'язок може бути як цифровим, так і аналоговим. Радіус дії такої станції – 35 км. Телефон може вимірювати рівень сигналів від 32 станцій одночасно, переключаючись на ті, сигнал від яких сильніший.

Оператори мають між собою домовленості, тому абонент поза зоною дії своєї мережі може переключатися на іншу. Так працює роумінг.

Мобільний (стільниковий) телефон працює завдяки електромагнітним хвилям.

Електромагнітна хвиля являє собою процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі у вигляді змінних, зв'язаних між собою електричного та магнітного полів. Найважливішими її  характеристиками є частота і довжина. Частотою характеризують не тільки окрему хвилю, але й усю мережу. Хвиля поширюється завдяки коливанням точок простору на шляху «просування» хвилі: тобто самі точки простору, рухаючись, і створюють хвилю. Такий рух у фізиці називається вимушеним коливанням.

Важливою характеристикою мережі є частота і хвильовий вектор.

Залежно від частоти, електромагнітні хвилі належать до одного із спектральних діапазонів.

Хвилі в різних діапазонах різним чином взаємодіють із фізичними тілами. Хвилі з найбільшою частотою – це радіоактивне випромінювання, з частотою до десятків нанометрів – хвилі, які використовуються для рентгенографії, з довжиною у сотні нанометрів – ультрафіолетове випромінювання. Видиме світло потрапляє в діапазон від 400 до 700 нм. Міліметровий і сантиметровий діапазон –інфрачервоні хвилі. Хвилі з більшою довжиною належать до радіохвиль.

Отже, електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до радіодіапазону. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на відстань за допомогою радіо, телебачення, мобільних телефонів. У радіодіапазоні працює радіолокація. Радіодіапазон розділяється на метровий, дециметровий, сантиметровий, міліметровий – залежно від довжини електромагнітної хвилі.

Чому деякі авіакомпанії просять вимикати телефони під час зльоту та посадки літака?

Це викликано ймовірністю, хоча й дуже-дуже незначною, що частоти роботи телефону і приладів літака збігатимуться.

Насправді, у сучасних літаках прилади працюють на інших частотах. Тому й не всі авіакомпанії висувають таку вимогу до пасажирів.

Для літака діапазон робочих частот становить 90–150 Гц. Це з урахуванням приладів навігаційно-пілотажного призначення. Для частини приладів, що використовуються маяками аеропортів, робочими частотами є частоти діапазону 329–335 МГц. Утім, частота роботи телефону зі стандартом GSM становить 1–2 ГГц, а зі стандартом UMTS – 2–4 ГГц. Для 3G частота також становить близько 2 ГГц.

Також усі мобільні телефони мають режим роботи «У літаку». Режим «У літаку» – це налаштування, яке дає змогу швидко вимикати всі засоби безпровідного зв’язку. До засобів безпровідного зв’язку належать Wi-Fi, мобільний широкосмуговий зв’язок, Bluetooth, GPS або GNSS, радіозв’язок на близькій відстані (NFC) тощо.

Чи бояться смартфони сонця?
Ще один тип фізичних явищ, з якими пов’язана робота мобільного телефону, – світлові. Насамперед мова йде про екрани наших телефонів. Більшість сучасних телефонів мають сенсорні екрани. Розвиток сенсорних технологій відбувається за двома напрямками: резистивні сенсори (такі, що ними можна керувати будь-якими предметами) та ємнісні сенсори (такі, що реагують тільки на предмети, які проводять електричний струм). Останні дозволяють керувати одночасно окремими областями екрану – мультитач.

Ємнісний сенсорний екран являє собою скляну панель, вкриту прозорим резистивним матеріалом (зазвичай застосовується сплав оксиду індію та оксиду олова). Електроди, розташовані в кутах екрана, подають на провідний шар невелику змінну напругу (однакову для всіх кутів). При торканні екрана пальцем або іншим  предметом, що проводить струм, відбувається витік струму. При цьому, чим ближче палець до електрода, тим менший опір екрана. А це означає, що сила струму більша. Струм у всіх чотирьох кутах реєструється датчиками і передається в контролер, що обчислює координати точки дотику.

Але такі ємнісні технології мають суттєвий недолік – ускладнене керування на холоді. Резистивні технології не мають такого недоліку.

Сонячні промені впливають на екран: чим вища допустима яскравість екрана, тим легше читати з нього інформацію в сонячну погоду.

Світло падає на екран (його поверхню) під певним кутом. Частина цього світла поглинається, частина відбивається. Відсоток поглинутого (відбитого випромінювання) буде залежати від кольору поверхні. Тобто кожен піксель екрана буде відбивати й поглинати світло у своїх власних пропорціях, залежно від кольору.

Отже, для користувача важлива освітленість екрана телефону.
Освітленість – фізична величина, що дорівнює світловому потоку, який падає на одиницю освітленої поверхні (лк, «люкси» – її одиниця вимірювання):

E=Ф/S,

де Ф – світловий потік; S – площа, що освітлюється (у квадратних метрах).

За цим співвідношенням можна вирахувати світловий потік, що спрямовується на екран мобільного телефона за різних умов. Освітленість у різних умовах становить:

 

Тобто, якщо площа екрана мого телефону становить 0,008 кв. м, то на нього за різних умов буде падати такий світловий потік:

Отже, важливою є не тільки яскравість екрана, але й освітленість під час користування ним.

Завдання:

А яка освітленість екрана вашого телефону на цей момент? Якою вона буде ввечері? Порівняйте розрахунки.

Хімія

Чому мій телефон розряджається так швидко? А який телефон «найвитриваліший»? Чи може хімія допомогти знайти "довгопрацюючий" акумулятор?

Так, тому що головний принцип роботи акумулятора – отримання електричного струму шляхо

Чому мій телефон розряджається так швидко? А який телефон «найвитриваліший»? Чи може хімія допомогти знайти

«довгопрацюючий» акумулятор?

Так, тому що головний принцип роботи акумулятора – отримання електричного струму шляхом хімічних реакцій

Що це? "Хімі́чна реа́кція — це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями. Вихідні речовини, що вступають у хімічну реакцію, називаються реагентами, а нові, які утворюються внаслідок такої реакції, — продуктами реакції. Хімічні реакції завжди супроводжуються фізичними ефектами, що називаються ознаками хімічної реакції. Ознаки хімічних реакцій, що зустрічаються найчастіше: поглинання або виділення теплоти; зміна забарвлення реакційної суміші; утворення або розчинення осаду; виділення або поглинання газу; поява або зникнення запаху; виділення світла (світіння). При хімічних реакціях загальна кількість атомів та ізотопний склад хімічних елементів не змінюються. Хімічні реакції можуть протікати мимовільно за звичайних умов, при нагріванні, за участі каталізаторів, при дії світла (фотохімічні реакції), електричного струму, іонізуючого випромінювання, механічних впливів, в низькотемпературній плазмі (плазмохімічні реакції) і т. д."
.

І від того, які саме елементи періодичної системи будуть задіяні, залежить тривалість «життя» акумулятора до розрядження.

Важливими параметрами для оцінки акумуляторів є:

  • висока електрична густина; кількість циклів «зарядка–розрядка»;
  • оптимальний розмір.

Типи акумуляторів, що використовуються для мобільних телефонів (найбільш розповсюджені серед них – літієві):

Літій-іонні акумулятори мають високу електричну густину, велику кількість циклів «зарядка–розрядка». Такий акумулятор  складається з електродів (катод та анод), розділених пористим сепаратором, який просякнутий електролітом. Пакет електродів уміщений у герметичний корпус.

Окремим видом акумуляторів є торієві. Це акумулятори нового покоління, які саме зараз «роблять крок» з дослідницьких лабораторій у реальне життя.

Торій (Th) – метал зі слабкою радіоактивністю. Шкоди життю і здоров'ю людини він не несе (виняток – потрапляння безпосередньо у кров). У біосферні процеси не включається, тому не є шкідливим чинником для довкілля.  Торій використовується для концепт-карів (презентативних моделей автомобілів нового покоління) і для іноваційно «просунутих» моделей акумуляторів (у тому числі й для мобільних телефонів).

Майбутнє торієвих акумуляторів залежить від того, як вони зарекомендують себе в експлуатації найближчим часом.

Нікель-кадмієві мають малу енергоємність при великих розмірах самого акумулятора. Вони трапляються лише в старих моделях телефонів.

Літій-полімерні акумулятори – найтехнологічніші. Вони мають мінімальну товщину, використовуються для ультратонких моделей телефонів. Також такі акумулятори встановлюють на електромобілі.

У загальному вигляді електрохімічні реакції, що протікають в акумуляторі, можна представити таким чином. Уявімо собі металеву пластину, що занурена у воду. Під дією полярних молекул води іони металу відриваються від поверхні пластини і гідратованими переходять у рідку фазу. Рідка фаза при цьому отримує позитивний заряд, а металева пластина має надлишок електронів. Чим довше триває процес, тим більший заряд мають як пластина, так і рідка фаза. Матимемо процес за схемою:

Me(тв)=Me(p)n++ne,

де Me(тв) – метал у твердій фазі;

Me(p)n+ – у рідкій фазі у вигляді йонів із зарядом n+

(якщо відірвано 2 електрони – заряд 2+, 3 електрони - заряд 3+ тощо);

ne – відірвані електрони (2, 3 і т.і. відповідно)

Для літію, наприклад, схема реакції матиме вигляд:

Li(тв)=Li+(p)+e.

Якщо змінимо середовище, то рівновага посунеться (принцип Ле Шательє). Замість води може бути використано або розчин солей, або спеціальний гель, або спеціальні пористі матеріали – мембрани. Вони мають селективну здатність – пропускають тільки йони, які потрібні нам для роботи акумулятора. При підведенні зовнішнього джерела струму матимемо електрохімічний процес, який складається з двох частин: перша відбувається на аноді, друга – на катоді.

На катоді іони металу відновлюються до металу у твердій (металевій) формі:

Me(p)n+= +ne = Me(тв).

 Для літію на катоді проходитиме такий процес:

Li+(p) + e = Li (тв)

 На аноді йде подальше окиснення йонів металу:

Me(p)n+ - хe = Me(p)(n+x)+,

де xe – «відірвані» при окисненні x електронів

Me(p) (n+x)+ –метал в окисненій формі, що отримав новий заряд (n+x).

Враховуючи можливий ступінь окиснення для літію (+1), цей процес відбуватиметься просто за рахунок збільшення кількості окислених іонів.

До таких базових хімічних процесів можна віднести роботу більшості сучасних акумуляторів.

То чому ж телефон розряджається?

Для цього скористаємося поясненням від Даніеля Абрахама, вченого з Арагонської національної лабораторії, який досліджує літій-іонні акумулятори. Він проводить аналогію між акумулятором і відром з водою. Зарядка – наповнення відра. Об’єм відра – місткість акумулятора (ємність), швидкість з якою його можна заповнити – потужність. Але час, вплив температури та інші фактори утворюють «дірку» у відрі. За аналогією з відром – «вода просочується». Іони літію забираються, зв’язуються. Вони втрачають можливість пересуватися між електродами. З плином часу таких зв'язаних іонів більшає. Телефон, який заряджався раз на кілька днів, заряджається щодоби. Урешті, зв’яжеться така кількість іонів, що акумулятор не буде містити хоч якогось корисного заряду – «відро припинить тримати воду».

А чому спека шкідлива для мого телефону? При підвищенні температури електроліти розкладаються швидше, а швидкість побічних реакцій, за якими зв’язується літій, також зростає. Отже, акумулятор розряджається швидше, і черговий цикл «зарядка–розрядка» можна викреслити з життя нашого телефону.

Завдання:

Дізнайтеся, який тип акумуляторів у вашого телефона та в телефонах батьків чи друзів. Прослідкуйте за тим, як часто вони потребують зарядки. Поміркуйте, чим це можна пояснити?

Інтелект

Мобільний телефон володіє штучним інтелектом. Адже мобільний телефон (його операційна система) здатен приймати рішення: яка програма чи додаток «зависла» і її варто закрити, яку контекстну рекламу вам запропонувати…

 Приклади такого штучного інтелекту – Android та iOS. Обидві операційні системи мають такі ознаки штучного інтелекту:

1) Здатність вибирати і приймати оптимальні рішення на основі раніше отриманого життєвого досвіду й аналізу зовнішніх впливів (будь-який інтелект опирається на діяльність).
2) Найголовнішою відмінністю програмного забезпечення справжнього штучного інтелекту від простих додатків полягає в можливості «мислити» образами. (За допомогою образного мислення сьогодні стали доступними такі технології, як стиснення й кодування інформації, обробка біометричних образів, оптимізація гами передавання кольору, подібний пошук, аналіз сенсу зображень, автоматична каталогізація інформації, алгоритми розпізнавання та класифікації образів).

Штучний інтелект – перспективний напрямок технологічного розвитку.

Наприклад, Google планує створити штучний інтелект, який би дозволив поліпшити сортування інформації для пошукових запитів. Такі розробки мають завершитися до 2029 року. Результатом має стати розумна пошукова машина, що володіє емоційним інтелектом. Вона буде розуміти людські емоції.
Японський національний інститут інформації розробляє систему штучного інтелекту, що називається Todai Robot. Він повинен оволодіти таким рівнем, щоб у 2021 році успішно пройти вступні іспити в провідний виш країни.

Завдання:

Дослідіть, якими саме ознаками штучного інтелекту володіє ваш телефон?

Мода

Не встигне з’явитися нова модель, навіть не в продажу, а в попередній рекламній кампанії, як на неї починається ажіотажний попит. Мобільні телефони стають «немодними», навіть не встигнувши технічно застаріти. Значним чином телефон стає «статусним» атрибутом, віддзеркалюючи всі зміни життя.

Вдалі рекламні кампанії спонукають модників «апгрейдити» свій телефон до омріяної новинки. Навіть незважаючи на їхню ціну, що «пожвавлює» ринок споживчих кредитів: багато хто хоче новий телефон уже зараз, а платити за нього – «колись і поступово».

Наприклад, за iPhone 6S черги шикувалися за 4 дні до старту продажу:

Черга за iPhone 6S у Німеччині

Рекламні кампанії просувають не лише сам телефон, а й супутні товари (мобільні аксесуари): гарнітури, навушники, чохли чи брелоки тощо. У цьому випадку для дизайнерів відкривається величезний простір для творчості: вдало підібране рішення, модний варіант оздоблення, використання популярного образу – і ми маємо «ідеальний» модний товар. У такому випадку привабливість підсилюється: модний телефон у чохлі від відомого виробника з модним зображенням. Деякі рекламні кампанії орієнтуються на окремі категорії споживачів: чоловіків, дівчаток, підлітків...

Сучасний телефон-браслет

Плинність моди підганяє технології, сприяє їх розвитку. Але важливо, щоб розумний підхід не зробив із такої моди самоцілі: купляти нове лише заради статусу, а не заради можливостей.

Хоча для багатьох людей питання статусності також дуже важливе, позаяк вони звертають увагу на бренди. Технологія «розкрутки» брендів дозволяє товару ставати таким, що легко впізнається. Це дозволяє у свою чергу отримувати додатковий прибуток від так званих «нематеріальних активів», до яких належать торгові марки, бренди, патенти. Результат: товар-бренд має переваги як для виробника, так і для споживача.

Такі товари, як автомобілі, годинники та смартфони, називають тривекторними, оскільки вони задовольняють одразу три споживацькі потреби. Наприклад, автомобіль може розглядатися як зручний транспортний засіб, професійний засіб та… предмет престижу.

Така ж сама ситуація і з годинником. Він може бути красивим, може просто показувати час, може бути показником статусу власника.

 Концепти автомобіля і смартфона з гнучким прозорим екраном

Смартфони також можуть виконувати мінімальну кількість потрібних користувачу функцій, можуть бути показником «сучасності» користувача, а можуть бути предметом престижу.
З одного боку, ставлення до третього «вектора» (показник престижу) в суспільстві переважно негативне. Але, з другого боку, саме він визначає перспективи розвитку нових технологій і споживчих якостей товару.

Завдання:

Запропонуйте власний варіант модного телефону для дівчаток і для хлопців.

Акселеративні активності

«Розсміши смайлик»

Суть гри: учитель малює в одному куті дошки або фліпчарта сумний смайл: :( Завдання учнів – по черзі намалювати поруч «перехідні» смайлики так, щоб фінальний смайл був усміхненим: :) Це можуть бути не лише «мармизки», але й знайомі учням з соцмереж та месенджерів «картинки»: квіточки, тортики, тощо. Головне, щоб цей «ланцюжок-комікс» призвів до гарного настрою!

МЕТА: активізувати фантазію, творчість, кмітливість, «увімкнути» гарний настрій та позитивне мислення, навчити командній роботі та делегуванню повноважень.

«Майстер СМС-листування»

Суть гри: два учні одночасно за командою вчителя набирають СМС на швидкість. Текст СМС придумують інші учні, додаючи по черзі по одному слову. Перемагає той, хто швидше і з меншою кількістю помилок набере текст СМС.

МЕТА: набуття таких навичок та компетенцій, як уміння концентруватися, грамотність написання тексту, навички швидкого друку на клавіатурі, позитивне мислення, кмітливість.

«Перекладач на мову емодзі»

Суть гри:

учитель пропонує учням «перекласти» невеличкий фрагмент тексту якогось  відомого твору чи вірша за допомогою смайликів-емодзі, що їх зазвичай використовують у мобільному листуванні чи мережевому спілкуванні. Виграє автор найцікавішого та найточнішого перекладу.

МЕТА: активізувати фантазію, творчість, кмітливість, «увімкнути» гарний настрій, набути таких навичок та компетенцій, як уміння концентруватися, грамотність написання тексту, навички швидкого друку на клавіатурі, позитивне мислення, кмітливість.

Підведення підсумків уроку
Найменування Зміст
1 Результати кейс-уроку можна доповнити такими знахідками учнів:
2 Які 3 сайти допомогли знайти найбільш важливу інформацію? http://school.xvatit.com/

http://ru.wikipedia.org/

http://znaj.net/

 

3 На допомогу учню та коучу: http://school.xvatit.com/

 

4 Де брати інформацію для кейса: http://elearn.univector.net/mod/resource/view.php?r=2903&frameset=ims&page=12

http://www.broadband.org.ua/tekhnologii-bystrogo-interneta/1178-chto-takoe-wi-fi-printsipy-raboty-wi-fi

http://bergamotsnort.blogspot.com/2012/12/blog-post_26.html

Химия: Справ. материалы: Кн. для учащихся/Ю.Д.Третьяков - М.: Просвещение (ISBN 5-09-002946-6)

5 Локація проведення кейс–уроку: Урок–кейс проходить у класі. Можливе проведення в бібліотеці, музеї, на природі, в залі
6 Змагальність: Команди хлопчиків та дівчаток.

Рахунок склав:….

Завдання для них:

  • Який світловий потік падатиме на смартфон із площею екрана 105 кв.см сонячним днем та ввечері при штучному освітленні? Яка частина цього світлового потоку буде відбита, при умові, що всі пікселі екрану білі?
  • Яка ймовірність безвідмовної роботи телефону, в якому протягом року замінювали екран, карту й акумулятор?
7 Домашнє завдання: Сформулювати по п’ять запитань до кейса (індивідуальне завдання кожному учню).
8 Тривалість: 45 хвилин (академічна година)

 

9 Можливість схеми проведення з учнем-дублером:

 

можливо
10 Отримані результати і напрацьовані компетенції: - уміння швидко відшукати необхідну інформацію за темою;

- уміння креативно використовувати отриману інформацію з практичною метою;

- засвоєння конкретних знань із хімії, фізики, технологій та інших розділів (наведені в розгортці);

- уміння «конструювати» отриманні знання на основі отриманих відомостей та їх сегментів;

- апгрейд інтелектуальних та комунікативних навичок.

11 Теги: В даному кейсі містяться посилання на розділи й уроки, що відповідають шкільній програмі: електомагнітна хвиля, звукові коливання, освітленість, світловий потік, поглинання, відбивання, метали, анод, катод, електрохімічна реакція, іон, імовірність
The End