327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
24.02.2017


Кейс - урок "Окно в мир"
Кейс - урок "Окно в мир"

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 8-11

Тема: Прикладная наука

Цель: Узнать, как современные технологии отразились в таком обычном предмете, как окно

 

Какая информация меня здесь ждет?

  • Каким образом окна помогают сохранять тепло?
  • Почему иллюминаторы делают округлыми?
  • Может ли окно считаться оптическим устройством?
  • Какие окна самые-самые прочные?
  • Какие фундаментальные и практические знания мне пригодятся?
  • Какими были старинные окна?
  • Как подсчитать стоимость окна?

 

 

6 разверток по предметам, явлениям и практикам:

 

Вступление

Окна. Для кого-то это слово ассоциируется с архитектурными изысками, у кого-то – с прекрасными витражами. Для одних окна – это, прежде всего информационная технология Windows. Для тех, кто задумывается об энергосбережении, окна – источник беспокойства из-за потерь тепла. Для инженеров-конструкторов окна – стимул искать необычные технические решения. А кто-то не задумывается обо всем этом, а просто наслаждается прекрасным видом из окна или каплями дождя на оконном стекле.

 

Так какие же научные тайны и загадки «видны из нашего окна»?

 

Физика

Окна наших домов – это не только источник «визуальной информации» и освещения. Они играют очень важную роль в процессах вентиляции помещений и сохранения в них тепла. По какому же принципу и опираясь на какие физические законы, они сохраняют тепло?

 

Передача тепла через окно происходит согласно закону сохранения внутренней энергии. Если рассматривать систему, состоящую из двух тел с разной температурой, то при контакте между ними начинается теплообмен. В этом процессе более нагретое тело будет отдавать тепло (тепловую энергию), а более холодное – получать его. Но суммарная внутренняя энергия этих тел должна сохраняться. Поэтому, насколько внутренняя энергия одного тела уменьшится, настолько же возрастет внутренняя энергия другого тела.
Применительно к тепловой энергии: количество тепла, отданное нагретым телом, равно количеству теплоты, полученному холодным телом (естественно, это будет величина «по модулю»).

 

Это выражение называется уравнением теплового баланса. Внутренняя энергия тела пропорциональна массе тела и его температуре, то есть:

 

Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 градус. Для оконного стекла удельная теплоемкость, например, составляет 840 Дж/(кг 0С), а для воздуха это величина не постоянная, а зависящая от давления, температуры и влажности:

 

Поэтому, задача окна – сберегать тепло зимой и отводить «лишнее» тепло летом, то есть сводить к минимуму сам процесс теплопередачи, иначе зимой воздух в более нагретом помещении будет отдавать тепло (окну и воздуху за окном), сам при этом охлаждаясь. А летом, наоборот, нагреваться, «забирая» тепло с душной улицы.

 

 

Рассмотрим для примера, какое количество теплоты способно «принять» наше окно, если за окном мороз -5, а в квартире +18 (по Цельсию)?

Возьмем обычное оконное стекло толщиною 4 мм. Массу можем вычислить исходя из справочных данных:

 

Если окно имеет размер 1,0 м на 1,5 м, то площадь его составит 1,5 кв.м. Тогда и масса будет 10*1,5 = 15 кг соответственно. Учитывая его теплопроводность и разницу температур, получим:

 

Это сравнимо с теплотой, необходимой для кипячения 0,9 литра воды (при теплоемкости воды 4.200 Дж/кг*С): 4200*0,9* (100 - 25) = 283.500 Дж = 283,5 кДж.

Но можно ли просто написать уравнение теплового баланса для окна и с его помощью объяснить и просчитать эти два процесса: защита от остывания зимой и зноя летом? Нет, так как окно с наружным и внутренним воздухом будет представлять гораздо более сложную систему, чем два тела с разной температурой. Тем более, если говорить про современные окна, имеющие разное межстекольное наполнение или специальное покрытие.

 

Поэтому, для окон используют понятия коэффициент теплопроводности (к) и сопротивление теплопередаче R0. Коэффициент теплопроводности характеризует количество тепла в ваттах (Вт), которое проходит через 1 квадратный метр окна (или другой конструкции) при разности температур по обе стороны от окна в 1 градус (чаще используют шкалу Кельвина, К). Единица измерения – Вт/кв.м*К. Чем меньше будет значение к, тем меньше теплопередача через окно, то есть выше его теплоизоляционные свойства. Величина сопротивление теплопередаче как раз это и характеризует. Но прямой взаимный пересчет этих величин невозможен из-за особенностей измерения составляющих параметров. При этом сертифицированные окна маркируются двумя этими показателями. Усредненные показатели сопротивления для разных типов окон таковы:

Одинарный стеклопакет – 0,18 Вт/кв.м*К

Двойной стеклопакет – 0,39 – 0,42 Вт/кв.м*К

Тройной стеклопакет – 0,55 Вт/кв.м*К

Именно поэтому между рамами используют аргон, как вещество с высоким сопротивлением теплопередаче и низкой теплопроводностью. Он служит своего рода теплоизоляционным материалом.

Вопрос:


Посмотрите, какие окна у вас дома: из какого материала изготовлены, сколько слоев этого материала использовано? Какова их роль в энергосбережении в вашем доме?

 

Технология

Привычные для нас окна имеют прямоугольную форму. Но окна-иллюминаторы, которые имеются на подводных лодках, космических кораблях и самолетах имеют круглую (овальную) форму. Почему?

 

Круглая форма объясняется тем, что она меньше ослабляет конструкцию. Квадратное окно имеет четыре 90-градусных угла, то есть у него есть целых четыре слабых места. Под давлением (а именно в таких условиях используют иллюминаторы) воздействие на углы наибольшее и трещины идут именно по этим местам. При круглой форме давление распределяется равномерно по всей поверхности. Да и с точки зрения технологичности, такие иллюминаторы лучше – легче в производстве и монтаже.

В отличие от теоретической прочности, прочность реального стекла не является физически обоснованным параметром. Она зависит от химического состава и технологии производства стекла, техники изготовления образцов и их размеров, физико-химических свойств окружающей среды и температуры испытания, скорости и длительности нагружения.

В современных самолетах есть еще небольшое отверстие в стекле иллюминаторов. На первый взгляд кажется, что оно сквозное, но это не так. Отверстие сделано только во внутреннем стекле.

 

Иллюминатор представляет собой своеобразный стеклопакет, в котором наружное стекло прочнее, чем внутреннее, так как на него воздействует давление, а внутреннее защищает от температурного воздействия. Отверстие во внутреннем стекле позволяет выравнивать давление, «засасывая» или, наоборот, выталкивая воздух из межстекольного пространства.

Какие же окна-иллюминаторы используют тогда на космических кораблях и станциях? Ведь условия их эксплуатации самые жесткие из всего ряда иллюминаторов.

Иллюминатор космического корабля является и конструктивным элементом, и оптическим устройством одновременно.

 

 

Стекло разрушается иначе, чем другие материалы. Сначала появляется микроскопическая трещина, вслед за этим разрушается все стекло. Поэтому, важно защищать стекло от микрометеорных потоков. Для этого стекло космических кораблей шлифую еще тщательнее, чем линзы оптических приборов, чтобы укрепить поверхность максимально возможно. Тем более, что иллюминаторы и сами являются частью оптической аппаратуры космического корабля.

Для увеличения светопропускания стекла иллюминаторов их защищают специальным покрытием (окись олова или индия, наносимая методом катодного распыления). Это очень важный момент при изготовлении иллюминаторов. Например, при полете космического аппарата к одной из комет, в ее составе обнаружили два ядра. Это было признано важным научным открытием. А по возвращении аппарата было выяснено, что второе ядро «появилось» вследствие запотевания иллюминатора, что привело к эффекту оптической призмы.

Постепенно традиционное стекло с покрытием будет вытесняться другими, более устойчивыми материалами: акриловыми пластиками. Это необходимо не только сточки зрения оптических эффектов и давления, но и с точки зрения температурного воздействия. При вхождении аппарата в атмосферу корабль подвергается именно температурному износу.

Акриловые пластики использовали, например, для иллюминаторов космического аппарата «Орион», предназначенного для доставки грузов и астронавтов на орбиту.

 

Итак, будущее за окнами технологичной формы со специальными покрытиями или изготовленными из полимерных материалов (например, на основе акрила). Такие окна призваны быть полифункциональными: быть защитой, оптическим приспособлением и источником освещения.

 

История/ Архитектура

За всю историю «эволюция» окон шла в двух направлениях: с одной стороны можно изучать эволюцию форм, размера, декора окон, с другой – изменение материалов, которые использовались для их изготовления.

Вид традиционного окна сложился еще в Античности. Чаще всего это окна квадратной или прямоугольной формы с различным декором. Со временем они трансформировались в окна с полукруглым верхом. Значительно реже использовались окна полукруглой или круглой формы. Их назначение было – дополнительное освещение.

 

 

Окна романского стиля стали «наследниками» всех стилей, которые были до них: окон Рима, окон Греции, окон зданий Древнего Востока. Поэтому формы таких окон были весьма разнообразны: прямоугольные, арочные, и даже такие, которые получили название «бициркульные» - похожие на две соседствующие арки. Вот только размер окон изменился: они стали маленькими. Почему? На место ровным крышам пришли сводчатые кровли, нагрузка на несущие стены возросла. Поэтому, чтобы не ослаблять стены и стали использовать небольшие окна. При этом такие окна легко меняли назначение: из источника освещения превращались в бойницы. Для этого внешняя сторона окна была больше внутренней.

 

Романский стиль сменился готическим. Высокие стрельчатые окна и розы (круглые окна) стали самостоятельными произведениями искусства. Очень часто окна соборов, церквей и дворцов делались витражными:

 

Пышность «барокко» пришла на смену величественности готики. Окна тоже претерпели изменение: стали использовать окна различных форм, но почти всегда они делались распашными с мелкими членениями. Они были богато декорированы и служили и для освещения, и для украшения фасада.

 

 

Окна периода «классицизма» стали изысканными и симметричными. Чаще всего они получали разделенные переплеты. Такие окна доминировали в архитектуре почти 100 лет (весь ХIХ век).

 

Окна ХХ века – разнообразны как по форме, так и по декору. На этот век пришлась целая плеяда стилей: модернизм, ар-нуво, арт-деко, конструктивизм и многие другие.

 

 

Современность не отстает в разнообразии оконных стилей, так как использует почти все исторические типы окон, дополнив его несколькими современными направлениями. Например, направление биотек. Основная его идея – выразительность за счет использования природных форм.

 

 

Что же касается эволюции материалов, то она прошла от бычьего пузыря до современных пластиков и стекол со специальным покрытием.

 

Современные окна, как отголосок романского стиля, тоже могут быть витражными:

Иногда мы слышим необычные названия окон: слепое окно, французское окно, венецианские окна, слуховое окно, мансардное окно. Что же это за окна?

 

Современная архитектура дает возможность использовать различные типы окон, и только от мастерства и фантазии архитекторов и дизайнеров зависит, будут ли они еще и функциональны.

Задание:


Пофантазируйте, какие окна вы хотели бы видеть в доме будущего.

 

Личностный рост

Психология человека дает основания питать иллюзии. Особенно, если человек привык к стереотипам: вода мокрая, дерево твердое, окно прямоугольное…

Посмотрите внимательно, какая форма у этого окна?

Это окно трапециевидной формы! Вот в чем кроется разгадка иллюзии:

Приспособление для демонстрации этой иллюзии состоит из поверхности трапециевидной формы, на обеих сторонах которой оконные проемы и тени нарисованы таким образом, что наблюдателю кажется, будто перед ним — повернутое под небольшим углом окно прямоугольной формы!

На самом же деле окно имеет форму трапеции. Мы настолько привыкли к прямоугольным окнам, что и это окно, если смотреть на него прямо, тоже кажется прямоугольным, но повернутым под некоторым углом (если не хватает признаков глубины и удаленности, которые говорили бы о том, что на самом деле оно вовсе не наклонено и не повернуто).

Трапециевидное окно монтируется на вертикальной штанге и приводится во вращение небольшим мотором (скорость вращения — от 3 до 6 оборотов за минуту). Если смотреть на вращающееся окно одним глазом с расстояния, равного примерно 3 м, или двумя глазами с расстояния б м или больше, то кажется, будто, повернувшись на 180°, окно мгновенно останавливается и изменяет направление вращения, т. е. оно покачивается вдоль оси штанги. Иными словами, оно воспринимается не как вращающаяся трапеция, а как качающийся прямоугольник, изменяющий направление своего вращения через каждые 180°.

 

Информация

Окно – это еще и современная информационная технология. Как же она работает? Суть ее заключается в том, что для каждой программы на экране отводится прямоугольный сектор – окно. Окно (англ. Window) – элемент, ставший основой операционной системы Windows. При этом все операции с данной программой пользователь выполняет именно в нем. При использовании нескольких окон, между ними постоянно перемещается информация или другие объекты.

Окнами являются практически все видимые пользователю объекты (и часть невидимых тоже). Окна приложений считаются окнами верхнего уровня. Окна, которые открываются внутри приложения – подчиненными. Для каждого из них определено «родительское» окно, то есть такое, из которого они были вызваны.

Например, окно для вставки элемента Smart Art и родительское окно – приложение Word.

 

Каждое окно имеет размер и координаты. Координаты могут меняться: для родительских окон относительно верхнего левого угла экрана, для подчиненных – относительно верхнего левого угла родительского окна. Для взаимодействия между окнами существуют сообщения. Каждое событие (нажатие кнопки мыши, например) вызывает посылку сообщения соответствующему окну. Программа для такой операционной системы состоит из обработки этих сообщений. При этом для каждого типа окон существует свой класс – специальный набор данных и функций.

 

Бизнес

Все современные дома строят с новыми окнами. В старых домах, там, где это возможно, старые окна стараются заменить новыми энергосберегающими окнами. При этом важно учитывать архитектурный облик здания в целом и историческую, архитектурную ценность старых окон.

Из чего же складывается цена нового энергосберегающего окна?

 

Установка энергосберегающих окон – это не только статья расходов, но и возможность экономии тепла и, соответственно средств на обогрев помещение. При этом очень важно правильно подобрать конструкцию и тип окна, чтобы соблюсти баланс «освещение-энергосбережение-цена».

Подведение итогов урока:

Наименование

Содержание

1

Результаты кейс - урока можно дополнить такими находками учеников

 

2

Какие 3 сайта помогли найти важную информацию?

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BB%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80

http://edufuture.biz/index.php?title=%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0%BD%D1%83%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%B9_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8

 

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BB%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80

http://yuschikev.narod.ru/Teoria/WindowsXP/Windows1-2.html

http://www.stroyka-nn.ru/?id=39956

 

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BB%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80

http://edufuture.biz/index.php?title=%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0%BD%D1%83%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%B9_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8

http://hi-news.ru/technology/iz-chego-sdelany-illyuminatory-kosmicheskogo-korablya-orion.html

http://cosmopark.ru/glass.htm

http://www.dpva.info/Guide/GuideMedias/GuideAir/DryAirSpecHeat/

http://www.journal.esco.co.ua/2011_11/art198.htm

http://caspiy.net/knigi/prochnost-stekla-ionoobmennoe-uprochnenie/61-prochnost-stekla-ionoobmennoe-uprochnenie-glava-1-prochnost-stekla.html

 

5

Локация проведения кейс - урока:

Кейс - урок проходит в классе. Возможно проведение в музее, библиотеке.

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил:….

Задания для них:

1.Какие материалы используются для изготовления современных окон?

2. Подсчитайте, какое количество тепла способно принять стекло толщиной 5 мм и размером 1,7 кв. м при нагревании на 5 градусов?

 

7

Домашнее задание:

 Сформулировать по пять вопросов к материалу кейса (индивидуальное задание).

8

Продолжительность:

90 мин (спаренный урок)

 

9

Возможность схемы проведения с учеником-дублером

 

возможно.

10

Полученные знания и наработанные компетенции:

 Знание о физических закономерностях, лежащих в основе энергосберегающих технологий.

Знание о технологических особенностях современных окон.

Получение практических навыков применения полученной информации.

Знание о принципе работы оконной информационной технологии.

Получение конкретных знаний по физике, истории, психологии и других разделов (приведены в развертках).

11

Теги:

 закон сохранения энергии, тепловой баланс, теплопроводность, теплоемкость, сопротивление теплопередаче, иллюминатор, иллюзия, операционная система, родительская программа, окно

12

Авторы:

 Грабовская Лариса Леонидовна

13

Принимали участие в апгрейде кейса:

 

 

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середнього розміру.

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!