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 телефона.

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 телефона?
  • 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.В ньому є функції, якими ми користуємося найчастіше (15-20). Є й 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 телефона. 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 всього 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 гаджетів :). 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 телефона грунтується, 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 в ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач.

Для передачі звуку 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 в 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 в свій бік.

Стільниковий зв'язок – один із 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 представляє собою коло. Але ж такі кола частково перекриваються, от і утворюються шестикутники – чарунки (комірки) стільника. Саме тому мобільний зв'язок інакше 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 знаходяться в контакті, обмінюються даними. Зв'язок може бути як цифровим, так і аналоговим. Радіус дії такої станції – 35 км. Телефон може вимірювати рівень сигналу 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 хвилямЕлектромагнітна 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 всю мережу. Хвиля розповсюджується за рахунок коливань 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.

В залежності 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 – в залежності від довжини електромагнітної хвилі.

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

Це викликано ймовірністю, хоча й дуже-дуже малою, що частота роботи телефона і приладів літака збігатимуться.

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

Для літака діапазон робочих частот складає 90-150 Гц. Це з врахуванням приладів навігаційно-пілотажного призначення. Для частини приладів, що використовуються маяками аеропортів, робочими частотами є частоти діапазону 329-335 МГц. Частота ж роботи телефона із стандартом GSM становить 1-2 ГГц, а із стандартом UMTS 2-4 ГГц. Для 3G частота також складає 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 телефона – світлові. Насамперед, мова йде про екрани наших телефонів. Більшість сучасних телефонів мають сенсорні екрани. Розвиток сенсорних технологій відбувається за двома напрямками: резистивні сенсори (такі, якими 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 представляє собою скляну панель, вкриту прозорим резистивним матеріалом (зазвичай застосовується сплав оксиду індію та оксиду олова). Електроди, розташовані по кутах екрана, подають на провідний шар невелику змінну напругу (однакову для всіх кутів). При торканні екрану пальцем або іншим  предметом, що проводить струм, з'являється витік струму. При цьому, чим ближче палець до електрода, тим менше опір екрану. А це означає, що сила струму більша. Струм у всіх чотирьох кутах реєструється датчиками і передається в контролер, що обчислює координати точки дотику.

Але у таких ємнісних технологій є суттєвий недолік – ускладнене керування на холоді. Резистивні технології не мають такого недоліку.

Сонячні промені впливають на екран: чим вища допустима яскравість екрану, 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 випромінення) буде залежати від кольору поверхні. Тобто кожен піксель екрану буде відбивати і поглинати світло у своїх власних пропорціях в залежності від кольору.

Отже, для користувача важлива освітленість екрану телефона.
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 (в квадратних метрах).

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

 

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

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

Завдання:

А яка освітленість екрана вашого телефона 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 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 (найрозповсюдженіші 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 вміщений в герметичний корпус.

Окремим видом акумуляторів є торієві. Це акумулятори нового покоління, які саме зараз "роблять крок" із дослідницьких лабораторій в реальне життя.
Торій (Th) – метал із слабкою радіоактивністю. Шкоди життю і здоров'ю людини він не несе (виняток – потрапляння безпосередньо в кров). В 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 (в тому числі і 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 зустрічаються лише в старих моделях телефонів.

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

В загальному вигляді електрохімічні реакції, що протікають в акумуляторі, можна представити наступним чином. Уявимо собі металеву пластину, що занурена у воду. Під дією полярних молекул води іони металу відриваються від поверхні пластини і гідратованими переходять в 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 іонів із зарядом n+

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

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

Для літія, 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 іони, 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 літія на катоді проходитиме такий процес:

Li+(p) + e = Li (тв)

 На аноді йде подальше окислення іонів металу:

Me(p)n+ - хe = Me(p)(n+x)+

де xe - «відірвані» при окисленні x електронів

Me(p) (n+x)+ - метал в окисленій формі, що отримав новий заряд (n+x)

Враховуючи можливий ступінь окиснення для літія (+1), цей процес буде відбуватися 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 Арагоннської національної лабораторії, який досліджує літій-іонні акумулятори. Він проводить аналогію між акумулятором і відром з водою. Зарядка – наповнення відра. Обєм відра – місткість акумулятора (ємність), швидкість з якою його можна заповнити – потужність. Але час, вплив температури та інші фактори утворюють «дірку» у відрі. По аналогії з відром – «вода просочується». Іони літія забираються, звя’зуються. Вони втрачають можливість пересуватися між електродами. З плином часу таких зв'язаних іонів більшає. Телефон, який заряджався раз на кілька днів, заряджається кожну добу. Врешті зв’яжеться така кількість іонів, що акумулятор не буде містити хоч якогось корисного заряду – «відро припинить тримати воду».

А чому жара шкідлива для мого телефона? 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 телефона.

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 і 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 і 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 ВНЗ країни.

Завдання:

Дослідіть, якими саме ознаками штучного інтелекту володіє ваш телефон?

Мода

Не встигне з’явитися нова модель, навіть не в продажі, 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 усі зміни життя.

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

Наприклад, за iPhone 6S черги шикувалися за 4 дня до старту продажів:

 

Черга за iPhone 6S в Німеччині

Рекламні кампанії просувають не лише сам телефон, а й супутні товари (мобільні аксесуари): гарнітури, навушники, чохли чи брелоки, тощо. В цьому випадку для дизайнерів відкривається величезний простір для творчості: вдало підібране рішення, модний варіант оздоблення, використання популярного образу — і ми маємо «ідеальний» модний товар. В такому випадку привабливість підсилюється: модний телефон в чохлі від відомого виробника із 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 самоціль: купляти нове лише заради статусу, а не заради можливостей.

Хоча для багатьох людей питання статусності також дуже важливе, так як вони звертають увагу на бренди. Технологія «розкрутки» брендів дозволяє товару ставати таким, що легко впізнається. Це дозволяє, в 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 "вектору" (показник престижу) в суспільстві переважно негативне. Але, з іншого боку, саме він визначає перспективи розвитку нових технологій і споживчих якостей товару.

Завдання:

Запропонуйте власний варіант модного телефона для дівчаток і для хлопців.

Акселеративні активності

"Розсміши смайлик" 

Суть гри: Вчитель 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 учня 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 вміння концентруватися, грамотність написання тексту, навички швидкого друку на клавіатурі, позитивне мислення, кмітливість.

"Перекладач на мову емодзі"

Суть гри: Вчитель пропонує учням "перекласти" невеличкий фрагмент тексту якогось  відомого твору чи вірша за допомогою смайликів-емодзі, які зазвичай використовуються 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 вміння концентруватися, грамотність написання тексту, навички швидкого друку на клавіатурі, позитивне мислення, кмітливість.

Підведення підсумків уроку
Найменування Зміст
1 Результати кейс-уроку можно 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 кейсу: 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 з площею екрану 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 телефона, в якому протягом року замінювали екран, карту і акумулятор?
7 Домашнє завдання: Сформулювати по п’ять запитань до кейсу (індивідуальне завдання кожному учню).
8 Тривалість: 45 хвилин (академічна година)

 

9 Можливість схеми проведення з учнем-дублером:

 

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

- вміння креативно використовувати отриману інформацію з практичною метою;

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

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

- апгрейд інтелектуальних та комунікативних навичок.

11 Теги: В даному кейсі містяться посилання на розділи і уроки, що відповідають шкільній програмі: електомагнітна хвиля, звукові коливання, освітленість, світловий потік, поглинання, відбивання, метали, анод, катод, електрохімічна реакція, іон, ймовірність
The End
1
Всі коментарі
  1. natasha
    23.04.2019 11:17

    Дякую за кейс!!