297
з історії

132
учня

72
для 11 классу

244
відкореговано


Вашій увазі

415
кейсів
Останнє оновлення:
22.01.2017


Кейс-урок «Вікно у світ»
Кейс-урок «Вікно у світ»

Розділ: Науки, природа і людина

Рівень (клас): 8-11

Тема: Прикладна наука

Мета: Дізнатися, як сучасні технології відобразилися в такому звичайному предметі, як вікно.

 

Яка інформація мене тут чекає?

  • Яким чином вікна допомагають зберігати тепло?
  • Чому ілюмінатори роблять округлими?
  • Чи може вікно вважатися оптичним пристроєм?
  • Які вікна найміцніші?
  • Які фундаментальні і практичні знання мені згодяться?
  • Якими були старовинні вікна?
  • Як підрахувати вартість вікна?
6 розгорток з предметів, явищ та практик:
Вступ

Вікна. У когось це слово асоціюється з архітектурною вишуканістю, у когось – з прекрасними вітражами. Для одних вікна – це, перш за все, інформаційна технологія Windows. Для інших – джерело занепокоєння через втрату тепла. Для інженерів-конструкторів вікна – стимул шукати незвичайні технічні рішення. А хтось не замислюється про все це, а просто насолоджується прекрасним краєвидом з вікна або краплями дощу на віконному склі.

 

Які ж наукові таємниці і загадки «можна побачити з нашого вікна»?

Фізика

Вікна наших будинків – це не лише джерело «візуальної інформації» і освітлення. Вони відіграють дуже важливу роль у процесах вентиляції приміщень і збереження в них тепла. За якими фізичними законами і принципами вони зберігають тепло?

 

Передача тепла через вікно відбувається за законом збереження внутрішньої енергії. Якщо розглядати систему, що складається з двох тіл з різною температурою, то при контакті між ними починається теплообмін. У цьому процесі більш нагріте тіло буде віддавати тепло (теплову енергію), а холодніше – отримувати його. Але сумарна внутрішня енергія цих тіл повинна зберігатися. Тому, наскільки внутрішня енергія одного тіла зменшиться, настільки ж зросте внутрішня енергія іншого тіла.

Стосовно теплової енергії: кількість тепла, віддана нагрітим тілом, дорівнює кількості теплоти, що отримує холодне тіло (звичайно, це буде величина «по модулю»):

 

Цей вираз називається рівнянням теплового балансу. Внутрішня енергія тіла пропорційна масі тіла і його температурі, тобто:

 

Питома теплоємність показує, яка кількість теплоти необхідна для нагрівання 1 кг речовини на 1 градус. Для віконного скла питома теплоємність, наприклад, складає 840 Дж/(кг•°С), а для повітря ця величина не постійна, а залежна від тиску, температури і вологості:

 

Тому завдання вікна – зберігати тепло взимку і відводити «зайве» тепло влітку, тобто зводити до мінімуму процес теплопередачі. Інакше взимку повітря в більш нагрітому приміщенні віддаватиме тепло (вікну і повітрю за вікном) і при цьому буде охолоджуватися. А влітку, навпаки, нагріватися, «забираючи» тепло з вулиці.

 

Як приклад, розглянемо, яку кількість теплоти здатне «прийняти» наше вікно, якщо за вікном мороз -5, а в квартирі +18 (за Цельсієм).

Візьмемо звичайне віконне скло товщиною 4 мм. Масу можемо обчислити, виходячи з довідкових даних:

 

Якщо вікно має розмір 1,0 м на 1,5 м, то площа його складатиме 1,5 м². Тоді і маса буде 10х1,5 = 15 кг відповідно. Враховуючи його теплопровідність і різницю температур, отримаємо:

 

Це порівняно з теплотою, яка необхідна для кип'ятіння 0,9 л води (при теплоємності води 4200 Дж/(кг•°С)): 4200х0,9х(100 - 25) = 283500 Дж = 283,5 кДж.

Але чи можна просто написати рівняння теплового балансу для вікна і за його допомогою пояснити і прорахувати ці два процеси: захист від охолодження зимою і спеки влітку? Ні, оскільки вікно із зовнішнім і внутрішнім повітрям представлятиме набагато складнішу систему, ніж два тіла з різною температурою. Тим більше, якщо говорити про сучасні вікна, які мають різні конструкції і характеристики:

 

Тому для вікон використовують поняття коефіцієнт теплопровідності (к) і опір теплопередачі R0. Коефіцієнт теплопровідності характеризує кількість тепла у ватах (Вт), яке проходить через 1 м² вікна (або іншої конструкції) при різниці температур по обидві сторони вікна в 1°С (частіше використовують шкалу Кельвіна, К). Одиниця виміру – Вт/м²•К. Чим менше буде значення К, тим меншою буде теплопередача через вікно, тобто будуть вищими його теплоізоляційні властивості. Величина опору теплопередачі якраз це і характеризує. Але прямий взаємний перерахунок цих величин неможливий через особливості виміру складових параметрів. При цьому сертифіковані вікна маркуються двома цими показниками. Середні показники опору для різних типів вікон наступні:

- однокамерний склопакет – 0,18Вт/м²•К;

- двокамерний склопакет – 0,39-0,42Вт/м²•К;

- трикамерний склопакет – 0,55Вт/м²•К.

Саме тому між рамами використовують аргон, як речовину з високим опором теплопередачі і низькою теплопровідністю. Він слугує свого роду теплоізоляційним матеріалом.

Питання:


Зверніть увагу, які вікна у вас вдома: з якого матеріалу виготовлені, скільки шарів цього матеріалу використано? Яка їх роль в енергозбереженні у вашій квартирі?

Технологія

Звичні для нас вікна мають прямокутну форму. Але вікна-ілюмінатори, які є на підводних човнах, космічних кораблях і літаках мають круглу (овальну) форму. Чому?

 

Кругла форма пояснюється тим, що вона менше ослаблює конструкцію. Квадратне вікно має чотири 90-градусні кути, тобто у нього є цілих чотири слабкі місця. Під тиском (а саме для таких умов використовують ілюмінатори) дія на кути найбільша і тріщини виникають саме у цих місцях. При круглій формі тиск розподіляється рівномірно по всій поверхні. З точки зору технологічності, ілюмінатори легше виготовляти і проводити з ними монтажні роботи.

На відміну від теоретичної міцності, міцність реального скла не є фізично обгрунтованим параметром. Вона залежить від хімічного складу і технології виробництва скла, техніки виготовлення зразків і їх розмірів, фізико-хімічних властивостей навколишнього середовища і температури випробування, швидкості і тривалості навантаження.

У сучасних літаках є невеликий отвір у склі ілюмінаторів. На перший погляд здається, що він наскрізний, але це не так. Отвір зроблений лише у внутрішньому склі:

 

Ілюмінатором є своєрідний склопакет, в якому зовнішнє скло міцніше, ніж внутрішнє, оскільки на нього впливає тиск, а внутрішнє захищає від температурної дії. Отвір у внутрішньому склі дозволяє вирівнювати тиск, «засмоктуючи» або, навпаки, виштовхуючи повітря з простору між листами скла.

Які ж вікна-ілюмінатори використовують на космічних кораблях і станціях, адже умови їх експлуатації є досить жорсткими?

Ілюмінатор космічного корабля є конструктивним і оптичним елементом одночасно:

 

Скло руйнується інакше, ніж інші матеріали. Спочатку з'являється мікроскопічна тріщина, а вслід за цим руйнується все скло. Тому важливо захищати його від мікрометеорних потоків. Для цього скло космічних кораблів шліфують ще ретельніше, ніж лінзи оптичних приладів, щоб максимально укріпити поверхню. Тим більше, що ілюмінатори є частиною оптичної апаратури космічного корабля.

 

Для збільшення світлопропускання скла ілюмінаторів їх захищають спеціальним покриттям (окись олова або індія, що наноситься методом катодного розпилення). Це дуже важливий момент при виготовленні ілюмінаторів. Наприклад, при польоті космічного апарата до однієї з комет в її складі виявили два ядра. Це було визнано важливим науковим відкриттям. А після повернення апарата було з'ясовано, що друге ядро «з'явилося» внаслідок запотівання ілюмінатора, що призвело до ефекту оптичної призми.

Поступово традиційне скло з покриттям буде витіснятися іншими, стійкішими матеріалами – акриловими пластиками. Це необхідно не лише з точки зору оптичних ефектів і тиску, але і з точки зору температурної дії. При входженні апарата в атмосферу корабель піддається саме температурному впливу.

Акрилові пластики використовували, наприклад, для ілюмінаторів космічного апарата «Оріон», призначеного для доставки вантажів і астронавтів на орбіту:

 

Отже, майбутнє за вікнами технологічної форми зі спеціальними покриттями або виготовленими з полімерних матеріалів (наприклад, на основі акрилу). Такі вікна покликані бути поліфункціональними: бути захистом, оптичним пристроєм і джерелом освітлення.

Історія/Архітектура

За всю історію «еволюція» вікон відбувалася по двох напрямах: з одного боку можна вивчати еволюцію форм, розміру, декору вікон, з іншого – зміну матеріалів, які використовувалися для їх виготовлення.

Вигляд традиційного вікна походить ще з Античності. Найчастіше це вікна квадратної або прямокутної форми з різним декором. З часом вони трансформувалися у вікна з напівкруглим верхом. Значно рідше використовувалися вікна напівкруглої або круглої форми. Їх призначення– додаткове освітлення:

 

Вікна романського стилю стали «спадкоємцями» всіх стилів, які були до них: вікон Риму, Греції, Стародавнього Сходу. Тому форми таких вікон були дуже різноманітними: прямокутні, арочні, і навіть такі, які отримали назву «біциркульні» – схожі на дві сусідні арки. Змінився тільки розмір вікон: вони стали маленькими. Чому? Замість рівних дахів з'явилися куполоподібні, навантаження на стіни зросло. Тому, щоб ослабити тиск на стіни, почали використовувати невеликі вікна. При цьому такі вікна легко змінювали своє призначення: з джерела освітлення перетворювалися на бійниці. Для цього зовнішня сторона вікна була більшою, ніж внутрішня:

 

Романський стиль змінився готичним. Високі стрілчаті вікна і «троянди» (круглі вікна) стали самостійними витворами мистецтва. Дуже часто вікна соборів, каплиць в замках короля і палаців прикрашали вітражами:

 

Пишнота «бароко» прийшла на зміну величності готики. Вікна теж зазнали змін: почали використовувати вікна різних форм, але майже завжди вони були розпашні. Вікна розкішно декорували, вони слугували і для освітлення, і для прикраси фасаду:

 

Вікна періоду «класицизму» стали вишуканими і симетричними. Найчастіше вони були розділені рамами. Такі вікна домінували в архітектурі майже 100 років (все ХIХ ст.):

 

Вікна ХХ ст. різноманітні як за формою, так і за декором. На це століття припала ціла плеяда стилів: модернізм, ар-нуво (модерн), арт-деко, конструктивізм і багато інших:

 

Сучасність не відстає в різноманітності віконних стилів, оскільки використовує майже всі історичні типи вікон і декілька сучасних напрямів. Наприклад, напрям біо-тек (архітектурно-будівельна біоніка). Його основна ідея – виразність конструкцій за рахунок запозичення природних форм:

 

Еволюція матеріалів, з яких виготовлялися вікна у різні часи, пройшла етапи від бичачого міхура до сучасних пластиків і скла зі спеціальним покриттям:

 

Сучасні вікна також можуть бути вітражними:

 

Інколи ми чуємо незвичайні назви вікон: сліпе, французьке, венеціанське, слухове, мансардне та ін. Що ж це за вікна?

 

Сучасна архітектура надає можливість використовувати різні типи вікон, і лише від майстерності і фантазії архітекторів і дизайнерів залежить, чи будуть вони ще і функціональними.

Завдання:


Пофантазуйте, якими ви бачите вікна в будинку майбутнього?

Психологія

Психологія людини дає підстави живити ілюзії. Особливо, якщо людина звикла до стереотипів: вода мокра, дерево тверде, вікно прямокутне.

Погляньте уважно, яка форма цього вікна?

Це вікно трапецієвидної форми! Ось в чому криється розгадка ілюзії:

Пристосування для демонстрації цієї ілюзії складається з поверхні трапецієвидної форми, на обох сторонах якої віконні отвори і тіні намальовані таким чином, що спостерігачеві здається, ніби перед ним — повернуте під невеликим кутом вікно прямокутної форми.

Насправді вікно має форму трапеції. Ми настільки звикли до прямокутних вікон, що і це вікно, якщо дивитися на нього прямо, теж здається прямокутним, але повернутим під деяким кутом (якщо не вистачає ознак глибини і віддаленості, які говорили б про те, що насправді воно зовсім не нахилене і не повернуте).

Трапецієвидне вікно вмонтовується на вертикальній штанзі і приводиться в обертання невеликим мотором (швидкість обертання — від 3 до 6 обертів за хвилину). Якщо дивитися на вікно, що обертається, одним оком на відстані приблизно 3 м або двома очима на відстані 6 м або більше, то здається, ніби, обернувшись на 180°, вікно миттєво зупиняється і змінює напрям обертання, тобто воно погойдується уздовж осі штанги. Іншими словами, воно сприймається не як трапеція, що обертається, а як прямокутник, що хитається, змінює напрям свого обертання через кожні 180°.

Інформація

Вікно – це ще і сучасна інформаційна технологія. Як вона працює? Суть її полягає в тому, що для кожної програми на екрані відводиться прямокутний сектор – вікно. Вікно (англ. Window) – елемент, що став основою операційної системи Windows. При цьому всі операції з даною програмою користувач виконує в ньому. При використанні декількох вікон між ними постійно переміщується інформація або інші об'єкти.

Вікнами є практично всі видимі користувачеві об'єкти (і частина невидимих теж). Вікна додатків вважаються вікнами верхнього рівня. Вікна, які відкриваються усередині додатка, – підлеглими. Для кожного з них визначено «батьківське» вікно, тобто таке, з якого вони були викликані.

Наприклад, вікно для вставки елементу SmartArt і батьківське вікно – додаток Word:

 

Кожне вікно має розмір і координати. Координати можуть змінюватися: для батьківських вікон відносно верхнього лівого кута екрану, для підлеглих – відносно верхнього лівого кута батьківського вікна. Для взаємодії між вікнами існують повідомлення. Кожна подія (наприклад, натиснення кнопки миші) викликає передачу повідомлення відповідного вікна. Програма для такої операційної системи складається з обробки цих повідомлень. При цьому для кожного типу вікон існує свій клас – спеціальний набір даних і функцій.

Бізнес

Усі сучасні будинки будують з новими вікнами. У старих будинках, там, де це можливо, старі вікна замінюють енергозберігаючими. При цьому важливо враховувати архітектурний стиль будинку, а також історичну та архітектурну цінність старих вікон.

З чого ж складається ціна нового енергозберігаючого вікна?

 

Установка енергозберігаючих вікон – це не лише стаття витрат, але і можливість економії тепла і, відповідно, засобів на обігрів приміщення. При цьому дуже важливо правильно підібрати конструкцію і тип вікна, щоб дотриматися балансу «освітлення-енергозбереження-ціна».

Підведення підсумків кейс-уроку:

Назва

Зміст

1

Результати кейс-уроку можна доповнити такими знахідками учнів:

 

2

Які 3 сайти допомогли знайти важливу інформацію?

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%80http://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

На допомогу учню і 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

Де знаходити інформацію для кейсу:

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

Локація проведення кейс-уроку:

Кейс-урок проходить у класі. Можливе проведення в музеї, бібліотеці.

6

Змагання:

Команди хлопчиків і дівчаток.

Рахунок склав:….

Завдання для них:

1.Які матеріали використовуються для виготовлення сучасних вікон?

2. Підрахуйте, яку кількість тепла може прийняти скло товщиною 5 мм

і розміром 1,7 м² при нагріванні на 5°С?

 

7

Домашнє завдання:

Сформулювати по п'ять питань до матеріалу кейсу

(індивідуальне завдання).

8

Тривалість:

 

90 хвилин (спарений урок)

 

9

Можливість схеми заняття з учнем-дублером: 

Можливо.

10

Отримані знання і напрацьовані компетенції:

Знання про фізичні закономірності, що знаходяться в основі

енергозберігаючих технологій.

Знання про технологічні особливості сучасних вікон.

Здобуття практичних навичок застосування отриманої інформації.

Знання про принцип роботи віконної інформаційної технології.

Здобуття конкретних знань з фізики, історії, психології та інших розділів

(наведені в розгортках).

11

Теги:

Закон збереження енергії, тепловий баланс, теплопровідність, теплоємність,

опір теплопередачі, ілюмінатор, ілюзія, операційна система,

батьківська програма, вікно

12

Автори:

 Грабовська Лариса Леонідівна

13

Брали участь в апгрейді кейсу:

 
The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середньго 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!