Эволюция или революция света? Современные технологии освещения

Кейс «Источники света»

Выводы по уроку:

Напишите, что вы думаете по вопросу: «является ли изменения в системах освещения эволюцией или революцией?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Дисциплина «Электротехника и электроника». Тема «Источники света

преподаватель Константинова О.В.

тема урока: Эволюция или революция света?

Цели урока Образовательная:

• сформировать у обучающихся знания о искусственных источниках света;

• продолжить работу по формированию умений работать с источниками информации.

Развивающая:

• способствовать развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в ходе урока;

• формировать умения выделять главное, сопоставлять, делать выводы; развивать речь

Воспитательные:

• способствовать формированию научного мировоззрения,

• показать необходимость сотрудничества в процессе совместного выполнения заданий,

• создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу.

Формы организации работы обучающихся:

• Индивидуальная, фронтальная, групповая,

Формы организации работы преподавателя:

• проверка ранее изученного материала, организация восприятия новой информации

• постановка цели занятия перед учащимися;

• обобщение изучаемого на уроке и введение его в систему ранее усвоенных знаний.

Методы обучения: эвристический метод, исследовательский, объяснительно-репродуктивный,

Формы обучения: наглядные, практические (работа с литературой); фронтальная работа, самостоятельная работа, беседа по вопросам.

Оборудование: компьютер или ноутбук для учителя, мультимедийный проектор, экран, источники света, тела разных размеров.

Ход урока

1. Организационный момент

2. Постановка целей и задач урока

Эволюция и революция. Очень похожие слова, но выражают способы развития и разных качественных преобразований. Если эволюция – это плавное развитие, процесс постепенного непрерывного количественного изменения, который подготавливет качественные изменения, то революция – коренной переворот, резкий скачкообразный переход от одного качественного состояния к другому.

Истории известны кровавые социальные революции, приведшие к свержению одного строя и замене его другим, что повлекло за собой тяжелые последствия. Были и тихие революции, без кровопролития, но счастливее от них никто не стал. Например, НТР сломала инертность мышления, ввела человечество в мир новых скоростей и технологий, улучшила наш быт, но породила жесткую конкуренцию, противостояние, вражду и поставила человечество на грань самоуничтожения. Сейчас много говорится о том, что человечество стоит на пороге нового витка эволюции и необходима революция сознания.

Мы устроены так, что наш ум привык все происходящее оценивать и разделять на хорошо и плохо, на добро и зло, на свет и тьму. Такие изменения в системах жизнеобеспечения человечества идут во весь ход, в том числе в системах освещения и результатом нашей деятельности на уроке должны быть выводы, с чем связаны тенденции изменения в системах освещения. Является ли эти изменения эволюцией или революцией в развитии источников света. Сегодня мы попробуем найти ответ, на поставленный вопрос, решая проблемы в новой для нас технологии активного обучения. Нам предстоит вспомнить физику и химию, материаловедение и стандартизацию, историю и экономику, право и охрану труда, экологию и английский язык. Изучая эти дисциплины вы много узнали, так давайте на основе тех знаний и поиска новой информации, мы попытаемся ответить на поставленный вопрос урока.

Но для начала вспомним магазин, где продаются лампы для освещения и посмотрим ассортимент доступных ламп.

Какие типы ламп Вы знаете? (вопрос устный)

Чем же отличаются эти лампы друг от друга?

Итак, мы выяснили что у ламп отличаются техническими характеристиками и природа получения света.

Страничка истории №1.

История света — интересная тема для всех, кто задумывается об окружающих наш мир вещах и явлениях. Дома, на работе, на улице, в транспорте нас окружают десятки и сотни привычных и незаметных вещей, делающих нашу жизнь проще и интересней. Что мы делаем, только-только переступив порог дома? Закрываем дверь? Снимаем обувь? Да. И заодно делаем небольшой жест рукой, нажимаем выключатель и комнату заливает яркий свет. Всё так просто. Но, конечно, так было далеко не всегда. Прочтите информацию на листе №2 и расставьте год изобретения годных для эксплуатации ламп различного типа и порядок их создания

Страничка физики №2

«И сказал Бог: «Да будет свет!», и стал свет». Всем известны эти слова из Библии и всем понятно: жизнь без него невозможна. Но что такое свет по своей природе? Из чего состоит он и какие имеет свойства? Давайте вспомним физику. Прочитайте информацию на листе № 1 и определите, какой способ получения света используется в основных типах ламп?

Страничка материаловедение и химия №3.

Ваша цель изучить устройство различных ламп по листу информации №3 и определить какие материалы и веществ необходимы для производства ламп?

Страничка стандартизации №4

В век глобализации закономерны единые требования к производству товаров потребления. Для начала давайте ознакомимся с основными параметрами для ламп, которые устанавливают государственные стандарты ( по слайду)

Задание: по листу №4 для электрических ламп вы ознакомитесь с основными параметрами ламп, в кейс Вы выпишите основные параметры для всех типов ламп и оцените их на свой взгляд. Если вы считаете этот параметр преимущество то рядом поставьте «+», если недостатком «-».

Страничка экономики № 5

В экономии энергии нет мело­чей. И это де­ло каждого житель нашей планеты. Но каким образом каждый из нас может участвовать в энергосбережении? Нужно лишь не проходить мимо бездум­ного растранжиривания энергии. На освещение в России тратиться до 14% всей вырабатываемой электроэнергии. Но эта энергия потребляется в основном лампами накаливания - устройствами, кпд которых не превышает 3-6%. Переход на более экономные источники света поможет принести и больше света в наши помещения и большую экономию энергии. Использую лист информации №5, а так же величину светоотдачи ламп вы должны определить во сколько раз светоотдача современных ламп больше чем лампы накаливания, которую уже запретили к производству во многих странах, в том числе и в России с 1 января 2011 года. Но просто запретами вряд ли получится добиться необходимого и только реальная финансовая выгода может поставить точку в этом спорном деле. Итак, рассчитайте во сколько раз газоразрядная, галогенная и светодиодная энергоэффективней лампы накаливания, светодиодная эффективней газоразрядной и галогенной

Страничка Английский язык № 6

Используя лист № 6 Прочтите и дайте совет покупателю источника света

Good afternoon my friend! Help me please to choose a lamp for my workplace. The incandescent lamp is ineffective. However, it is inexpensive. The led lamp is economical, but its cost is very big for me. A halogen lamp needs a special light, that I don't have. I think the fluorescent lamp is optimal for me. However, it should be remembered that it must be disposed of in a special way after the end of its work.

Ваш ответ I think I need to buy a _______________________lamp

добрый день мой друг! помогите мне пожалуйста выбрать лампу для моего рабочего места. Лампа накаливания малоэффективна. Однако она стоит недорого. Светодиодная лампа экономична, но её стоимость очень большая для меня. Для галогенной лампы нужен специальный светильник, которого у меня нет. Мне кажется газоразрядная люминесцентная лампа для меня оптимальна. однако нужно помнить что её нужно утилизировать специальным образом после окончания её работы.

Страничка законодательства и охраны труда ( ознакомительная, по слайду) (если есть время)

устанавливает стандарты по использованию ламп для госпотребителя. В частности, какие параметры должны быть у осветительных устройств наружного освещения, внутреннего освещения общественных и производственных зданий и для освещения объектов ЖКХ.

3. Подведение итогов и ДЗ

Провести анализ деятельности обучающихся в виде беседы с целью Какие лампы имеют преимущества по отдельным направлениям технических характеристик и свойств.Попросить внести письменные выводы в кейс.

Р асчет экономии энергии и денежных средств

Расчет сроков окупаемости энергосберегающих ламп. Сколько времени будут окупаться энергосберегающие лампы при их эксплуатации. На это будen влиять следующие факторы:время работы лампы в сутки; стоимость электроэнергии; стоимость лампы.

Мы составили уравнение, которое определит срок окупаемости лампы, приняв за:

«t» время работы ламы (час),

«Р₁» - мощность энергосберегающей лампы (Вт),

«Р₂» - мощьность лампы накаливания (Вт),

«С₁» -стоимость энергосберегающей лампы (руб.),

«С₂» - стоимость лампы накаливания (руб.),

«с» - стоимость 1кВт·час (руб/кВт·час);

«t₁»- время работы лампы в сутки, (час). Для задачи возьмем t₁ =4 часа

Тогда _{ }

С учетом времени работы лампы в сутки

С учетом, что по результатам эксперимента лампа накаливания 60 Вт дает такую же освещенность что и люминесцентная в 15 Вт, и светодиодная лента в 6 Вт, то проведем расчет сроков окупаемости для этих данных (без учет срока службы 1 лампы):

( расчет выполнить в тетради, ответ внести в кейс)

Сделайте вывод

Л ИСТ № 1 История развития электрических источников света.

История развития освещения началась в 1802 году с открытия электрической дуги между двумя угольными электродами Василием Владимировичем Петровым. Таким образом, впервые получен яркий белый свет или «пламя» посредством электрической энергии. Нельзя приписать изобретение электрической лампочки одному из её создателей. Каждый из них усовершенствовал и вносил в её конструкцию что – то новое. В 1840 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания с платиновой спиралью. В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал лампу в вакуумированном сосуде с обугленной бамбуковой нитью. В 1874 году российский инженер Александр Николаевич Лодыгин разработал лампу, состоящую из  вакуумированного сосуда и нити, изготовленной из угольного стержня, которую впоследствии он предложил заменить на нити накала из тугоплавких металлов: вольфрама и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. В 1879 году Томас Эдисон  изобрёл бытовой поворотный выключатель и резьбовой патрон, который до сих пор в его честь называется «Е». В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити, что вытесняет все другие виды нитей. В 1909 года Ирвинг Ленгмюр колбу ламп предложил заполнять инертными газами, чтобы уменьшить испарение нити в вакууме.

В 1949 году конструкторы немецкой фирмы OSRAM предложили заполнять колбу галогенами. В 1956 году американская корпорация General Electric запатентовала действующую галогенную лампочку.

В 1856 Генрих Гайсслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида (катушки), что является первым этапом к созданию газорязрядных источников света или люминесцентных ламп. В 1926 году Эдмунд Джермер продемонстрировал преобразование ультрафиолета в однородный белый свет. В 1934 создал ртутную лампу высокого давления. Он покрыл внутренние стенки лампы люминесцентным материалом. Люминофор превращал энергию ультрафиолетового излучения в белый равномерный свет, воспринимаемый человеческим глазом. В 1976 году появились компактные люминесцентные лампы.

В 1907 Генри Раунд при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC) открыл излучение света твёрдотельным диодом (электролюминесценция). Он обнаружил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде. В 1923 году Олег Владимирович Лосев нашел связь между люминесценцией в карбиде кремния и p-n переходом, то есть вблизи спая материалов, что послужило основой для создания светодиодов - малогабаритных твёрдотельных источников света с очень низким напряжением (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. В 1962 году Ник Холоньяк Создал светодиод, который работал в красном диапазоне. В 1968 году появились первые индикаторные светодиоды. В 1971 Жак Панков получил первый синий светодиод. В 1972 году Джордж Крафорд изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз. В 1976 году Т. Пирсол создал высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений. В 1990 году создали светодиод с большой светоотдачей, способной полностью заменить лампочку накаливания. Этому способствовали работы Исама Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамура создали дешевый синий светодиод (LED). Им троим была присуждена Нобелевская премия по физике в 2014 г. В 2006 году выпущены первые светодиодные лампы и ленты.

Л иСТ №2

Виды излучений. Источники света

Свет — это поток электромагнитных волн с длиной волны 4 • 10^-7—8 • 10^-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение . Наиболее простой и распространенный вид излучения — это тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловое излучение — это излучение нагретых тел. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся в нем атомы. Тепловыми источниками излучения являются, например, Солнце, пламя и обычная лампа накаливания.

Электролюминесценция. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают неупругие соударения с атомами.
Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. В результате этого разряд в газе сопровождается свечением, это и есть электролюминесценция. Северное сияние — тоже проявление электролюминесценции.
Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем, захватываются магнитным полем Земли.
Они возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоев атмосферы, из-за чего эти слои светятся. Явление электролюминесценции используется в светодиодах.

Катодолюминесценция . Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизора.

Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света.

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается и частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел.
Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на них излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю энергию), и после этого они высвечиваются сами. Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда. Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение.

Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Л ампы накаливания  — искусственный источник света, в котором свет испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры 2200 ... 2800 ⁰С. В качестве тела накала чаще всего используется спираль из вольфрама. Чтобы исключить окисление тела накала при контакте с воздухом, его помещают в вакуумированную колбу либо колбу, заполненную инертными газами. Устройство: 1 — колба; 2 — полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 — тело накала; 4, 5 — электроды (токовые вводы); 6 — крючки-держатели тела накала; 7 — ножка лампы; 8 — внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя. У всех ламп единые конструктивные элементы. Колба - прозрачное или матовое стекло. Тело накала – вольфрам, обладает высоким сопротивлением, может быть в виде проволочки, биспирали,_: тройной спирали. Электроды - молибден. Цоколь - как правило резьбовой. Для уменьшения испарения вольфрама лампы выполняют газонаполненными (аргон + азот или ксенон + криптон). Марки ламп накаливания: В -вакуумная, Г - газонаполненная (аргон 86% и азот 14%), Б – биспиральная, БК – биспиральная с крептоновым наполнителем (криптон 86% и азот 14%), МТ- с матированной колбой, МЛ - в колбе молочного цвета, О - с опаловой

Г алогенные лампы - это усовершенствованные лампы накаливания, в баллон которой добавлен газ: бром или йод, что увеличивает температуру спирали, но уменьшает испарение вольфрама и увеличивает срок службы лампы. Устройство: колба лампы 1 представляет собой трубку из кварцевого стекла, по оси которой расположено тело накала в виде спирали или биспирали 2. Вводы в кварц представляют собой полоски молибденовой фольги 4. Внутренняя часть электродов выполнена из вольфрама 3, внешние выводы – из молибдена 5. Для устранения провисания спирали применяют держатели 7 из вольфрама. Для крепления и присоединения к сети на концы лампы надеты цоколи 8. Использование специальных фильтров, нанесенных на кварцевое стекло, «останавливает» ультрафиолет, что оберегает освещаемые вещи от выгорания. Хотя галогенные лампы имеют маленькие (даже миниатюрные) размеры, световой поток можно регулировать. Такие лампы можно использовать в условиях повышенной влажности

Л юминесцентные лампы. Устройство: стеклянный баллон, два цоколя на обоих концах баллона и двух подогревных катодов 6 (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити. Баллон наполнен парами ртути и инертным газом (аргоном); на внутренние стенки баллона нанесено люминофорное покрытие, которое после его облучения ультрафиолетовым излучением электрического разряда между электродами испускает видимое свечение -фотолюминесценцию преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Применение различных составов люминофора позволяет в широких пределах изменять спектральный состав его излучения и получать люминесцентные лампы разной цветности. Свет люминесцентных ламп может быть близок к естественному дневному, позволяющему получать наиболее правильную цветопередачу освещаемых объектов. Это является одним из преимуществ люминесцентных ламп перед лампами накаливания.

О снову светодиодного источника света формируют один или несколько полупроводниковых диодов, которые преобразуют электричество в световое излучение. Чаще всего выполняются в виде миниатюрного чипа. На небольшой площадке платы, имеющей алюминиевое основание, размещаются: подложка, проводящая ток, уложенный на нее светодиодный кристалл (полупроводниковый), корпус, в который заключены оба элемента. С одной его стороны выходят контакты, а с другой расположена линза. Между последней и светодиодным кристаллом залит силикон. Яркость лампы зависит от количества светодиодов, расположенных в ней. В конструкцию так же входят цоколь, рассеиватель, радиатор и корпус. Функционирует светодиод благодаря особому процессу рекомбинации электронов между двумя контактами с разной степенью проводимости. В местах выхода последних кристалл с одной стороны проходит легирование акцепторной примесью, содержащей малое количество электронов, а с другой — повышенное. Рекомбинация происходит сразу же после того, как лампа включается в сеть. В результате возникает избыточная энергия, которая и преобразуется в световой поток. Светодиоды изготовляют на основе арсенидов (соединения мышьяка), фосфидов, селенидов и нитридов галлия, алюминия, индия и д.

В се параметры источников света можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные.

Тех­нические параметры ламп.

Основные электрические параметры источников света:

• номинальное напряжение U_H — напряжение, на кото­рое рассчитана конкретная лампа или на которое она может вклю­чаться с предназначенной для этого специальной аппаратурой [В, V].

• номинальная мощность Р_н — расчетная мощность, потребляемая лампой при ее включении на номиналь­ное напряжение (для газоразрядных ламп — это расчетная мощность, которую потребляет лампа при ее включе­нии со специально предназначенной для этого аппаратурой. [Вт, W];

• для газоразрядных ламп род питающе­го тока — переменный или постоянный (на постоянном токе обязательно указывается полярность включения «+ анод» и «- катод»;

• для некоторых ламп вместо мощности указы­вается номинальный ток I_н, [A, mA, мА].

• номинальный световой поток Ф  мощность излучения источника света, оцениваемая по световому ощущению глаза человека [люмен лм, lm].

• световая отдача — это отношение светового потока лампы к потребляемой ею мощности [лм/Вт, lm/W]. Фактически это коэффициент энергоэффекивности, выраженный в световых величинах (световая отдача является решаю­щим фактором для выбора источника света);

• цветовая температура Т_цв[К] это условная величина, приблизительно характе­ризующая цвет излучения лампы и определяемая путем сравнения этого цвета с цветом теплового излучения так называемого «абсо­лютно черного тела».

• общий индекс цветопередачи R_a. Чем выше значение R_a, тем лучше качество цветопередачи.

Механические параметры ламп:

• габаритные и установочные размеры;

• масса (если она приводится в каталогах);

• тип цоколя (см. на 2 –ом листе)

для некоторых типов ламп

• положение тела накала или разрядного промежутка относительно цоколя:

• рабочее положение ламп (строго горизонтальном, верти­кальном или в пределах некоторого угла).

Эксплуатационные параметры ламп:

• срок службы (средний, физический, минимальный, гарантированный, полезный срок службы — среднее время работы ламп в номинальных условиях, в течение кото­рого их эксплуатация экономически оправдана);

• устойчивость к внешним климатическим факторам (темпера­тура, давление и влажность окружающего воздуха);

• устойчивость к механическим воздействиям (удары, вибрации, линейные ускоре­ния, звук);

• устойчивость к колебаниям напряжения питающей электросети.

Цоколь очень важный элемент в конструкции лампы, он выполняет функции:

• крепежа лампы в патроне светильника

• обеспечивает надежное подключение лампы к электросети

• выполняет функцию герметизации, ведь в лампу закачан специальный газ и попадание туда кислорода приводит к порче лампы.

Современный рынок предлагает нам огромное количество ламп с различными цоколями, и запомнить все типы крепежей очень тяжело. Почти всегда первая буква обозначения ламы указывает на тип цоколя:

E  резьбовой цоколь (Эдисона)

G штырьковый цоколь

Rцоколь с утопленным контактом

Bщтифтовой цоколь (Байонет)

F цоколь с одним штырьком

aцилиндрический штырек

bрифленый штырек

cштырек специальной формы

Sсофитный цоколь

K цоколь с кабельным соединением

Н  цоколь для ксеноновых ламп

Р  фокусирующий цоколь

Т телефонный цоколь

После буквы мы видим число, которое обозначает диаметр цоколя. Если после числа мы видим еще буквенную аббревиатуру, то эта буква обозначает количество контактов в лампе.

Количество контактов: S – 1; D – 2; T – 3; Q – 4; P – 5

На современных лампах часто можно увидеть дополнительную маркировку: A – лампа для автомобителей; V – конец цоколя имеет коническую форму; U – энергосберегающая.

Л ист № 6

Прочтите и дайте совет покупателю источника света

Good afternoon my friend! Help me please to choose a lamp for my workplace. The incandescent lamp is ineffective. However, it is inexpensive. The led lamp is economical, but its cost is very big for me. A halogen lamp needs a special light, that I don't have. I think the fluorescent lamp is optimal for me. However, it should be remembered that it must be disposed of in a special way after the end of its work.

Ваш ответ I think I need to buy a _______________________lamp