CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D....

357
CIJE‐Tech MS If you can't explain it simply, you don't understand well enough. ‐ Albert Einstein CENTER FOR INITIATIVES IN JEWISH EDUCATION

Transcript of CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D....

Page 1: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

 

24242422424

CIJE‐Tech MS    

If you can't explain it simply, you don't 

understand  well enough.  

‐ Albert Einstein 

 

CENTER  FOR INITIATIVES  IN JEWISH EDUCATION 

Page 2: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Center for Initiatives in Jewish Education  

President  Jason Cury 

 

Vice President  Joel Beritz 

 

Vice President  Judy Lebovits, M.S., C.A.S. 

Director of Community Relations  Barbara Gereboff, Ph.D. 

Director of Curriculum Development  Adam Jerozolim, M.E.

Director of Staff Operations  Jay Smallwood, Ph.D. 

Coordinator of Middle School Programming  Yafa Lamm 

Coordinator of Innovative Programming & Fabrication  Orly Nadler, M.A. 

Coordinator of Middle School Curriculum  Katherine Owuor, Ph.D. 

Coordinator of Educational Advancement and Grants   Erin Wasserman, M.S. 

   

CIJE STEM Specialists:  Christopher Auger‐Domínguez  Teresa Doan 

  Dewain Clark, M.A.  Robert Jones 

  Kate Van Dellen, M.S.   Joseph Saltzman, Ph.Dc 

     

© 2019 All Copyrights belong to Center for Initiatives in Jewish Education. No part of this book may be copied, duplicated, recorded, translated or stored in any database of any kind or by any other means. Any use of the material contained in this book is prohibited unless it is with the express permission of the publishers and authors. 

Center for Initiatives in Jewish Education  

45 Broadway, Suite 3050 New York, NY 10006 

[email protected] 

212‐757‐1500 Phone 212‐757‐1565 Fax 

This program was produced with the generous support of the Center for Initiatives in Jewish Education (CIJE) as part of its ongoing quest to achieve excellence in education

Page 3: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

 

 

The Center for Initiatives in Jewish Education 

(CIJE) 

 

The Center for Initiatives in Jewish Education (CIJE) aims to strengthen and enrich the quality of 

education in Jewish schools throughout the United States. CIJE is investing in our nation's future 

by  providing  beneficiary  schools  with  cutting‐edge  technology,  engaging  curricula,  and  vital 

support so that students can acquire the skills they need to excel in our global society. Currently, 

CIJE has more than 200 beneficiary schools across the United States and programs which span 

grades K‐12. CIJE's innovative programs are paving the way for the achievement and success of 

tomorrow's leaders and thinkers. 

CIJE‐TECH MIDDLE SCHOOL PROGRAM: AN OVERVIEW 

There is growing concern that the United States is not preparing a sufficient number of students, 

teachers, and practitioners  in the areas of science, technology, engineering, and mathematics 

(STEM).  A large majority of students fail to reach proficiency in math and science, and many are 

taught  by  teachers  lacking  adequate  subject  matter  knowledge.    When  compared  to  other 

nations,  the  math  and  science  achievement  of  U.S.  students  and  the  rate  of  STEM  degree 

attainment appear inconsistent with a nation considered the world leader in scientific innovation.  

In a recent international assessment of fifteen‐year‐old students, the U.S. ranked twenty‐eighth 

in math literacy and twenty‐fourth in science literacy.    In response to this dismal information, 

nine years ago, the Center for Initiatives in Jewish Education began the implementation of various 

STEM programs in elementary Jewish schools. The success of these programs brought about the 

initiation of the CIJE‐Tech Engineering high school programs, which were launched in seven CIJE 

High Schools in September, 2011. To add to the success of this initiative and to introduce middle 

school  students  to  the  areas  of  STEM,  CIJE  initiated  the  CIJE‐Tech Middle  School  program  in 

September, 2015. 

 

 

Page 4: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

 

To increase STEM learning, the CIJE‐Tech Middle School program includes activities that improve 

student and teacher content knowledge and teacher pedagogical skills.  Innovative strategies are 

used,  including  small  group  collaborative  work  and  the  use  of  hands‐on  activities  and 

experiments to promote inquiry and curiosity.   

Students in the CIJE‐Tech MS program will: 

Define questions and problems, design investigations to gather data, collect and organize 

data, draw conclusions, and then apply understandings to new and novel situations 

Creatively use science, mathematics, and technology concepts and principles by applying 

them to the engineering design process 

Apply  rational  and  logical  thought  processes  of  science,  technology,  engineering  and 

mathematics design 

Understand and explain the fundamentals of STEM and to develop the skills needed, and 

to appropriately apply the knowledge gained 

The CIJE‐Tech Middle School program is based on problem‐solving and project‐based  learning 

approaches to solving grade  level curricula. Students gain an understanding of how key STEM 

concepts are applied.  The CIJE‐Tech MS curriculum involves inquiry‐based lessons and activities, 

where students carry out hands‐on investigations that encourage critical thinking and problem 

solving.    The  CIJE‐Tech MS  curriculum  is  comprised  of  hands‐on, minds‐on  activities  through 

which students realize the application and relevance of their Science, Technology, Engineering, 

Mathematics education.  The ultimate goal is to produce successful self‐directed learners who 

are equipped to excel and face the challenges of the future.

Page 5: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

 

TABLE OF CONTENTS 

SAFETY PRECAUTIONS ..................................................................................................................... 4 

MODULE 1. ENGINEERING DESIGN ................................................................................................. 6 

MODULE 2. MARSHMALLOW CHALLENGE ................................................................................... 17 

MODULE 3. NEWSPAPER THINS .................................................................................................... 24 

MODULE 4. QUAKE SHAKE ............................................................................................................ 31 

MODULE 5. GREENHOUSE DESIGN ............................................................................................... 40 

MODULE 6. POPSICLE BRIDGE DESIGN ......................................................................................... 50 

MODULE 7. CONNECTIVITY AND STEADINESS TESTER ................................................................. 58 

MODULE 8. SQUISHY CIRCUITS ..................................................................................................... 64 

MODULE 9. SIMPLE CIRCUITS ....................................................................................................... 69 

MODULE 10. ELECTROMAGNETISM ............................................................................................. 75 

MODULE 11. DENSITY ................................................................................................................... 83 

MODULE 12. WATERCRAFT ........................................................................................................... 98 

MODULE 13. CARTESIAN DIVER .................................................................................................. 106 

MODULE 14. BALLAST ................................................................................................................. 113 

MODULE 15. WATER AND SALINITY ........................................................................................... 121 

MODULE 16. WATER PURIFICATION ........................................................................................... 133 

MODULE 17. SURFACE TENSION ................................................................................................. 141 

MODULE 18. HYDROPHOBICITY AND HYDROPHILICITY .............................................................. 153 

MODULE 19. BREAKING POINT ................................................................................................... 165 

MODULE 20. MEDICATION BAG CHALLENGE ............................................................................. 174 

MODULE 21. INSULATION ........................................................................................................... 177 

MODULE 22. SOLAR POWER ....................................................................................................... 186 

MODULE 23. THE CHANUKAH FLAME AND CHEMISTRY OF COMBUSTION ............................... 196 

MODULE 24. THE SIX SIMPLE MACHINES AND THE INCLINED PLANE ........................................ 208 

MODULE 25. PULLEYS ................................................................................................................. 217 

MODULE 26. TORQUE ................................................................................................................. 225 

MODULE 27. PROJECTILE MOTION ............................................................................................. 232 

MODULE 28. RUBBER BAND RACERS .......................................................................................... 239 

MODULE 29. SPEED, VELOCITY AND GRAPHING ........................................................................ 248 

MODULE 30. EGG DROP .............................................................................................................. 254 

MODULE 31. GET A LIFT .............................................................................................................. 261 

MODULE 32. RESPIRATION AND LUNGS ..................................................................................... 270 

MODULE 33. RESPIRATION, FERMENTATION AND PHOTOSYNTHESIS ....................................... 285 

MODULE 34. THE SENSE IN SENSES ............................................................................................ 305 

MODULE 35. HABITAT DESIGN AND POPULATION DENSITY ...................................................... 330 

MODULE 36. GRAVITY, RELATIVELY ............................................................................................ 346 

Page 6: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Safety Precautions 

Student Workbook  4  CIJE‐Tech MS 

SAFETY PRECAUTIONS 

Every experiment in this book must be performed under supervision of a trained CTMS teacher. 

Appropriate safety precautions will be reviewed with the students before each activity.  

 

To  protect  your  eyes,  wear  safety  goggles  during  all  activities  involving chemicals,  flames,  heat  and  when  there  is  possible  exposure  to  broken glassware. 

 

Lab apron should be worn to protect your skin and clothing.  

 

Wear  rubber  gloves  when  handling  chemicals,  microbes  or  animals.  Also wear  rubber  gloves  to  prevent  contamination  of  your  samples,  when necessary. 

 

To  protect  your  hands,  wear  heat‐resistant  gloves  when  handling  any samples  that  have  been  exposed  to  heat  or  extreme  cold  (resulting  from liquid nitrogen or dry ice). Never touch hot objects with bare hands! 

 

To protect your long hair, pull it back in a bun or ponytail. 

 

Due to presence of unpleasant odors or fumes, you may want to use a face mask. 

   

 

When  working  with  breakable  materials,  handle  them  with  care.  Never handle  broken  glass  with  your  bare  hands.  Dispose  of  broken  glass  in  a designated container. 

 

When any material or tool as been exposed to heat, use hand protection or tongs to pick it up. Do not handle with bare hands! 

 

Materials such as scissors, scalpels, knives, needles, pins,  tacks have sharp ends, which can penetrate your skin. Always point the sharp edges away from your body and never  in the direction of another person. Always put sharp instruments down when finished using them. 

 

Use caution when using electricity! Avoid tangling electrical cords and leaving them on the floor where others are walking. Avoid using electrical equipment around water.  Always  disconnect  electrical  equipment when  not  using  it. Never leave electrical equipment in use when not in the room. 

 

When working with corrosive chemicals, as directed by your teacher, avoid contact with  eyes,  skin  or  clothing. Do  not  inhale  the  vapors.  Use  gloves. Dispose of chemicals only as directed. Wash hands after use. 

 

When working with tools that produce flames (matches, burners, candles), make sure to tie back hair and loose clothing. Follow instructions for lighting and extinguishing the flames with extreme care. Do not light the flames until absolutely necessary and directed by your teacher. 

Page 7: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Safety Precautions 

Student Workbook  5  CIJE‐Tech MS 

 

When working with  flammable materials, make  sure  there  are  no  flames, sparks, static electricity or other exposed electricity or heat present.  

 

When working with materials  that produce noxious or unpleasant  vapors, work in a well‐ventilated area. Use a fume hood, if possible. Do not inhale vapors. Use face mask, if possible. If necessary to test the odor, follow your teacher’s  directions  and  use  wafting motion  to  direct  vapor  toward  your nose. 

   

 

When physical activity is part of the experiment, avoid injury to yourself and others. Make sure to let the teacher know if you are unable to perform the required physical activity.  

 

When working with  live  animals,  treat  them with  care  and  respect. Avoid injury to animals and yourself. When working with preserved specimen make sure to use caution as well and follow teacher’s directions for dissection and clean up. Always wash your hands after handling live or preserved animals. 

 

Plants should be handled with caution. Keep in mind some plants might be poisonous or harmful. If you suspect to have an allergy to a plant, inform your teacher before the start of  the experiment. Always wash your hands after handling plants. 

   

 

All  laboratory  materials  must  be  disposed  of  safely.  Always  follow instructions  from  the  teacher  during  clean  up.  Keep  in  mind  that  toxic, corrosive, sharp, animal and plant disposal might need separate and specific instructions. 

 

Wash  your  hands  thoroughly  after  any  laboratory  activity  with  soap  and warm water, even if gloves were used during the experiment. 

 

This symbol indicates specific safety instructions that may not include any of the above symbols. In this case, follow the instructions precisely. It will also be used when you might need to develop your own procedure and safety instructions.  In  this  case, make  sure  to  approve  your  procedure with  the teacher before proceeding. 

 

Page 8: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  6  CIJE‐Tech MS 

MODULE 1. ENGINEERING DESIGN              

STUDENT NAME __________________________________   DATE ________________ 

INTRODUCTION 

Ever heard your parents discuss needing to get a new version of a cell phone because the 

new model does something better or  faster? Or have you ever asked  for a new model of 

shoes or computer for the same reason? Have you witnessed an entrance to a store being 

rebuilt so that there is now a ramp to make entrance accessible for people using wheelchairs? 

You probably have! Who do you think is involved in constantly improving everyday products 

and  designing  new  products  to  accommodate  a  wider  range  of  customers?  Engineers  in 

various fields use science and mathematics to  improve our way of  life. From developing a 

safer car to improving medicines for diabetes, engineers work to come up with new tools or 

improve performance of existing products.  

 

ENGINEERING FIELDS. 

http://www.sciencekids.co.nz/ 

The word engineer comes from a Latin word that means cleverness. Engineers often come up 

with clever solutions to complex problems. Some of the famous engineering feats you have 

heard about are bridges, golf balls (yes, an engineer discovered that a ball would move faster 

and farther if it had those little grooves!), sky scrapers, wind turbines, the great pyramids of 

Giza, and many more.  

Page 9: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  7  CIJE‐Tech MS 

Engineers almost never work alone. Coming up with the best possible solution to a problem 

always involves listening to people, brainstorming new ideas, receiving critique about your 

designs,  asking  people  for  help,  who  might  be  better  equipped  to  answer  a  particular 

question, and managing a project that has a set of financial criteria and a required timeline. 

To  keep  every  project  organized,  well  recorded  and  moving  forward,  engineers  use  the 

Engineering Design Process, which involves the following seven steps: 

1. Define the problem 

What is the problem you are asked to solve? 

Are there limits on time, materials, dimensions, brainpower, etc.? 

How can you solve the problem? 2. Research 

What has been done to address this problem in the past? 

What tools do you have at your disposal? 

What materials can you use to solve the problem? What are the physical and chemical properties of those materials? Will they be efficient at solving the problem? 

Test materials for strength and compatibility 

What is the potential cost for the solution? What are the funds available? 3. Idea Generation ‐ Brainstorm and Design 

Think of as many ideas as possible to solve the problem 

When working in groups, consult with others and explore alternative ideas and combination of ideas 

Make a drawing or a model of your solution 4. Build 

Create your model, tool or structure 

Modify your original design, if necessary 5. Test and Analyze 

Test your model, tool or structure 

Analyze the performance of your design 

Collect data about the performance of your design 6. Improve  

Think of several ways in which your design can be improved to perform better and more efficiently 

Change the parts of your design that do not perform well or below expectations 

Return to the Brainstorm and Design step of the process, if necessary 7. Final Solution and Output 

Provide an accurate description of the design for the solution. The description includes materials used to build the solution, drawings with exact dimensions (blueprints), performance expectations, limitations, and specifications for safely operating the device 

Build and manufacture the final design, sometimes on a large scale 

 

Page 10: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  8  CIJE‐Tech MS 

 

ENGINEERING DESIGN PROCESS 

In this activity you will use the Engineering Design Process to develop an improved and enhanced 

backpack.   

VOCABULARY 

Science 

Scientist 

Engineer 

Engineering 

Engineering Design Process 

MATERIALS 

Material  Quantity per group or individual student 

  Drawing paper  As needed 

  Poster paper  1 sheet 

  Writing or drawing materials  As needed and provided by the teacher 

Page 11: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  9  CIJE‐Tech MS 

SOLUTION DESIGN 

PROBLEM DEFINITION:  

FINDING THE TARGET AUDIENCE/CUSTOMER (END USER): 

1. How old are the users of the backpack, for whom you are designing? ____________ 

2. In what setting is the backpack being used (school, hiking, etc.)? __________________ 

3. What is the gender of the end user? ____________ 

4. What is the average height of the end user? ____________ 

5. What is the maximum weight the backpack must be able to accommodate? __________ 

6. What weather might the backpack encounter?  (water, sun, etc.)   

___________________________________________________________________________ 

RESEARCH:  

CURRENT DESIGN LIMITATIONS: 

7. For what weight is the average backpack designed? ____________ 

8. How much do users place in it? ____________ 

9. Is an average backpack designed to accommodate food or drinks? __________ 

10. Does an average backpack provide protection for fragile electronics?  ___________ 

11. Does an average backpack incorporate electronics within it?  ___________________ 

12. Is an average backpack safe?  Why or why not? ____________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. List at least three shortcomings of the average backpack:   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 12: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  10  CIJE‐Tech MS 

IDEA GENERATION: 

14. INDIVIDUALLY, come up with two improvements you would like to have in a backpack. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. INDIVIDUALLY, in the space below, sketch the design for either an entirely new backpack or 

an addition that would improve an existing design. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

16. Describe the two improvements you came up with to the rest of the group.   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. Each team‐member should contribute one constructive comment to each idea. Write down 

the comments shared by each member regarding your ideas. 

a. _____________________________________________________________________ 

b. _____________________________________________________________________ 

c. _____________________________________________________________________ 

d. _____________________________________________________________________ 

Page 13: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  11  CIJE‐Tech MS 

18. Write down the ideas generated by each team member, and rate them from 1‐ 10. 

a. _________________________________________________ Rating: _____________ 

b. _________________________________________________ Rating: _____________ 

c. _________________________________________________ Rating: _____________ 

d. _________________________________________________ Rating: _____________ 

19. Add up all the scores for each idea from each team member.  Which two ideas overall had 

the highest scores? 

__________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

EVALUATE THE WINNING DESIGN: 

20. What does your backpack provide that others on the market are not providing? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. What are at least two reasons that consumers will NOT buy your product? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

22. If your backpack could incorporate one additional feature what would it be? Why was it not 

chosen?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 14: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  12  CIJE‐Tech MS 

23. Does your product provide accessibility for the handicapped?  How could you incorporate  

it?  ________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

24. What additional information about the original backpack would have been useful to have 

when designing your solution? 

___________________________________________________________________________ 

25. Do you think your group’s design solves a particular problem, or does it work around the 

problem to create a possible alternative without addressing the raised issue?  Explain. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

26. Sketch the design picked by the group, incorporating discussed improvements in the space 

below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 15: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  13  CIJE‐Tech MS 

27. Why do you think the ideas you came up with in your group’s design have not been 

incorporated in mainstream backpack? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. Create a presentation to describe your group’s design to your classmates.  Make sure to 

include important information such as for whom is this product intended, why would they 

want to buy this product, how would you advertise this product to increase the sales, etc. 

ASSESSMENT QUESTIONS 

29. What are the essential steps of the Engineering Design Process?  List all in a form of a diagram. 

Pick one step in the process and describe it in detail. Explain what circumstances would cause 

an engineer to circle back to any one of the previous steps of the process in particular.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 16: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  14  CIJE‐Tech MS 

30. How is the Engineering Design Process similar to the Scientific Method? How is it different? 

You can use diagrams to help your argument.   

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

31. Why is recording your research, data and observations important to the Engineering Design 

Process? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 17: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  15  CIJE‐Tech MS 

32. When  designing  your  improvements  to  the  backpack,  what  do  you  think  was  the  most 

important factor you considered?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

33. What are the pros and cons of working in a group of people?  

PROS  CONS 

   

Page 18: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 1. Engineering Design 

Student Workbook  16  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 19: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  17  CIJE‐Tech MS 

MODULE 2. MARSHMALLOW CHALLENGE 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ________________ 

INTRODUCTION 

What makes  a  building  strong?  Consider  the  pyramids  in  Egypt  and  the  Eiffel  Tower.  Those 

buildings are very strong and have lasted hundreds of years. They have a very distinctive shape 

that aides in their strength. Structures must be able to remain standing despite large amounts of 

force put on them by gravity and other factors such as natural disasters (earthquakes, etc.) and 

weathering (wind, rain, etc.). Structures are supported in different ways with the use of different 

geometric shapes in their construction. 

The goal of this activity is to design and construct a tower using only spaghetti and masking tape. 

The tower must be able to support a marshmallow at its highest point. 

When designing and building your tower, you will need to consider the shapes you will make out 

of spaghetti and how you will connect the pieces of spaghetti together.  

First,  consider  the  various  geometrical  shapes  you  notice  used  in  the  buildings  in  your 

surroundings. Try making those shapes out of spaghetti. Are those shapes strong enough?  

Next, consider the different types of joints that are used in construction when steel beams are 

used.  A  joint  in  construction,  much  like  in  a  human  body  is  a  place  where  two  structural 

components meet and are connected. In your body, bones are connected and held together with 

tendons and ligaments. In structures like buildings, bridges and other, steel beams are connected 

by melting the metal and connecting two or 

more pieces while it is still hot. This is also 

called welding.  In this activity you will use 

spaghetti instead of steel beams. However, 

the connections will be similar to the ones 

used  in  construction  of  real  buildings, 

bridges  and  other  structures.  Instead  of 

welding, you will use tape to create joints. 

Use the figure to the left to try out different 

joints before designing your structures.  

TYPES OF WELDING JOINTS 

http://mechmaintenance.com/welding‐definition‐types‐welding‐joint/  

   

Page 20: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  18  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Force 

Gravity 

Joint (in human body) 

Joint (in construction) 

Welding

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Spaghetti (uncooked)  20 pieces 

  Masking tape  30cm 

  Marshmallow   1 

  Measuring tape  1 

DESIGN 

1. List three features of the Eiffel Tower (Figure below) that contribute to its stability. 

_____________________   _____________________   _____________________    

2. INDEPENDENTLY, sketch a design for a tower made of tape and spaghetti in the space below 

or on a separate sheet of paper.                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 21: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  19  CIJE‐Tech MS 

3. How much material do you think you might need? 

Spaghetti: ______________ pieces.    Tape: ____________cm 

4. Circle  the  shapes  you 

think you will use most in 

your  structure.  Test 

making those shapes with 

spaghetti  before  you 

begin construction. Don’t 

worry! The test spaghetti 

is  not  included  in  the  20 

pieces  you  can  use  for 

your actual design. 

 

5. Once in your group, compare the individual designs of your teammates. Discuss which shapes 

and connections will work best to construct a tall and sturdy structure that will be able to 

support a marshmallow at its top. 

6. Draw the design your group decides to build below. Label the shapes and joints.                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 22: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  20  CIJE‐Tech MS 

7. Construct your tower. If you feel you need to change your design as you are building it, do so. 

Engineers often have to adjust their design. 

TESTING AND ANALYSIS 

8. Measure all the towers in the classroom and score them based on the following formula: 

    Your group’s score =   

9. Based on the formula above, is it more valuable to build a taller tower or use less material?   

Explain.  ____________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. How did the tower you built compare to your original design? Did you need to adjust your 

design as you built? Why?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. In the space below, sketch a diagram of the tower you built.                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

𝑆𝑐𝑜𝑟𝑒ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡

# 𝑠𝑝𝑎𝑔ℎ𝑒𝑡𝑡𝑖 𝑡𝑎𝑝𝑒 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ

Page 23: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  21  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

12. Referring to the module on design process, how did this process fit into your design process? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. Which steps of the design process did you use? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Which steps of the design process were not applicable to this specific project? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. Which steps of the design process did you find yourself redoing without realizing it to better 

perfect your marshmallow towers? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 24: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  22  CIJE‐Tech MS 

16. What process would you add to the design process to make it more relevant to solving this 

particular design challenge?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. What  type  of  testing  /  analysis  could  you  have  performed  on  the  tower  before  it  was 

completely built to get a better idea of what it would be capable of?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. Design a mini experiment to test either a portion of the tower, a type of joint, or the strength 

of the members (spaghetti).  Sketch a setup of the experiment in the space below. 

Page 25: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 2. Marshmallow Challenge 

Student Workbook  23  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 26: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  24  CIJE‐Tech MS 

MODULE 3. NEWSPAPER THINS 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Humankind has always reached for  the stars. But  they were not always able  to actually go  in 

space. So…. They built tall buildings. Very tall buildings. Even now that we are able to travel to 

space, we continue to defy gravity and build up and up and up!!!  

The current  tallest building Burj Khalifa  is  located  in Dubai.  It  towers 828 meters. Currently a 

construction of a new giant  is underway.  Jeddah’s Kingdom Tower  is projected to reach 1000 

meters – 1 kilometer!!! 

TALLEST BUILDINGS OF THE WORLD: 2020 PROJECTION. 

https://www.dezeen.com/ 

In  Israel, the tallest building currently  is the Moshe Aviv tower 

(235 meters). However, by 2023  it will be out‐towered by  the 

projected Tower Between the Cities, which will each 400meters. 

THE TOWER BETWEEN THE CITIES (PROJECTED TO BE 

BUILT BY 2023); MOSHE AVIV TOWER IS IN THE 

BACKGROUND. 

www.ynetnews.com 

Page 27: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  25  CIJE‐Tech MS 

In this module you will apply the engineering design process to building a tower using simple 

materials: newspaper and masking tape. The challenge is to build the tallest freestanding tower 

using the least possible amount of these materials. Freestanding means that the tower cannot 

be attached to the surface on which it stands, it cannot be supported by strings from the ceiling 

or the walls, and it cannot be held up a person in any form.  

VOCABULARY 

Force 

Gravity 

Joint (in human body) 

Joint (in construction) 

MATERIALS  

Material (size)  Quantity per group 

  Newspaper   Equivalent of 2 newspapers (to start) 

  Masking tape, roll  1 roll 

  Measuring tape or meter stick  1  

DESIGN 

1. In the space below, draw the design of the tower you would like to build as a suggestion to 

your collaborative group. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 28: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  26  CIJE‐Tech MS 

2. In the space below, draw examples of joints your team (or you independently) will consider 

using in the construction of the tower. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

3. In the space below, draw the tower your team will attempt to build. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 29: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  27  CIJE‐Tech MS 

PROCEDURE 

4. As you are designing and building in your team, record what works and what doesn’t. You 

may wish to use these notes if allowed the time to redesign and rebuild. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

5. What shapes did you use in the designing and building of your tower? 

___________________________________________________________________________ 

6. What shapes proved to be stronger and more stable than others? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 30: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  28  CIJE‐Tech MS 

7. Where were the strong structural points of your tower? Feel free to illustrate. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. Where were the weak structural points of your tower? Feel free to illustrate. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. After  completing  your  tower  (either  to  build  once  or  improve  on  it),  what  further 

improvements do you (not necessarily your team) think could and would make your tower 

taller and stronger? Illustrate, if necessary. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. What were the strong collaborative qualities of your team? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 31: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  29  CIJE‐Tech MS 

11. What were the areas where your group could have done better as a team? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Did everyone on your team have a chance to contribute their ideas to some part of the  

project? ____________________________________________________________________ 

13. Was everyone on your team engaged in designing your tower? ________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Was everyone on your team engaged in building your tower? __________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. What improvements could your team make to facilitate more members being more involved  

in all aspects? _______________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 32: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 3. Newspaper Thins 

Student Workbook  30  CIJE‐Tech MS 

            NOTES             

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 33: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  31  CIJE‐Tech MS 

MODULE 4. QUAKE SHAKE 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Natural disasters are a part of living on our planet Earth. For the longest time, humans lived in 

fear of nature and the destruction it can cause. Then human ingenuity displaced fear. Human 

understood that even though we are not able to prevent natural disasters from happening, we 

are able to prevent our  land from flooding, buildings  from crumbling, contain fires, keep safe 

during tornadoes and storms. We are able to be prepared and be ready. 

In  this module, you will build a  structure  that will be  tested on a  shaker  table  that  simulates 

shaking of a building during an earthquake.  

What do engineers do when they design a building to make it earthquake resistant? 

Base Isolation – separate the building from 

its  foundation. When  the  earthquake  hits, 

the  building  sways  side  to  side  with  the 

ground  on  which  it  stands.  When  the 

building’s  base  is  isolated,  the  shaking 

ground moves, while the building is affected 

to a lesser extent. 

Tuned mass damper – giant ball suspended 

near  the  top  of  the  building.  When  the 

building  sways  during  an  earthquake  or  a 

typhoon, the damper sways in the opposite  

      direction. 

Researchers are also working on a brand‐new 

way to protect buildings from earthquake by 

developing  a  shield  made  of  concrete  and 

plastic. The shield deflects  the wave around 

the building. This technology arose from the 

knowledge  that  seismic  waves  prefer 

traveling  through  materials  that  is  more 

dense.  The  shield  is  made  out  of  rings  of 

concrete that gets less dense as you get closer 

to the building. When the waves strike, they 

tend to stay within the harder materials and 

get deflected around the building. 

BASE ISOLATION

TUNED MASS DAMPER

Page 34: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  32  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Seismology 

Tectonic plates 

Fault 

Earthquake 

Seismic waves 

Tsunami  

Base isolation 

Tuned damper 

Tuned mass damper 

Earthquake resistant 

building 

Earthquake proof building 

Retrofitting

MATERIALS  

Material (size)  Quantity per group 

  Stirrers  30 

  Clay  100g 

  Letter size base (Manilla envelope, cardstock or cardboard)  1 

  Masking tape  10‐20cm 

DESIGN 

1. In the space below, draw the design of the structure you would like to bring as a suggestion 

to your collaborative group. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 35: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  33  CIJE‐Tech MS 

2. In the space below, draw examples of joints your team (or you independently) will consider 

using in the construction of the structure. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

3. In the space below, draw the structure your team will attempt to build. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 36: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  34  CIJE‐Tech MS 

PROCEDURE 

4. As you are designing and building in your team, record what works and what doesn’t. You 

may wish to use these notes if allowed the time to redesign and rebuild. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

TESTING AND ANALYSIS 

5. Record your observations of the structure you built when you are testing  it on the shaker 

table. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 37: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  35  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

Read the article assigned by your teacher and answer the following questions: 

6. The  article  begins  by  referring  to  a  “massive  earthquake  near  Japan”.   What  two  other 

earthquakes does  the article mention? What  is  the date of  those earthquake? How many 

people were killed  in each? What was  the main difference  in  the outcomes of  these  two 

earthquakes? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. Engineers design buildings to withstand what directional type of motion?  Why do you think 

this is important?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. Why do seismic engineers say that “earthquakes don’t kill people, buildings do”? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 38: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  36  CIJE‐Tech MS 

9. What is base isolation? How would it help a building withstand earthquake damage? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. What is a tuned mass damper? How would it help a building withstand earthquake damage? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. What is a shake table and how is it used?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Watch the video from WIRED.  Make one comment about your reaction to the video.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 39: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  37  CIJE‐Tech MS 

13. What is the difference between an earthquake resistant building and an earthquake proof 

building? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Why is it difficult to build an earthquake proof building? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. What do engineers do to make old structures more earthquake resistant? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. Did your team use any earthquake resistance adaptations  in constructing your building? If 

yes, which ones? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 40: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  38  CIJE‐Tech MS 

17. If your team used adaptations, why did you choose that particular one?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. If you didn’t use any adaptations, which would you like to have used? Which would have been 

beneficial in constructing your building? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. Besides the adaptations, what were the strong points of your structure? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. Besides the adaptations, what were the weak points of your structure (where did  it show 

signs of collapsing)? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. If you had a chance to rebuild your structure, what does the second version of it have that it 

didn’t have before? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

22. What were the strong points of your team?  What could you improve on regarding teamwork? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 41: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 4. Quake Shake 

Student Workbook  39  CIJE‐Tech MS 

 

          NOTES             

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 42: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  40  CIJE‐Tech MS 

MODULE 5. GREENHOUSE DESIGN 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

What do you imagine when you hear the word greenhouse?  

Do you know what the purpose of a greenhouse is? How big does it need to be?  

A greenhouse is a structure with transparent or translucent walls and ceiling that are meant to 

keep  the  temperature  and  humidity  of  the  air  inside  the  structure more  stable  than  the  air 

outside of the structure. Greenhouses also help protect the plants growing inside from pests and 

disease that lurks outside. As a result, the plants in a greenhouse grow faster and bigger, and be 

more productive (produce more flowers, fruit, vegetables, etc.) than the plants outside. 

A greenhouse can be very small or very large, lone standing, attached to a house or in groups, 

completely or partially covered, it can be built to grow fruit, vegetables, herbs, or flowers.  

    

DIFFERENT GREENHOUSES 

https://newengland.com/   http://jveilleux.blogspot.com/ 

It is very important for the covering of the greenhouse to allow in the sun’s light. As the sun’s 

radiation penetrates the transparent or translucent covering of the greenhouse, it warms the air 

inside the greenhouse. Since the greenhouse  is enclosed with walls and ceiling,  this warm air 

does not move out and is therefore trapped inside the structure. The pants inside it then benefit 

from warmer air. This is of course dependent on the weather outside of the greenhouse as well.  

If  it  is very cold,  the heat will seep out of the greenhouse. Therefore,  in a greenhouse where 

someone  is  trying  to  keep plants  growing  through  the winter,  you would need  to  include an 

efficient insulation layer and provide a safe heating solution to keep plants warm through the 

cold months. Both insulation and heating can be costly. 

Page 43: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  41  CIJE‐Tech MS 

In addition to insulation and heating, the 

greenhouses  have  to  have  ventilation. 

Even  though  the  purpose  of  the 

greenhouse  to keep air  inside,  it  is  still 

necessary to make the air move and be 

exchanged  with  outside  air  at  regular 

intervals.  

LIGHT AND HEAT IN A GREENHOUSE 

https://garden.lovetoknow.com/ 

 

 

 

VOCABULARY 

Plant 

Greenhouse 

Photosynthesis 

Soil 

Humidity 

Insulation 

Heating  

Ventilation

MATERIALS  

PART I: GREENHOUSE MODEL 

FILL IN THE MATERIALS TABLE ON THE FOLLOWING PAGE AS YOU ARE DESIGNING 

YOUR GREENHOUSE STRUCTURE. 

PART II: GROWING IN THE GREENHOUSE 

Material (size)  Quantity per group 

  Plastic bottles  1 

  Large potting container (or outside planting area)  1 

  Soil  As needed 

  Seeds to plant  As needed 

  Water   As needed 

Page 44: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  42  CIJE‐Tech MS 

Material (size)  Quantity per group  

Base: 

 

Material ___________________________ 

Size _______________________________ 

 

Structure 

skeleton: 

Material ___________________________ 

Size _______________________________ 

 

Cover:  

 

Material ___________________________ 

Size _______________________________ 

 

Adhesives: 

 

Material ___________________________ 

Size _______________________________ 

 

PART I: DESIGN AND BUILD 

1. In the space below, draw the design of the greenhouse model you would like to bring as a 

suggestion  to  your  collaborative  group.  Don’t  forget  to  consider  how  you will  attach  the 

plastic wrapping onto the structure. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 45: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  43  CIJE‐Tech MS 

2. In the space below, draw examples of how you would try to attach the plastic cover in the 

construction of the greenhouse model. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

3. In the space below, draw the greenhouse model your team will attempt to build. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 46: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  44  CIJE‐Tech MS 

4. As you are designing and building in your team, record what works and what doesn’t. You 

may wish to use these notes if allowed the time to redesign and rebuild. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

PART II: INVESTIGATION DESIGN AND IMPLEMENTATION 

5. Working independently, design an experiment to test whether a plant will grow better inside 

or outside of a greenhouse. You will be testing bringing a plant up from a seed, provided by 

your teacher.  

6. Write down the following: 

a. What you need to do to set up (steps, bullet points, etc.) 

b. Materials you will need 

c. Location where you would set up your greenhouse 

d. How long you think you might need to observe your plant  

e. Any variable you need to control 

f. Anything else you think would be important to consider for this inquiry 

Page 47: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  45  CIJE‐Tech MS 

7. Sketch  your  set  up,  if  it  will  help  you  explain  how  you  would  like  to  proceed  to  your 

teammates. 

8. Design  a  table  where  you  could  collect  data  from  your  observations  in  the  next  section 

together with your team. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

9. Once you join a team, develop a plan of action based on discussion and agreement of the 

team members. Once again write down the agreed components of the experiment that you 

considered independently earlier. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 48: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  46  CIJE‐Tech MS 

DATA COLLECTION (OR TESTING) AND ANALYSIS 

10. In your team, design a table to collect data from observing how your plants grow under the 

different conditions. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

11. What allows the plants to grow better inside a greenhouse, as opposed to outside of one? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. What are the essential parts of a greenhouse? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 49: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  47  CIJE‐Tech MS 

13. What do you need in a winter greenhouse for plants to continue growing through the cold 

weather? 

__________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. What were the strong collaborative qualities of your team? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. What were the areas where your group could have done better as a team? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. Did  everyone  on  your  team have  a  chance  to  contribute  their  ideas  to  some  part  of  the 

project? 

___________________________________________________________________________ 

17. Was everyone on your team engaged in designing your greenhouse? 

___________________________________________________________________________ 

18. Was everyone on your team engaged in building your greenhouse? 

___________________________________________________________________________ 

19. Did the plant you placed in a simple greenhouse grow faster and bigger than the one you 

planted without a greenhouse?   

___________________________________________________________________________ 

Page 50: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  48  CIJE‐Tech MS 

20. Did the other students or groups in your class have the same results?  Why or why not? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. How  did  the  plants  placed  in  greenhouses  compare  to  the  plants  that  grew  without 

greenhouses? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

22. Do you think that plants in large greenhouses would have the same results you observed in 

the simple greenhouses? Explain your thinking. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 51: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 5. Greenhouse Design 

Student Workbook  49  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 52: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  50  CIJE‐Tech MS 

MODULE 6. POPSICLE BRIDGE DESIGN 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

How often do you walk or drive over a bridge? What is the purpose of bridges? For centuries, 

bridges have been used to connect  land and people out of the persistent desire to travel and 

communicate and expand the horizons of what is humanly possible.  

Today, you will design and build a bridge using common materials that will be expected to hold 

a load you probably cannot pick up by yourself, no matter how hard you tried. 

Here are some common shapes used in bridge design. Most bridges you encounter are a variation 

or combination of these basic shapes. 

 WARREN TRUSS 

 PRATT TRUSS 

 HOWE TRUSS 

 K TRUSS 

BRIDGE TRUSS TYPES: WARREN, PRATT, HOWE, AND K TRUSS. 

www.garrettsbridges.com 

Page 53: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  51  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Truss 

Span 

Lateral bracing 

Load 

Capacity 

Mass 

MATERIALS  

To be filled out as you are designing your bridge: 

Material (size)  Quantity per group 

 Building material: ___________________  

Dimensions (per unit): ______________ 

mass (per unit): ___________ 

 

Checked out:   ___________ 

                      +  ___________ 

                      +  ___________ 

                      +  ___________ 

Returned    –   ___________ 

Total used: _____________ 

 Adhesive: ________________________ 

type: ____________________________ 

Checked out:   ___________ 

                      +  ___________ 

                      +  ___________ 

                      +  ___________ 

Returned    –   ___________ 

Total used: _____________ 

1. Before starting on your design, test the building materials you will be using to build.  

2. Record which material you will be using in the Materials table, the size (length, width, height), 

and the mass of each individual building unit, such as a popsicle stick, wooden or bamboo 

stirrer or a toothpick.  

3. When you check out materials  from your teacher record the amount you are using  in the 

materials  table. When you hand  in  leftovers,  subtract  that  amount  from  the amount  you 

recorded to get the final number. 

Page 54: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  52  CIJE‐Tech MS 

DESIGN 

Before you begin designing your bridge, make sure you record the dimensions to which you have 

to adhere.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Answer  the  following  questions  and  label  the  prism  below  to  record  the  limits  and  the 

requirements for your bridge: 

4. What is the gap that your bridge needs to span?   ____________________ 

5. What is the minimum length your bridge should be?   ____________________ 

6. What is the minimum width your bridge should be?   ____________________ 

7. What is the maximum width your bridge could be?  ____________________ 

8. What is the maximum height your bridge could be?  ____________________ 

9. Does your bridge need to have a span above the table?  ____________________ 

10. How tall (from the surface) does this span need to be?  ____________________ 

11. Where on the bridge will the load be placed?   ____________________ 

12. What building units will you use to build your bridge?  ____________________ 

13. How many building units can you use?  ____________________ 

14. What adhesive will you use?   ____________________ 

15. How much of the adhesive are you allowed to use?  ____________________ 

TABLE 2 TABLE 1 

Page 55: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  53  CIJE‐Tech MS 

16. In the space below, draw the design of the bridge you would like to bring as a suggestion to 

your collaborative group. Remember to design all 4 sides of the bridge:  left, right top and 

bottom. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

17. In the space below, draw examples of joints your team (or you independently) will consider 

using in the construction of the bridge. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 56: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  54  CIJE‐Tech MS 

18. In the space below, design the bridge your team will attempt to build. Remember to design 

all 4 sides of the bridge: left, right top and bottom. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

PROCEDURE 

19. As you are designing and building in your team, record what works and what doesn’t. You 

may wish to use these notes if allowed the time to redesign and rebuild. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 57: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  55  CIJE‐Tech MS 

DATA, TESTING AND ANALYSIS 

20. Before testing your bridge, weigh it and record its final mass: _______________ kg 

21. Test your bridge. Record your observations during the testing/breaking of your bridge: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

22. What is the final mass (e.g. capacity) your bridge was able to support? ______________kg 

23. Calculate the score of your bridge: 

𝐵𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒 𝑠𝑐𝑜𝑟𝑒𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦

𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 58: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  56  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

24. What type of truss did you use in the design of your bridge? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

25. What load did your bridge support before it failed? 

___________________________________________________________________________ 

26. What modifications would you implement if you had an opportunity to redesign and rebuild 

your bridge? Feel free to draft your improvements for the bridge in the notes section. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. Describe  how  you  think  your  bridge  would  perform  if  you  tested  it  on  a  shaker  table 

(earthquake simulator)? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. What earthquake resistance retrofits would you have liked to add to your bridge? Feel free 

to draft the retrofits in the notes section. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 59: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 6. Popsicle Bridge Design 

Student Workbook  57  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 60: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 7. Connectivity and Steadiness Tester 

Student Workbook  58  CIJE‐Tech MS 

MODULE 7. CONNECTIVITY AND STEADINESS TESTER 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

The goal of this module is to build a device that will use electrical connectivity to measure the 

hand steadiness of people in your class. You will design and build a game that reacts to the “circuit 

closing.” The purpose of the game is to move a wand with a ring at its end along the entire length 

of a bent wire without touching it. If the wires do not touch, the circuit is considered “open” and 

nothing happens. If the wires touch, the circuit is considered “closed” and a buzzer or light will 

go off.  

Once  you  have  finished  building  your  game,  race  against  other  students  to  see  who  can 

successfully win the game in the least amount of time.  

Let’s review the principles of electricity. All matter is made up of atoms. Atoms are made up of 

positively  charged  protons,  negatively  charged  electrons  and  neutrally  charged  neutrons. 

Electrons are attracted to protons and can move from one atom to another. When oppositely 

charged particles are separated, there is a force pulling them back together which is the source 

of potential energy. Voltage is a measure of that energy and is the basis of electricity. Electricity 

results from the motion of electrons in a material. 

Conductors are made of atoms whose outermost electrons have greater mobility and allow the 

electrons to move at a high rate or current through the material towards the protons. 

Insulators are made of atoms whose outermost electrons have low mobility and do not allow 

electrons to move through the material easily. The harder it is for electrons to move, the more 

insulating the material. 

A complete circuit (closed circuit) meaning the circuit connects a positive terminal to a 

negative terminal and the conductive pathway is uninterrupted by a gap. Current will 

flow  in  a  closed/complete  circuit.  An  incomplete  circuit  is  the  opposite.  Electrons 

cannot  jump through air  to  the other side so when there  is a gap  in  the circuit, air 

presents infinite resistance to the current and current will not flow. When there is a 

gap in the conductive pathway, the circuit is considered open.  

Every battery has two terminals, a positive terminal and a negative terminal.   

In a battery, a chemical reaction between materials inside the battery separates the 

electrons, pushing them to the negative side of the battery and leaving the protons at the positive 

terminal of the battery. Batteries are a store of chemical energy that is quickly converted into 

Page 61: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 7. Connectivity and Steadiness Tester 

Student Workbook  59  CIJE‐Tech MS 

electrical  energy  when  the  battery  is  connected  to  a  closed  circuit  and  current  flows. Most 

batteries contain reactive metal atoms. These atoms give up some of their electrons. 

VOCABULARY 

Atom 

Closed circuit 

Open circuit 

Conductor 

Insulator 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Battery pack with lead wires  1 

  AA batteries  4 

  Alligator clips   5 ‐ 6 

  Buzzer  1 

  Light bulb  1 

  Light bulb holder  1 

  Rigid conductive, non‐insulated wire  40 cm 

DESIGN: 

1. Draw your design in the space provided. Remember to include clear labels. 

Page 62: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 7. Connectivity and Steadiness Tester 

Student Workbook  60  CIJE‐Tech MS 

Clear your design with your teacher before building. 

2. Build your connectivity tester.  Modify your design as needed, but take a note of the changes 

from the original design and why you needed to make those changes. Record your changes 

below. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

3. What is current?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 63: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 7. Connectivity and Steadiness Tester 

Student Workbook  61  CIJE‐Tech MS 

4. What is voltage?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

5. What are the units for voltage? ___________________ For current? ___________________ 

6. Define a conductor?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. Define an insulator?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. When the metal loop touches the bare wire, how long does it take for the buzzer to sound? 

Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. If, instead of using the aluminum foil hoop, we made one out of paper, what would happen 

and why?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 64: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 7. Connectivity and Steadiness Tester 

Student Workbook  62  CIJE‐Tech MS 

10. The light/buzzer as is, has no form of brightness/volume control.  What can we do to make it 

weaker?  Remember that resistance is what slows the movement of electrons in the circuit. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. Is there something we can do to the physical buzzer to quiet it?  Test your idea.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. What factors in the circuit will affect the amount of current that flow through it? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 65: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 7. Connectivity and Steadiness Tester 

Student Workbook  63  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 66: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 8. Squishy Circuits 

Student Workbook  64  CIJE‐Tech MS 

MODULE 8. SQUISHY CIRCUITS 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

The goal of  this module  is to use conductors and  insulators to build a circuit to turn on LEDs. 

Materials  called  conductors,  allow  electrons  to  flow more  easily  than  other materials  called 

insulators. To successfully complete this exercise, you will have to use your knowledge of open 

and closed circuits and the different terminals on LEDs and batteries. 

Please first review the basics of electricity in Modules 4 and 5.  

Let’s continue and review the role of conductors and insulators. Conductors are made of atoms 

whose outermost electrons have weak attachment bonds to their parent atom. When you place 

conductive materials next to each other they share their outer electrons with each other which 

allow electrons to jump from atom to atom. Electrons in metals are highly mobile and can easily 

move through the metal in response to electric forces. 

The force used to push the electrons through the conductor is called voltage, a measure of the 

attraction of the electrons to the positive proton source. If an item has less conductivity, then it 

will  require more  voltage  to push electrons  through  it. Almost  any  item can be a  conductor, 

depending on how much voltage you have to push electrons through it. Electricity is a product 

of electrons leaving their atoms to flow through a conductor. 

Insulators are made of atoms whose outermost electrons have strong bonds to their parent atom 

and do not allow charge to move through or along easily. The harder it is for electrons to move, 

the more insulating the material. 

The  figure below  is a diagram of a wire and shows conductive materials used with  insulating 

materials. Why do you think it is designed this way? Think about why in winter your coat insulates 

your body from the cold weather. 

 

Wire with copper conductor on the inside and rubber insulator on the outside 

Page 67: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 8. Squishy Circuits 

Student Workbook  65  CIJE‐Tech MS 

When  electrons  flow  back  to  the 

positive proton source, the flow is called 

current. Current is the rate of electrons 

passing  a  single  point  in  one  second. 

Current  is  the same value anywhere  in 

the  circuit.  Electrons  leave  the  battery 

from  the  negative  terminal  to  the 

positive terminal, but current is defined 

as flowing from the positive terminal to 

the negative terminal.  

In  a  closed  circuit,  shown  on  the  left, 

(http://tle.westone.wa.gov.au/), 

electrons  flow  from  the  negative 

charge  source  to  the  positive  charge 

source. However, current is defined to 

flow in the opposite direction, from positive to negative charge source. 

A closed circuit means the circuit connects a positive terminal  to a negative terminal and the 

conductive pathway is uninterrupted by a gap and current flows. An open circuit is when there is 

a gap and no current flows. 

In this module you will create a circuit made from conductive and insulating dough (a squishy 

circuit) and learn the importance of conductors and insulators. 

VOCABULARY 

Insulator 

Conductor 

Current 

Electricity 

Voltage 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Battery pack with leads + batteries  1 

  LEDs (light‐emitting diodes)  10 

  Buzzer  1 

  Insulating dough  As needed 

  Conducting dough  As needed 

Page 68: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 8. Squishy Circuits 

Student Workbook  66  CIJE‐Tech MS 

If conductive dough is unavailable, you can create your own using the following: 

Material  Quantity 

  Flour  3 Cup (710 mL) 

  Water   1 Cup (237 mL)  

  Salt  1/4 Cup (59 mL) 

  Cream of Tartar. May be substituted with (133 mL) of lemon juice  3 Tbsp. (44 mL) 

  Vegetable oil  4 Tbsp. (60 mL)  

  Food coloring  A few drops 

  Deionized water  ½ Cup (118 mL)  

  Sugar   ½ Cup (118 mL)  

DESIGN:  

1. In the space below, draw a diagram of your circuit.  

a. Label which wire is connected to the positive terminal of a battery and which wire 

is connected to the negative terminal 

b. If using both insulating and conducting dough, make sure to label both                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 69: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 8. Squishy Circuits 

Student Workbook  67  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

2. When the circuit is open, is the circuit considered complete or incomplete? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

3. When the circuit is open, are the electrons moving? Why or why not? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

4. What is the difference between the flow of electrons and the flow of current? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Circle all that apply: 

5. Which materials would be good conductors? 

Paper  Copper nails  Rope  Paper clips  Salt water 

Plastic  Rubber hose  Ceramic tiles  Aluminum foil  Salt water ice 

6. An atom has: 

Only + charges     Only – charges     Both + and – charges 

7. What is the difference between an atom and an ion? (circle one) 

An atom does not have a neutral charge  

An ion has a neutral charge   

An ion is an atom that is electrically charged 

Page 70: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 8. Squishy Circuits 

Student Workbook  68  CIJE‐Tech MS 

8. If you wanted to make ‐100 charges neutral, you would need an additional: 

50 + charges and 

50 – charges ‐100 charges  +100 charges 

9. Same charges __________________, and opposite charges _______________. 

Fill in the blanks using the words: positive and negative. 

10. Electrons leave the battery from the _________ terminal and flow to the _________ terminal. 

11. Current flows from the battery _________ terminal to the _________ terminal. 

            

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 71: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 9. Simple Circuits 

Student Workbook  69  CIJE‐Tech MS 

MODULE 9. SIMPLE CIRCUITS 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

In  previous modules,  the basic  concepts  of  electricity were  introduced,  and  voltage,  current, 

circuits, conductors, and insulators covered. In this module a simple circuit will be created using 

a breadboard. The breadboard is a tool used to develop and test an electronic circuit before it is 

manufactured or used with expensive sensors. Originally engineers actually used a breadboard, 

a piece of wood used for slicing bread to test their circuits. Holes were drilled to insert electrical 

components, then copper wire was used to connect each component. The method has changed 

but the name stayed the same.  

    

It is important to understand the structure of the breadboard before it is used. Look at the two 

images of the breadboard below. The left image shows the top surface and uses numbers and 

letters to reference locations or points of connection where wires are placed.  

The right image is the back of the breadboard with the foam cover peeled off.  The metal strips 

are the electric conductors inside the board.  

Notice that row 1 has a metal tab from 1a to 1e. This allows us to use any two points in that row 

to make a connection as they are connected by the embedded conductor strip.  If you were to 

create a simple circuit as described before, plugging in a wire to 1a and having a light connected 

Page 72: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 9. Simple Circuits 

Student Workbook  70  CIJE‐Tech MS 

to 1e would allow a current to flow through your circuit and a light to turn on.  It is the same for 

all of the other numbers 2a‐2e. 3a‐3e, 4a‐4e ….  

  

Notice the red positive strip of holes and the blue negative strip of holes. These strips are called 

buses or  rails. They allow connection  from a power source and a  return of  the power source 

otherwise known as ground. The positive strip of holes would be connected to a positive battery 

terminal and the negative strip of holes would be connected to the negative terminal of a battery.  

An LED, shown in the image to the right, will be used in the circuit in 

this module. Remember that an LED will produce  light when current 

flows through it in the correct direction.  Notice, the LED has a long wire 

and a short wire.   For an LED to operate, current must flow into the 

longer leg and out the shorter leg.  Therefore, the long wire from a LED 

should  be 

plugged  into  a  positive  source  of 

power  and  the  short  wire  to  a 

negative source. The LED requires a 

safe amount of current to work. Not 

enough  current  and  the  light  will 

not turn on. Too much current and 

the light will burn out.  

If a strong source of power is used, 

Page 73: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 9. Simple Circuits 

Student Workbook  71  CIJE‐Tech MS 

the current needs to be restricted as otherwise it would burn 

out the LED. This is done by placing a resistor in the circuit to 

“resist” current or flow of electrons.  

The  figure  to  the  right  shows  resistors  that  have  different 

colored bands. The bands indicate the level of resistance to 

current. The resistance is measured in Ohms. 

The relationship between current, resistance and voltage are 

expressed in the following equation:

𝑽𝒐𝒍𝒕𝒂𝒈𝒆 𝑪𝒖𝒓𝒓𝒆𝒏𝒕 ∗ 𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒆 

Voltage is measured in volts, current in amps, and resistance in 

ohms. The above equation is called Ohm’s law. 

Many  electrical  devices  have  a  switch.  Think  about  a  light 

switch or a button pressed to sound a buzzer for a doorbell. A closed circuit allows the current to 

flow. When the circuit is broken the current can no longer flow. A push button will be used in this 

module to close a circuit.  The button is a tool that allows the circuit to become opened or closed. 

An open circuit means that the circuit is disconnected, and no current will flow. When the button 

is pushed the circuit is closed or connected and current will flow as long as there are no other 

open points.  

VOCABULARY 

Electrical energy  

Conductor  

Insulator 

Resistor 

Voltage  

Current  

Diode  

LED (Light Emitting Diode)  

Terminal 

Breadboard 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Breadboard  1 

  Conductor (wires)  4 

  LED’s  1 

  Pushbutton  1 

  2AA Battery pack  1 

  AA Batteries  2 

  Resistors  1 

https://www.hpacmag.com/ 

Page 74: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 9. Simple Circuits 

Student Workbook  72  CIJE‐Tech MS 

DESIGN 

1. Design and create two circuits that turn an LED on and off. One circuit should light up an LED. 

The second should use a push button to turn an LED on and off. Use the provided battery 

pack and two AA batteries to power the circuit. 

2. Use the pictures of the breadboard to design your circuits. 

     

CHALLENGE 

3. Try  to  add  a  second 

LED to the circuit.  

4. Draw the new circuit 

in the breadboard to 

the right. 

 

   

Page 75: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 9. Simple Circuits 

Student Workbook  73  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

5. Draw a diagram of your circuit showing the current leaving the battery and returning.                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

 

6. Examine the wire that you used and describe it using the words conductor and insulator. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. How does the pushbutton work? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 76: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 9. Simple Circuits 

Student Workbook  74  CIJE‐Tech MS 

8. What is the role of the resistor? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. How do you think the type of power source affects the value of the resistor?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 77: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  75  CIJE‐Tech MS 

MODULE 10. ELECTROMAGNETISM  

STUDENT NAME __________________________________   DATE ________________ 

INTRODUCTION 

Did you know that magnets have been used and described for over 2500 years in Greece, China 

and India? Magnets attract other magnets or what we call ferromagnetic materials iron, nickel 

and  cobalt.  The  force  comes  from  the  subatomic  particles  called  electrons.  These  negatively 

charged particles normally rotate around the nucleus in the atom in a random pattern. However, 

when they move in the same direction and are aligned, they create a force that attracts other 

magnets or ferromagnetic materials.  

Have you ever noticed that when you have two 

magnets  together  one  side  of  a  magnet  will 

attract another magnet and one will repel? This 

is because when the electrons are aligned, the 

magnetic  forces  they  create  have  poles  in  a 

magnet as shown in images below. 

Michael Faraday studied magnetism in the 19th 

century. He described its effects with what came 

to be called magnetic field  lines.   He explained 

that  there was a  force  that attempted to align 

the magnetic field lines.  The figure to the right shows the lines of force leave the north pole or 

end of  the magnet and enter  the south pole or end of  the magnet;  they are attracted to the 

opposite pole‐ “opposites attract.”  If there 

is  only  one  magnet,  the  force  lines  loop 

around to the south end.  If there is another 

magnet  with  a  south  pole  near  the  north 

pole,  the  lines  will  enter  that  south  pole 

instead, which explains why one north pole 

or  end  of  a magnet  will  attract  the  south 

pole or end of another magnet.  The closer 

the  magnets  are  the  more  field  lines  can 

enter  the  south  pole,  the  stronger  the 

attraction between the poles that pulls the 

magnets  together.  The  reverse  is  true  for 

same  poles.  The  closer  the  magnets 

together,  the  stronger  the  repulsion 

between two like poles. 

http://www.schoolphysics.co.uk 

Page 78: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  76  CIJE‐Tech MS 

Did you know that lodestone, a natural permanent magnet is created from a regular iron ore that 

has been hit by  lightning? The  force of  the  lightning  causes  the electrons  to be permanently 

aligned and therefore magnetized. Lodestone is an example of a material that has permanent 

magnetic properties and is therefore a permanent magnet.  

There are two types of magnets:  

A. Permanent; i.e., lodestone 

B. Temporary: 

o Some iron materials can be magnetized by even a weak magnetic field, but it is 

temporary 

o Electromagnets,  an  electric  current  through  wire  of  specific  metals  causes  a 

temporary magnetic field 

Did  you  know  that  the  first  observations  of  electricity  were  made  about  2600  years  ago? 

However, at that point, observed static electricity of rubbed amber was mistaken for magnetic 

properties of  lodestone. The difference and the true connection between the magnetism and 

electricity  was  studied  only  2200  years  later  in  the  1600’s!  Electricity  was  found  to  cause 

temporary magnetic properties in certain metals and could be used to rotate materials. From this 

the electric motor, the device you will design, and construct was first discovered almost 200 years 

ago!  

Electromagnets have been used for about 200 years! The first major use for electromagnets was 

telegraph  sounders, which would make  the Morse  code  sounds  that were  translated  by  the 

telegraph operators. Today, electromagnets are used  in motors and generators, speakers and 

buzzers, levitation devices used in high speed Maglev trains and MRI machines used to detect 

abnormalities in human bodies enabling doctors to detect such diseases as cancer earlier and to 

save lives. 

The Earth is considered a large magnet. Its magnetic field is caused by the movement of molten 

iron inside Earth’s core. A compass uses the Earth’s magnetic fields to point to the North Pole. 

VOCABULARY 

Magnet 

Metal 

Ferromagnetic 

Magnetic field 

Magnetite 

Lodestone 

Permanent magnet 

Geographic North Pole 

Geographic South Pole 

Coil 

Electromagnetic rotor

Page 79: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  77  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

Material   Quantity 

  Mandrel (1.25”)  1 

  Magnetic disk   1  

  Copper wire (20 AWG), enameled  112cm 

  9V battery  1 

  Alligator clip  2 

  Sandpaper (5cmx5cm square)  1 

PART I: DESIGNING THE BASE MOTOR 

1. In  the  space provided below,  design  a  Simple  as  Possible  (SAP) motor with  the materials 

provided to you. You may choose to draw a diagram of the motor, labeling the materials you 

will use to construct it. You may also choose to write up the instruction for building it. When 

writing instructions, remember that someone must be able to follow them without your help. 

Your instructions must be detailed and precise. Don’t forget to name the materials and say 

how much of each you need to use. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 80: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  78  CIJE‐Tech MS 

2. Before you start building your motor, check your design with your teacher. 

PART  II:  TESTING  VARIABLES  THAT  INCREASE  OR  DECREASE  THE  SPEED  OF 

ROTATION 

HYPOTHESES:  

3. Which materials can you modify to make the motor’s coil spin faster or slower? Come up with 

modifications in as many materials as you can that will change the motor’s function.  

4. How will changing each material modify the speed of the coil? There is no wrong answer here 

until the tests of your variables are completed. Make an educated guess, based on what you 

learned about electricity, magnetism and an electromagnetic motor. 

Material to modify 

What needs to change? How? 

How will the change affect the speed of the coil’s rotation? 

     

     

     

     

     

5. Choose one variable to test your hypothesis. _____________________________ 

6. How will you change the variable you chose? Choose at least two modifications. 

a. Modification 1:  _____________________________________________________ 

b. Modification 2:  _____________________________________________________ 

Page 81: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  79  CIJE‐Tech MS 

7. Discuss in your group how will each modification to the variable change the speed with which 

the coil spins? Then write down your group’s hypothesis. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

TESTING YOUR HYPOTHESIS, DATA COLLECTION: 

Check with your teacher to make sure materials are available to test your hypotheses. 

8. In the space provided, design a table to collect data from your experiment. Remember to 

include  the  variable’s  name  and  units,  in  which  you  will  be  measuring  your  results.  If 

necessary, create enough rows for multiple trials. 

Make sure to check with your teammates first and then with your teacher to make sure your 

table is ready for data collection before running your experiment.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 82: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  80  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

9. Are all metals attracted to magnets?  Why or why not? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. What are the three metals that have ferromagnetic properties? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. What are the two things necessary to create an electromagnet? 

________________________________    ________________________________ 

12. A magnet has two poles, north and south, please explain why placing the magnets together 

might either cause them to attract each other or repel each other? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. Why is lodestone magnetic, but iron ore is not?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. What does a compass detect and how does it do this? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 83: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  81  CIJE‐Tech MS 

15. Of the following list (screw, water, plastic bottle, scissors, paper clip, glass), which items are  

magnetic? __________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. What will happen if the magnet in your motor was flipped over? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. What will happen if the battery in your motor was flipped over? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. Based on your group’s observations and presentation from the other groups, which variable 

affects the speed of the motor the most? What is the effect? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. Besides of the variables tested, what other factors are likely to affect the speed of the motor?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 84: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 10. Electromagnetism 

Student Workbook  82  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 85: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  83  CIJE‐Tech MS 

MODULE 11. DENSITY  

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

In a time long ago (250BCE) in a land far away (City of Syracuse, in Greece) there lived a King. This 

King of Syracuse ordered a crown to be made from a specific amount of gold. A tradesman who 

completed the order brought back a crown that weighed just as much as the amount of gold that 

the King gave him. As luck would have it, the King heard rumors that the tradesman cheated him 

by mixing the gold with silver and keeping the mass of the crown the same. The King did not want 

to  punish  the  tradesman  just  based  on  rumors,  so  he  asked  Archimedes,  who  was  a 

mathematician,  to  figure out whether  the material  out  of which  the  crown was made was  a 

mixture, or pure gold. His task was complicated by the fact that the crown had to remain intact, 

he could not melt it down. Archimedes knew that silver and gold have different densities. In fact, 

gold is almost two time more dense than silver. He also knew that the density of any material 

depended on how much volume the object occupied. Therefore, he knew that the volume of the 

crown would ultimately determine whether or not it was made out of a mixed metal or pure gold. 

What Archimedes didn’t know was how to measure the volume of an object that did not have a 

regular shape. He knew all the mathematical formulas for calculating the volume of a cube, a 

sphere, a cylinder, and all the other shapes. But how would one go about calculating a volume of 

a  crown?  To  help  himself  think,  Archimedes  decided  to  take  a  bath.  Because  he  was  so 

preoccupied with the problem he didn’t notice that the bath was full to the top before he started 

to get into it. As he started getting into the tub, the water started spilling out. The more his body 

was getting submerged, the more water was spilling out on the floor. Finally, when only his head 

remained above the water, the water stopped spilling. “Eureka!!!!” – he shouted – “I’ve found 

it!” What Archimedes discovered was that the amount of water that was spilling out of the tub, 

was equal to the volume of his body. Since he knew that silver was less dense than gold, and that 

the tradesman made sure the mass of the crown was the same as the amount of gold King of 

Syracuse had given him, Archimedes knew that the volume of the crown with mixed metal (and 

decreased density) should be bigger than the 

same mass of pure gold. He tested the crown 

and  discovered  that  the  tradesman  indeed 

mixed silver into the crown. Now it was up to 

the  King  of  Syracuse  to  figure  out  an 

appropriate judgment for the tradesman.  

Now,  what  is  density  and  how  did 

Archimedes use his knowledge of density to 

help the King of Syracuse make a just ruling? 

Page 86: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  84  CIJE‐Tech MS 

Density is the amount of mass, or “stuff” contained in a specific volume, or space that the object 

takes up.  For example, if you have two boxes of equal size, and one is filled with bricks, and the 

other with feathers, the box of bricks will have a larger mass than the box with feathers. Similarly, 

a ton of bricks is still more dense than a ton of feathers, but the ton of bricks will fit in a much 

smaller container since it has more mass per the same volume than the feathers. But do you think 

it would be easier to pick up a ton of feathers than a ton of bricks? 

 

WHAT’S HEAVIER A TON OF BRICKS OR A TON OF FEATHERS? 

www.courses.lumenlearning.com 

When referring to liquids, a liquid that is less dense will float on top of another liquid that is more 

dense.  You have probably had a chance to observe that when water is mixed with oil and vinegar 

to make a salad dressing. Oil floats to the top and vinegar sinks to the bottom. The only way to 

get all three into your salad is to shake up the bottle before pouring it on.  

Understanding density is not only important for making salads and avoiding picking up a ton of 

feathers. It is also important in making boats. In order for boats, made of steel, to float on water, 

which has a lower density, we can increase the volume of the steel boat and make the steel into 

a hollow shape of a boat. The boat’s density is then combined with the density of air (which is a 

lot lower than water) and thus decrease its overall density, allowing it to float on water. You will 

explore more about boats in the Watercraft Module. 

Today, let’s explore how liquids and solids of different densities interact. 

VOCABULARY 

Density 

Buoyancy 

Mass 

Volume  

Gas 

Liquid 

Solid 

Weight 

Force

Page 87: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  85  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

Material for part I  Quantity  

  Graduated cylinder (100ml)  1 

  Water   15ml 

  Electronic scale  1 

  Craft stick  1 

  Solid objects with irregular shapes  1 of each 

PART I – DETERMINING VOLUME AND DENSITY OF IRREGULARLY SHAPED OBJECTS 

In this section you will calculate the density of objects that have irregular shapes. Make sure the object you choose  can  be  loosely  placed  into  the  graduated cylinder you are using and taken out easily as well.  

To  calculate  an  objects  density,  you  will  need  to measure its mass and volume. Since the objects you will use have irregular shapes, their volumes cannot be  calculated  by  simply  measuring  the  objects’ dimensions (height,  length, width, radius, etc.). This activity  will  show  you  how  to measure  an  object’s volume  by  using  the  displacement  of  water demonstrating what Archimedes found out long ago! 

MEASURING VOLUME OF AN IRREGULAR OBJECT THROUGH WATER DISPLACEMENT 

1. Identify the object in the 1st column of the table 

below 

2. Measure the object’s mass in grams, using the digital scale. Record it in the 2nd column. This 

is how much matter there is in this object. 

3. Note  the volume of  the water  in  the graduated  cylinder before placing  the object  inside. 

Record it in the 3rd column 

4. Place the object carefully inside the water. Be careful not to splash the water. Record the new 

volume of water in the 4th column  

Page 88: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  86  CIJE‐Tech MS 

5. Subtract the number in column 3 from the number in column 4. Record it in the 5th column. 

This is the volume of the object in milliliters (ml) and centimeters cubed (cm3) – this is how 

much space this object takes up 

6. Divide  the  number  in  column  2  (mass)  by  the  number  in  column  5  (volume).  This  is  the 

object’s density – how tightly the molecules of this object are packed 

Object Object’s mass (g) 

Water volume (mL) Object’s 

volume (mL) Object’s density 

(g/mL) Without object 

With object 

           

           

           

           

           

           

           

           

7. Why do you think it is important not to spill the water when you are placing it in the water? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. Which object had the largest mass?  ___________________________________ 

9. Which object had the smallest mass?  ___________________________________ 

10. Which object had the highest density?  ___________________________________ 

11. Which object had the lowest density?  ___________________________________ 

Page 89: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  87  CIJE‐Tech MS 

PART II – LIQUIDS AND SOLIDS DENSITY COLUMN 

Material for part II  Quantity 

  Graduated cylinder (100ml)  1 

  Vegetable oil  15ml 

  Water   15ml 

  Dish soap  15ml 

  Milk (whole)  15ml 

  Corn syrup  15ml 

  Solid  objects  –  ping  pong  ball,  grape  tomato,  bottle  cap,  bead,  die,  corn 

kernel, bolt (or anything else metal) 

1 of each 

12. Place the graduated cylinder on an even surface. 

13. Carefully pour one liquid at a time into the cylinder in the following order: 

a. Corn syrup 

b. Milk 

c. Dish soap 

d. Water 

e. Vegetable oil 

14. Observe what the column of 

liquids looks like and record 

in  the  space  to  the  right.  

Choose  the  best  way  to 

record your results. You may 

want  to  create  a  table,  a 

diagram or an illustration of 

what you observe.  

   

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

                           

Page 90: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  88  CIJE‐Tech MS 

15. What can you say about the densities of the liquids you poured into the column in relation to  

each other? _________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. Carefully add solid objects  (approved by the teacher)  into the column of  liquids.   Observe 

what happens to the solids and record in the area below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

17. What can you say about the densities of the solids with relation to the liquids around them? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 91: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  89  CIJE‐Tech MS 

18. Determine the average density of your column by measuring its volume and mass. Use the 

following formula: 

Density = Mass / Volume 

Average Density: ______________ 

PART III – SUGAR DENSITY COLUMN AND AVERAGE DENSITY 

Material for part III  Quantity 

  Graduated cylinder (100ml)  5 

  Water   15ml 

  Cups with sugar water (4 different concentrations/colors)  1 of each concentration 

  Electronic scales  1 

  Pipettes  2 

In this activity you will once again create a density column. Except, instead of different liquids 

you will use water with sugar dissolved in it. Your teacher would have prepared the 4 different 

concentrations of sugar in 4 different containers. The concentrations will remain a mystery to 

you, for now. 

19. First, however, you will measure the density of each liquid. You already know the formula for 

density. Write it down below: 

                                         

                                         

                                         

20. Look over  the materials you have  in  front of you and write down the steps  to collect  the 

necessary data and calculate the density of each liquid. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 92: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  90  CIJE‐Tech MS 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

21. Create a table and record the densities of the liquids in the space below. Your teacher will 

then reveal to you the concentrations of each one. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

22. How does concentration relate to density? Complete the following sentence: 

The higher the concentration of dissolved sugar in water, the _______________ the density. 

Now it is time to create your density column. 

Page 93: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  91  CIJE‐Tech MS 

23. Start with the sugar water with highest density. Using a pipette, carefully layer the 4 colored 

liquids into a graduated cylinder. Record your observations below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

24. What happens in the areas where the water is colored orange? Why does this happen? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Now, let’s see what happens when you shake up your column. 

25. Cover the top of the cylinder with a palm of your hand and shake it. Record your observations 

below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 94: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  92  CIJE‐Tech MS 

26. How long do you think you have to wait for the liquids to separate again? Explain your answer. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. Using  the directions  for  calculating  density  you used  already, measure  the density  of  the 

resulting liquid.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

28. How does it compare to the densities of each individual liquid you used to create this density 

column? Explain why you think the average density of this resulting liquid is what it is.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 95: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  93  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

OVERALL ASSESSMENT 

29. What is heavier, a kilogram of bricks or a kilogram of feathers? What takes up more space? 

Explain? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

30. Mercury  is  a  liquid.    From  the  density  table  shown, 

which solid metal(s) will float on a container of mercury 

and why?   

_____________________________________________ 

_____________________________________________ 

_____________________________________________ 

_____________________________________________ 

_____________________________________________ 

_____________________________________________ 

31. Car frames are currently made of iron.  To improve gas mileage, there is a push to make cars 

lighter  in weight.   Aluminum can be used.    If the same volume of aluminum were used to 

manufacture a car frame, would the frame weigh less than half as much?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Metal  g/cm3 

water  1.00 

aluminum  2.70 

zinc  7.13 

iron  7.87 

copper  8.96 

silver  10.49 

lead  11.36 

mercury  13.55 

gold  19.32 

Page 96: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  94  CIJE‐Tech MS 

32. When designing a raft, an engineer has a choice of using Styrofoam (lowest density), cork 

(medium density), or bamboo shoots (most dense).  Which material would be best?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

DETERMINING VOLUME AND DENSITY OF IRREGULARLY SHAPED OBJECTS 

33. In  your  own words,  describe  the  two  different  ways  to measure  the  object’s  density  by 

submerging it in water. Use illustration to assist in your description. How are they the same? 

How are they different? What is the benefit of each?  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

                   

Page 97: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  95  CIJE‐Tech MS 

34. How could you measure the volume of an object that does not fit inside a cylinder? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

35. How would you measure the volume of an object that does not sink in water? Describe in 

words and draw a diagram to describe. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

36. Why would some objects not sink in water? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

LIQUIDS AND SOLIDS DENSITY COLUMN 

37. Which was the least dense liquid in the column you built? Which was the most dense? 

___________________________________________________________________________ 

38. Which was the least dense solid object in the column you built? Which was the most dense? 

___________________________________________________________________________ 

Page 98: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  96  CIJE‐Tech MS 

39. Did you include the mass of the graduated cylinder in your calculations of average density? 

Why or why not? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

SUGAR DENSITY COLUMN AND AVERAGE DENSITY 

40. Why did you have to use caution when layering the liquids? What would happen if you just 

poured one over the other quickly? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

41. What would happen to the average density of the resulting liquid (after you shook it up) if 

you used more of the lowest density liquid to build your column?  What if you used more of 

the highest density liquid? Explain using what you know about averages. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

42. How are the two density columns you made similar? How are they different?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

43. What  is different between the average density of the column made up of multiple  liquids 

(from Part II) and the sugar column (from Part III)? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 99: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 11. Density 

Student Workbook  97  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 100: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  98  CIJE‐Tech MS 

MODULE 12. WATERCRAFT 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

What makes a boat float? Well, if it is made of wood, the answer is easy. Most wood floats since 

its density is lower than that of water. What about the really big boats, the ones made of iron, 

like the Titanic or the big cruise ships that take people around the world? Metal does not float. 

So… what makes the boats float?  

Look at the picture of boats below. What do they have in common? How are they different? What 

is the purpose of each boat? How much weight is each boat meant to carry? These and many 

other  questions  engineers  ask when  designing  any  boat,  whether  it  is  a  bath  toy  or  a  Navy 

submarine. 

 

In  this module you will design a watercraft out of  regular household materials. The goal  is  to 

design it such that it will hold the maximum number of pennies for the longest period of time 

without sinking.   

 

Page 101: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  99  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Density 

Buoyancy 

Mass 

Weight 

Force 

Gravity 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Cellophane wrap  1 roll 

  Party balloons  4 balloons 

  Paper   4 sheets 

  Tape  1 roll 

  Pennies  30‐50 

  Large container of water  1 

  Plastic cups  2 

  Plastic straws  12‐20 

  Metric ruler  1 

DESIGN 

1. In the space below, sketch a design of your penny boat. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Seth Wait
Seth Wait
Seth Wait
Seth Wait
Seth Wait
Seth Wait
Plastic Bag
Seth Wait
1
Seth Wait
2
Seth Wait
40 cm
Seth Wait
10
Page 102: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  100  CIJE‐Tech MS 

2. Compile of list of materials you will need and quantities of each: 

Material  Quantity 

   

   

   

   

   

   

   

3. Build and test your boat! How many pennies was it able to hold before sinking? ___________  

4. If a penny weighs 2.5 grams, approximately how much mass, in grams, was your boat able to  

hold?  ______________________ grams 

5. How did you place the pennies in your boat?  Did you have a strategy? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 103: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  101  CIJE‐Tech MS 

6. What were two of the most common methods of boat failure for the class? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. Taking the failures of the boats your classmates and you designed, think of ways to improve 

on what you have made. In the box below, sketch a redesign of your penny boat so it can hold 

more coins and for a longer time. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 104: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  102  CIJE‐Tech MS 

8. Compile of list of materials you will need and quantities of each: 

Material  Quantity 

   

   

   

   

   

   

9. Rebuild and test your boat again! 

10. Approximately how many grams of mass did your boat hold? ______________ grams 

11. What was the single biggest design change from your first boat to your second?  Why did you 

choose to change the design in that way? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. What design feature did the majority of boats in class have in common? Why do you think 

that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 105: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  103  CIJE‐Tech MS 

13. Does the lightest boat necessarily carry the largest mass?  Why or why not?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Does the biggest boat necessarily carry the largest mass?  Why or why not?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

 https://www.teachengineering.org/ 

15. Which hull from the figure above will likely carry the most mass?  Why do you think so? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

 http://www.mby.com/ 

16. Which hull from the figure above would likely be the fastest?  Why do you think so? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 106: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  104  CIJE‐Tech MS 

17. Based on the engineering design process that was studied  in Module 1, describe how you 

fulfilled the following three steps of the design process in your project. 

Testing/Analysis – Test your model, tool or structure and analyze its performance 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Final output – Provide an accurate description of the design; Build the final design 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Design Improvement – Think of ways to improve performance 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. Very often, the final design of an object will not be a total redesign of the original concept, 

but  rather  based  on  tweaking  and  modifying  of  the  original  design.   What  were  some 

modifications you incorporated that did not require a complete redesign of your boat? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 107: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 12. Watercraft 

Student Workbook  105  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 108: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  106  CIJE‐Tech MS 

MODULE 13. CARTESIAN DIVER 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

A Cartesian diver is a classic experiment, named for scientist Rene 

Descartes,  which  demonstrates  the  principle  of  buoyancy  (also 

known as Archimedes’ Principle). It can also link to the Ideal Gas 

Law and includes discussing concepts of density, pressure, mass, 

and volume as well. 

View photos  of  the Dead  Sea. What  do  you  observe? Have  you 

visited the Dead Sea? Tell your group about your experience. The 

Dead Sea is extremely salty, much more than regular sea water. As a result,  its water  is more 

dense than sea water and actually more dense than your body causing a body to float in the Dead 

Sea. 

VOCABULARY 

Mass                        

Density 

Displacement   

Volume 

Buoyancy   

Pressure 

Force 

MATERIALS 

Material  Quantity  

  Bottle (2L)  1 

  Water  2L 

  Plastic cup (9oz)  1 

  Pipette (plastic)  1 

  Hex nut (1/4 in) OR Jumbo paperclips  1 OR as needed 

  Scissors  1 

   

Page 109: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  107  CIJE‐Tech MS 

PROCEDURE 

This experiment shows what happens when the pressure on a gas increases and decreases. When 

you squeeze the bottle, the air bubble inside of the diver is forced into a smaller space making it 

more dense. The more dense the air becomes the further the diver sinks. When you release the 

bottle, the air expands, and the diver rises to the top. 

 

1. Cut off the stem of the pipette about 1–1.5 cm below the end of the bulb and discard the cut 

portion of the stem.  

2. Thread a hex nut onto the stem of the pipette. It should be a tight fit.  ALTERNATIVELY, you 

can use jumbo paperclips to weigh your diver down. 

3. Fill the plastic bottle almost to the top with water. 

4. Fill the plastic cup almost to the top with water. 

5. Transfer the diver to the cup. The diver should just barely float. If necessary, take up some 

water into the pipette. 

6. Carefully transfer the diver to the bottle. The diver should still just barely float.  

7. Add water to the bottle until it is filled completely and then screw the lid on tightly.  

8. Squeezing the bottle should cause the diver to move downward, and the release of pressure 

should cause it to float back up again. If the diver will not submerge, remove the diver and 

add more water to the pipette. 

Page 110: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  108  CIJE‐Tech MS 

TESTING AND DATA COLLECTION 

9. In the space below, draw a picture of your Cartesian diver before and after you squeeze the 

bottle. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

10. Describe what happens  to  the diver  as  you  squeeze  the bottle  and  the pressure  inside  is 

increased. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 111: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  109  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

11. Why does a change in pressure affect what happens to your diver? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Does it matter how hard you squeeze the bottle?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. How do you think it would be different if you used hot or cold water?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Is the density of the “Cartesian Diver” higher or lower than the density of water?  How do you 

know? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. To be neutrally buoyant, an object must not rise to the surface or sink to the bottom.  How 

can you keep your diver neutrally buoyant?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 112: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  110  CIJE‐Tech MS 

16. Define the following variables 

a. Volume  ____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

b. Mass   ____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

c. Density  ____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

d. Buoyancy  ____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

e. Pressure  ____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

17. Use the variables you defined in the previous question to explain what is happening inside 

the bottle. Write a short paragraph describing why the outside pressure on the bottle affects 

the diver inside. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 113: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  111  CIJE‐Tech MS 

CHALLENGES  

CHALLENGE 1: 

Design your own Cartesian diver from household items. It must fit inside of a bottle so that it can 

be tested. However, you are welcome to bring in larger size bottles to use. 

CHALLENGE 2: 

1. Partner with another team and make five divers filled with various amounts of water.  

2. Label each diver using a permanent marker. 

3. Record your observations below. 

4. Feel free to create your own challenge, after checking with your teacher. 

Diver  Amount of water  Observations 

1   

 

 

 

2   

 

 

 

3   

 

 

 

4   

 

 

 

5   

 

 

 

Page 114: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 13. Cartesian Diver 

Student Workbook  112  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 115: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  113  CIJE‐Tech MS 

MODULE 14. BALLAST 

STUDENT NAME ____________________________ DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

What happens to a block of metal when you place it in water? What about a beach ball? Those 

questions are easy to answer. What about why? Why does a block of metal sink and a beach ball 

float? Is it because of their mass? What if you make sure that the block of metal has the same 

mass as  the beach ball? Will  it  float or sink?  It will  sink. Because  the ability of an object or a 

substance to float depends on its density, not its mass. No matter how big or heavy the beach 

ball, it will never sink. No matter how tiny a speck of metal, it will always sink in water. What is 

density? It is how closely packed the molecules or atoms of the substance are. The figures below 

show  that  if molecules  or  atoms  are  packed  very  closely  together,  the  substance  has  a  high 

density, such as iron, copper and most other metals. If the molecules are far apart, as in all gases 

(the ones in the beach ball), the substance has a low density.  

 https://theconstructor.org/ 

What if you, as any engineer, are not satisfied with an object just sinking or just floating? What if 

you would like to be able to control when an object sinks and when it floats? Well, then you build 

a model of an object that is composed of multiple substances, and which allows you to add and 

take away substances, which will allow you to change the average density of an object.  

What is average density? Average density takes into consideration all the materials out of which 

an object is made. A simple way of calculating density is to divide the object’s mass by its volume. 

You already know how to calculate an object’s volume that has a regular shape. However, when 

an object has an irregular shape, that might be a little more difficult. 

In this module, you will learn and practice measuring an irregular shaped object’s volume. Once 

you know how to do that you are well on your way to be able to calculate average density of any 

object.   

Page 116: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  114  CIJE‐Tech MS 

Israel, surrounded by four bodies of water (Kineret, The 

Dead  Sea,  Mediterranean  Sea,  and  the  Red  Sea), 

maintains  a Navy  Force  in  the Mediterranean and  the 

Read Seas  to protect  its  shores. The  latest addition  to 

Israel’s Navy submarine force is the Rahav submarine in 

2018, shown in the figure to the right.  

The goal of this activity is to build a bottle “submarine,” 

capable  of  submerging  and  surfacing  while  staying 

horizontally level. 

VOCABULARY 

Density 

Average density 

Buoyancy 

Ballast

MATERIALS 

 

Material  Quantity 

  Flexible tubing  50‐100cm 

  Flexi straw  1 

  Plastic bottle (16oz or smaller)  1 

  Coins (nickels or larger) OR washers (metal, various sizes)  As needed 

  Electrical tape  1 roll 

  Clay  About the size of a bottle cap 

Page 117: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  115  CIJE‐Tech MS 

DESIGN AND TESTING 

1. INDEPENDENTLY, sketch a diagram of how you plan to build your submarine  in the space 

below: 

 

2. Share your design ideas with your group. Collaboratively, come up with a design on which the 

group agrees. Clear your design with your teacher before proceeding to the building part. 

3. What are 2 design ideas you are using from amongst the individual’s preliminary designs? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 118: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  116  CIJE‐Tech MS 

4. Construct  your  craft.    In  order  for  your  submarine  to  float  the  ballast  holes must  always 

remain facing downward.   Use the ballasting material (i.e.   coins) to help steady the craft. 

Draw and label your model in the following space: 

5. Test your submarine. What are some problems with how your submarine functions?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 119: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  117  CIJE‐Tech MS 

6. Practice using the straw to get your submarine to float precisely in the center of the tank. 

What are some difficulties you are having? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. Is the craft more steady when there is more ballast and more air, or when there is less ballast 

and thus less air?  Why do you think that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. What would be the danger in a submarine turning over? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. What is the maximum amount of mass, or coins, that your submarine can lift? _________ 

What determines this?   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. What  are  some  advantages  and  disadvantages  to  an  active  ballast  system,  where  air  is 

pumped in and out to raised and lower a submarine? 

Advantages: ________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Disadvantages:______________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 120: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  118  CIJE‐Tech MS 

REDESIGN AND RETESTING 

11. After listening to the problems other groups were having with their designs and considering 

the problems with your group’s design. What are some things you need to change in your 

submarine’s design to make it work more efficiently? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. If time permits, redesign and rebuild your submarine. Test it again.  

13. Did the adjustments you made to the design improve your submarine?  How so? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

14. What is the difference between the density of an object made entirely out of metal and that 

of a submarine, that is hollow and filled with air (and other things) on the inside? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 121: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  119  CIJE‐Tech MS 

15. Why is a submarine able to rise up to the surface of the water, even though it  is made of 

material much more dense than water? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. What serves as ballast on an actual submarine? What did you use as ballast on the model 

submarine you designed and built? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. Why did your bottle submarine need to have holes on its bottom? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. Why do you have to place your thumb over the end of the plastic tubing to keep the bottle  

afloat? _____________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. If you wanted to calculate the density of your submarine, what would you need to do? How 

would the submarine’s density differ when  it  is on the bottom of  the water chamber and 

when it is on the surface of the water? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 122: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 14. Ballast 

Student Workbook  120  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 123: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  121  CIJE‐Tech MS 

MODULE 15. WATER AND SALINITY 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

EARTH’S WATER SUPPLY: 

Water makes up 71% of the Earth’s surface, and most of this water is seawater. Only 3.5% of the 

Earths water is freshwater, and most of it is tied up as ice and is therefore inaccessible. Sea water 

has a 3.5% composition of various salts that is the equivalent of 3.5g salt dissolved in 100ml of 

water, and  it  tastes very salty. Freshwater has a salt concentration of  less than 0.05%, that  is 

0.05g  salt  dissolved  in  100ml  of  water.  However,  there  are  ranges  in  between,  and  the  salt 

concentration in any body of water is dependent on many factors. One of these factors is the rate 

of evaporation of water. The evaporation rate is dependent on temperature and wind patterns. 

Warmer areas have higher evaporation rates, which makes ocean and sea water in those areas 

saltier than in the cooler areas.   For example, the Red Sea is saltier than the Indian Ocean. Other 

reasons  for  difference  in  salt  concentration  are  temperatures,  wind  levels,  altitudes  (how 

elevated the body of water is), amount of rainfall, runoff, and stagnant water.  

The Dead Sea has  the highest salinity of a 

body of water in the world with a 34% salt 

concentration.  This  high  density  of  salt  in 

the  Dead  Sea  allows  the  human  body  to 

float in its water. However, this high level of 

salt  also  prevents  life  forming  in  the 

appropriately named Dead Sea  (see  figure 

to  the  right).  The  high  level  of  salt  in  the 

Dead Sea is caused by a combination of all 

the factors mentioned above. 

The more salt there is in a body of water the higher its density. It is because of this very high‐

water density that people can float in the Dead Sea and it is also the reason that no life forms in 

and around the Dead Sea.  

Salt is not the only mineral in natural bodies of water.  There are many other minerals as well. 

Minerals  are  naturally  occurring  chemical  compounds  such  as  potassium,  calcium  and 

magnesium to name a few.  Theses minerals can come in a crystalline form or be dissolved in 

fresh or salt water. Different areas have different mineral types, so the freshwater might taste 

different according to the minerals dissolved in it. The term “hard water” is freshwater with a 

Page 124: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  122  CIJE‐Tech MS 

high  mineral  content  that  usually  come  from 

calcium  and  magnesium  carbonates.  These 

minerals  can  create  the  white  crystalline  crust 

that is often found on shower and faucet heads 

(see figure to the rights). Soft water, by contrast, 

has a low concentration of minerals. 

http://www.waterfowlbootcamp.org/2015/06/  

SOLUTES, SOLVENTS AND SOLUTIONS. 

You must have heard the word solution many times. But what is it exactly? 

A solution  is a  liquid mixture of a solid component  (the solute)  that  is dissolved  in  the  liquid 

component (the solvent). Solution is a very special type of mixture referred to as homogenous. 

Homogenous means the same throughout. For solution, it means that no matter what part of a 

solution  you  take,  you  will  get  the  same  composition.  This  is  different  from  heterogeneous 

mixture (like salad or a collection of marbles) that is different in different locations of the mixture. 

 https://msnucleus.org/ 

Salt and water  solution  is an example  that you will explore  in  this module. Another common 

example of a solution is air. Even though it is not liquid but gas, we consider it a solution because 

gases are fluids. 

SALINITY 

When  salt  is  dissolved  in  water,  there  is  only  a  very  small  change  in  the  volume  of  water. 

However,  the  mass  is  increased.  Since  you  are  now  packing  more  “stuff”  (water  and  salt 

molecules) into nearly the same volume this leads to an increased density of the entire solution. 

The measure of the density of dissolved salt in water or concentration of dissolved salts in water 

is called salinity. 

Page 125: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  123  CIJE‐Tech MS 

Salinity can be expressed through percent concentration (%), parts per thousand (ppt) or parts 

per million (ppm). For example, on average, sea water has a 3.5% salt concentration of salt, which 

is 35ppt. You will learn about these units in this module as well.  

When a solution takes on as much solute as it can handle and cannot take on any more, it is called 

a saturated solution. However, you can “persuade” a solution to take in some more solute by 

changing the temperature (increasing) or pressure (decreasing) of the environment. In this case, 

a solution will take on some more solute and become supersaturated. 

The Dead Sea is a supersaturated salt solution. Its salt concentration is unusually high, 34%! This 

high concentration is possible because of the high temperatures of the surrounding desert. 

DENSITY 

Density is the mass in a unit of volume. It is the measurement of the amount of matter in a given 

space. Put another way, density is the amount of mass, or “stuff” contained in a specific volume, 

or space that the object takes up. The more mass you have in a given volume, the higher the 

density (see figure below).  

 http://www.shonscience.com/ 

The formula for density is:  𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦  

We measure density in grams per centimeter cubed (g/ cm3) or grams per milliliter (g/ml), since 

1cm3 = 1ml. 

Density of pure water is 1 gram/cm3 or 1 gram/ml since the mass of 1ml of water has the mass 

of 1 gram. 

BUOYANCY 

Buoyancy is a measure of the upward force, called the Buoyant force. This force acts on an object 

when  it  is  placed  in  a  liquid  or  a  gas,  causing  it  to  float.  It  can  be  experienced  by  trying  to 

submerge a beach ball in water. The difficulty in completing this task comes from the buoyant 

force  by  the  water  on  the  beach  ball.  The  ball  actually  experiences  a  balance  between  the 

buoyant force pushing upwards and the force of gravity on the ball pushing downwards. The two 

forces are opposite. When the ball is full of air, the upward force on the ball from the water is 

greater than the force of gravity, therefore the ball floats. What would happen if you filled the 

Page 126: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  124  CIJE‐Tech MS 

ball with sand? It would sink because in that case, the force of gravity would be greater than the 

upward force of water on the ball full of sand. 

In this module, you will build an instrument with which you will measure the salt concentration 

or salinity of known and unknown salt water solutions. Understanding the concept of parts per 

million (ppm) will be important.  

VOCABULARY 

Solution 

Solute 

Solvent 

Homogeneous 

Heterogeneous 

Concentration 

Salinity 

Mineral 

Buoyancy 

Buoyant force 

Density

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Graduated cylinders, 100ml  5 

  Plastic straws  2‐6 

  Play doh  1/5 container 

  Alternative to Play doh – pencil cap erasers  5 

  Salinometer  1 

  Plastic pipettes  5 

  Electronic scale  1 

  Digital salinometer  1 

PROCEDURE 

PART I:  BUILDING A SALINOMETER  

1. Cut  three plastic  straws  in half horizontally. Take a  small piece of Play Doh, 

measure its weight using a scale, record the weight. Roll it into a ball and attach 

it to one of the cut straw pieces. 

Page 127: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  125  CIJE‐Tech MS 

2. Press the underside of the ball on to a table to make it flat at the bottom. 

3. Fill a 100ml graduated cylinder with 75 ml of water and place the buoy in the water. 

4. If the buoy sinks to the bottom, make another buoy with less Play Doh. Keep trying (repeat 

from first step) until the buoy floats in water at about mid‐way down. 

5. Once you have the necessary weight of Play Doh, use that amount to make five buoys. 

PART  II:  USING  THE  SALINOMETER  TO  COMPARE  SOLUTIONS  WITH  KNOWN  SALT 

CONCENTRATIONS 

6. Using masking tape, label the graduated cylinders with: 0% salt, 5% salt, 10%salt, 15% salt 

and unknown. 

7. Fill each of the four graduated cylinders with 75ml of the known salt solutions as indicated 

on the label. 

8. Place one buoy  in  each  graduated  cylinder  carefully. Make  sure no water  gets  inside  the 

straw. 

9. Using  a  plastic  pipette  (make  sure  to  use  one  pipette  per  solution),  add  the  same 

concentration solution to each graduated cylinder until the water level reaches 100ml. As you 

are adding the water, make sure no liquid gets inside the straws. 

10. Record the level of the bottom of each buoy and record it in the data table.  

PART III: USING THE SALINOMETER TO DETERMINE THE SALT CONCENTRATION OF AN 

UNKNOWN SALT SOLUTION 

11. Fill the 5th graduated cylinder with 75ml of the unknown salt solution. 

12. Place the last buoy the graduated cylinder carefully. Make sure no water gets inside the straw. 

13. Using a clean plastic pipette, add the same solution to the graduated cylinder until the water 

level reaches 100ml. As you are adding the water, make sure no liquid gets inside the straws. 

14. Record the level of the bottom of the buoy and record it in the data table.  

15. Using  the  data  from  the  solutions  with  known  salt  concentrations,  estimate  what  the 

unknown concentration might be. Record it in the data table.  

16. Using a digital salinometer, measure the salinity of the unknown solution and compare it to 

your estimated percentage. Record it in the data table. Convert the number reported by the 

salinometer to percent by dividing it by 10,000.  

Page 128: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  126  CIJE‐Tech MS 

OBSERVATIONS AND TESTING 

17. Once you have discussed the procedure for the experiment with the class, design a table to 

collect  the  data  from  the  experiment  for  the  four  known  and  one  unknown  salt 

concentrations.  Use  the  space  below  to  create  your  data  table  and  to  record  your 

observations. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 129: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  127  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

SATURATION AND SUPERSATURATION DEMO 

18. What is the difference in the number of spoons of salt that were able to be dissolved in the  

two water cups? _____________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. What is the state of the solution in the first cup? ___________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. What is the state of the solution in the second cup? ________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. What is the difference in water in the two cups? To what does that difference contribute?  

Why do you think this difference causes change in behavior of the solute on a molecular level? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

EGGS IN DIFFERENT SALT CONCENTRATIONS DEMO 

22. Based on what you know about water and eggs, predict whether the egg is going to float or 

sink in each of the cups:  

a. with water only: _____________________________  

b. Cup with 1 teaspoon of salt dissolved in water: ____________________________  

c. Cup with 1 tablespoon of salt dissolved in water: ___________________________ 

Page 130: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  128  CIJE‐Tech MS 

23. Record what you observe in the space below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

24. What is the relative difference in density of each solution? Which solution is least dense, and 

which is most dense? Explain why you think so. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

25. Explain why there is a difference in the egg’s behavior in each of the solution by using the 

concepts of density and buoyancy? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

26. Which variable experiences the change in density in this demonstration, the solution or the  

object that is placed in it? _____________________________  

Page 131: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  129  CIJE‐Tech MS 

27. How does what you observe in this demo illustrate what a human body would experience in 

a fresh water lake as opposed to an ocean? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

COKE VS. DIET COKE DEMO 

28. Record the mass (in grams) and volume of each can below: 

a. Coke: ________________ grams; ________________ ml 

b. Diet Coke: ________________grams; ________________ ml 

29. Is the mass the same? ___________ Is the volume the same? ___________ 

30. What is used to sweeten each drink? How do you know? 

a. Coke _____________________________________________________________ 

b. Diet Coke _________________________________________________________ 

31. As the teacher places both cans in water, record what you observe in the space below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 132: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  130  CIJE‐Tech MS 

32. What is the difference in the floating of the two cans? Why is this difference observed? 

________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

33. Which variable experiences the change in density in this demonstration, the solution or the  

object that is placed in it? _____________________________ 

34. Calculate  the  density  of  each  can  based  on  their  mass  and  volume  that  you  recorded 

previously using the formula D=m/V. 

a. Coke: ________________ g/ ml 

b. Diet Coke: ________________ g/ ml 

ANSWER  THE  QUESTIONS  BELOW  ONCE  YOU  HAVE  COMPLETED  THE  SALINOMETER 

PORTION OF THE MODULE: 

35. Why is it important to keep the weight of the Play Doh the same in each of the buoys? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

36. Why is it important not to get any water in the straws when testing the different solutions’ 

salt concentration? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

37. Why is it important not to mix pipettes between the solutions? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 133: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  131  CIJE‐Tech MS 

38. When the concentration of salt rises, what happens to the level of the base of the salinometer 

and what caused the change? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

39. In  the  space  below,  create  a  graph  of  the  salt  concentration  versus  the  level  of  your 

salinometer. At what level would you expect your salinometer to be in a solution that is 20% 

salt concentration?  Indicate your answer on the graph below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 134: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 15. Water and Salinity 

Student Workbook  132  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 135: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  133  CIJE‐Tech MS 

MODULE 16. WATER PURIFICATION 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

GLOBAL WATER SUPPLY 

Water makes up 71% of the Earth’s surface, and most of this water is seawater. Only 3.5% of the 

Earth’s water is freshwater, and most of this is tied up as ice and is therefore inaccessible (see 

figure  below).  Sea  water  has  a  3.5%  composition  of  salts  that  is  the  equivalent  of  3.5g  salt 

dissolved in 100ml of water, and it tastes very salty. Freshwater has a salt concentration of less 

than 0.05% of salts, that is 0.05g salt dissolved in 100ml of water.  

With only a fraction of the freshwater free and 

available, the stress on our water supply is now 

at a high  level. Worldwide, 783 million people 

(about one in nine) do not have access to clean, 

safe water (https://thewaterproject.org/water‐

scarcity/water_stats  ).  Water  is  listed  as  a 

number one global  risk based upon  impact  to 

society.  In the developed world water  is often 

taken  for  granted,  available  for  household, 

industry and agriculture use such as irrigation. 

It is however not evenly distributed across the 

Earth  and  in  many  underdeveloped  areas 

people may have to walk long distances to have 

access to water, and it is therefore considered a 

valuable commodity. The available freshwater supply is not unlimited, and with a growing world 

population,  the  demands  are  increasing  to  the  point  that  even  in  the  developed world with 

drought conditions, water shortages are becoming frequent. People may be able to live without 

fuel, but water is essential to life. Conservation measures are often common in areas of drought. 

Ideally one of the solutions is a purification of sea water to drinking quality. Our continents are 

surrounded by so much sea water, use of this water is considered one of many solutions for the 

growing world population. 

PURIFICATION OF SEA WATER‐ DESALINATION 

Sea water often contains many elements including salts from many compounds including sodium 

chloride. Desalination only addresses  the processes  that  remove  salt  from water,  it  does not 

address purification of water from other contaminants like bacteria. There are four key processes 

Page 136: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  134  CIJE‐Tech MS 

that desalinate water, thermal, electrical, pressure desalination (reverse osmosis), and forward 

osmosis. We will consider the first three methods. 

A. THERMAL DESALINATION OR DISTILLATION:  

In this process, sea water is heated, and 

the water vapor (steam)  is cooled and 

collected,  leaving  the  salts  behind 

(shown in the figure to the right). Think 

of  what  happens  when  salt  water  is 

spilled on the ground and left it to dry 

naturally.  Salt  crystals  appear  on  the 

ground  as  the  water  evaporates  and 

changes phase from a liquid to a vapor. 

With  distillation,  the  materials  are 

separated  as  the  water  heats  and 

changes from a liquid phase to a vapor 

phase. However,  the  contaminated particles  stay  in  the primary distillation  container as  they 

would require to be super‐heated at high temperatures to change their phase. The downside of 

thermal desalination is that a  lot of energy is required to produce mass quantities of drinking 

water. 

Thermal desalination is the method you are going to test in this module. 

B. ELECTRICAL DESALINATION. 

In this method, an electrical current is used to separate the water from the salt compounds. This 

method requires too much energy to make it suitable for the high concentrations of sea water. 

C. REVERSE OSMOSIS 

In  this method, pressure  is  used  to push  salt water  through a  semi‐permeable membrane  (a 

membrane  with  tiny  holes  to  allow  passage  of  certain  tiny  molecules)  to  clear  water  of 

contaminants and salt. In 2011, this method was used by 66% of water desalination plants with 

the world’s largest reverse osmosis plant built in Sorek, Israel in 2013. 

ISRAEL AS A GLOBAL LEADER IN WATER PURIFICATION AND DESALINATION 

In Israel, the climate is a mix of arid and Mediterranean climates. Israel is located between 29° 

and 33° north of the equator. The north and coastal regions have hot and dry summers, and cool, 

rainy winters, whereas southern and eastern areas are arid and dry.  It is possible to think that 

an area that has a large arid component would have a significant water shortage, yet Israel has 

an abundant supply of water in comparison to its neighbors, where water shortages are common. 

The  reason  for  this  is  that  Israel  has  been  investing  in  research  into water  conservation  and 

Page 137: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  135  CIJE‐Tech MS 

desalination technologies for more than half of a century. It is now a world leader in these areas. 

The following lists just some of the technologies that Israel uses that are now being used in other 

areas to address severe water shortages.

1. AGRICULTURE:  

The majority of fresh water is normally used 

by agriculture at approximately 68% of the 

total water supply. Much of the water used 

is  wasted  as  run‐off,  which  also  causes 

problems  due  to  pollution  of  freshwater 

sources.  Israel  was  the  founder  of  drip 

irrigation,  a  method  by  which  water  is 

dripped  on  a  plant  on  an  as‐needed  basis 

resulting in significantly reduced run‐off and 

waste. This technology was discovered by a 

young water engineer named Simcha Blass, 

in  the  1930’s.   He  noticed  that  a  tree  that 

stood out from a bank of trees on the edge of the farm he was visiting. This tree was taller and 

greener. He found that this tree was being watered by a tiny hole in a hose. From this observation, 

he developed drip irrigation technology, which is now being adopted around the world by many 

nations, including the USA. 

2. DESALINATION USING REVERSE OSMOSIS 

The coast of Israel is dotted with desalination plants that contribute significant amounts of water 

to the economy. This technology has now been adopted by the USA, and the first desalination 

plant opened in Carlsbad in California in 2015. Further desalination plants are in development. 

3. CONSERVATION OF WATER 

Many old cities have aging water systems. It is almost impossible to replace centuries of water 

pipes and also to pinpoint leaks without digging up miles of pipes. In Jerusalem, a company called 

Hagihon came up with a method where pressure sensors in various parts of the city detect pipe 

leaks. The  leaks can  then be  repaired without needing  to dig up  long stretches of pipes. This 

effectively  brought  the water  loss  from pipes  to  6‐11%  in  Jerusalem,  in  comparison  to most 

European cities where it is 20‐40%. 

VOCABULARY 

Desalination 

Distillation 

Concentration 

Percent concentration 

Part per million (ppm) 

Part per thousand (ppt)

Page 138: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  136  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Aluminum pan, LG, deep  1 

  Aluminum pan, M, shallow  1 

  Cling wrap, thick (enough to cover the pan completely and be taped to the sides)  1 roll  

  Tape, duct or masking (enough to tape the cling wrap to the large pan)  1 roll 

  Salinometer   1 

  Water heater (electric immersion heater)   1 

  Salt, not iodized table salt or NaCl   30g 

  Water, tap  1L 

  Heat resistant gloves  1 pair 

  Digital scale  1 

DESIGN 

1. Use  the  space  below  to  design  your  distillation  apparatus. Write  the  procedure  for  use, 

including safety precautions. Approve with your teacher before proceeding to the procedure 

described below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 139: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  137  CIJE‐Tech MS 

DATA COLLECTION AND TESTING 

2. In the space below, design a table to collect data about the salinity of water solutions with 

which you will be working. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Follow the steps below to complete the testing of your design. 

3. Obtain 2000ml of tap water. Measure its salinity and record in your data table. 

4. Add 8g of salt to the water, mix to dissolve. Measure its salinity and record in your data table. 

5. Add 7g of salt (for a total of 15g) to the water, mix to dissolve. Measure its salinity and record 

in your data table. 

6. Add 15g salt (for a total of 30g) to the water, mix to dissolve. Measure its salinity and record 

in your data table. 

7. Pour the salt water into the distillation apparatus. Make sure to set up the heater and the 

thermometer away from each other. 

8. Clear your apparatus with your teacher. 

9. Run the distillation at the time and location approved by your teacher. 

Page 140: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  138  CIJE‐Tech MS 

10. In the space below, create a graph to represent the salinity of water solutions resulting from 

adding salt to tap water and then using distillation to purify water. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

11. What is the purpose on the small weight placed on top of the cling wrap? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Is the salinity of your distilled water the same or different from the tap water with which you 

started the experiment? Why do you think this is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 141: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  139  CIJE‐Tech MS 

13. What property of water allows for distillation to occur? Hint: compare this water property to  

the same property of particles dissolved in it. ______________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. What is the downside of using thermal distillation process? (Hint: where did the energy come 

from to distill the water?) Why is it a problem? What natural resource can you use to solve  

that problem? _______________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. Based on what you know about natural components of water, the salinity of tap water, and 

purified water you collected, what might be a downside of drinking purified water? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 142: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 16. Water Purification 

Student Workbook  140  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 143: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  141  CIJE‐Tech MS 

MODULE 17. SURFACE TENSION 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION   

Have  you  ever  seen  leaves  on  the  surface  of  the 

water? What  happens  if  you  push  them  below  the 

surface? Will they float up or sink down? Leaves will 

sink if you push them under the surface of the water. 

This  will  happen  simply  because  leaves  are  more 

dense than water. Why then do they seem to float on 

the water? The leaves are actually not floating, they 

sit on the thin film created by the molecules of water. 

We call this phenomenon surface tension. Surface tension is also what allows some insects, like 

water striders, to “walk” on water without drowning. 

https://www.nwf.org/ 

Water  molecules’  unique  polar 

structure  creates  strong  hydrogen 

bonds between them. On the surface, 

where  water  meets  the  air,  those 

bonds are strong enough to pull water 

molecules  closer  together,  so  they 

create a very thin film that allows very 

light  objects  (like  leaves,  insects  or 

even  paperclips)  to  remain  on  the 

surface without sinking. 

Page 144: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  142  CIJE‐Tech MS 

So how does this work exactly? We already said that 

water  is  a  polar  molecule.  This  means  that  each 

molecule  has  a  slightly  positive  and  a  slightly 

negative side because of the way that the oxygen and 

hydrogen  share electrons  (the negative particles  in 

the atom), like shown in the figure to the right. 

http://www.biology.arizona.edu/  

We  know,  that  positive  charges  attract  negative 

charges.  Since  water  molecules  have  positive  and 

negative ends, they attract, forming what we call in 

chemistry hydrogen bonds. These bonds are not very 

strong,  but  they  are  strong  enough  to  hold  water 

molecules together and give it its unique qualities, including surface tension. This attraction of 

same molecules is also called cohesion. So how does surface tension work and why does it only 

take place on the surface?  In  the  figure below, you can see that  the hydrogen bonds we  just 

mentioned occur throughout the volume of water. Each polar water molecule is attracted to the 

polar water molecules around it. What about the water molecules that are on the very surface 

of water? Are they attracted to air molecules in the same way? Since the molecules of air are not 

polar,  they  are  not.  Therefore,  the  molecules  on  the  surface  are  only  being  pulled  by  the 

molecules inside the volume of water, but not by the molecules of air outside of water. Since that 

happens, these molecules are being pulled by stronger forces down, then up, which causes them 

to  get  closer  together  than  the molecules  on  the  inside.  This  decreased  space  between  the 

molecules makes the bonds between them stronger and created the thin  layer that  is able to 

hold  light objects  like  leaves and  insects up and above that  layer of closely held molecules of 

water. 

 http://fusedglass.org/ 

In this lab, you will explore just how much you can “stretch” the bubble of water before it breaks 

by slowly dripping water on a coin. You will also compare the surface tension of water to that of 

alcohol and vinegar, both  liquids being diluted by water  to different degrees. Finally, you will 

discover what breaks surface tension. 

Page 145: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  143  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Surface tension 

Cohesion 

Polar molecule 

Hydrogen bonds 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Water  5ml  

  Rubbing alcohol  5ml 

  Vinegar (white)  5ml 

  Plastic cups (12‐16oz)  1 

  Paper clips (jumbo)  1 box 

  Plastic pipettes  3 

  Coins (penny, nickel, dime, quarter, dollar)  1 of each coin 

  Liquid soap  1 drop 

  Electronic scale  1 

  Paper towels  As needed 

PROCEDURE 

PART I: DROPS ON A PENNY 

1. Place a small piece of paper towel on a digital scale. 

Place the penny on top. Tare the scale  

Note the figure to the right:  the digital scale should 

be at 0 when the paper towel and coin are placed 

on it, so that it records only the mass of the water 

placed on the coin. 

2. Using a pipette carefully drop water onto the penny. 

Count the drops. How many drops of water can you  

get to stay on a penny? __________ 

3. Repeat if necessary. 

Page 146: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  144  CIJE‐Tech MS 

4. What do you notice happening to the water as you add drops? 

__________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________________ 

5. Why do you think this is happening? 

__________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________________ 

6. Draw a picture of the water on the penny right before it fell off in the space below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

 

7. Repeat the procedure with the penny using alcohol and vinegar: 

a. How many drops of alcohol can you get to stay on a penny? ____________ 

b. How many drops of vinegar can you get to stay on a penny? ____________ 

Page 147: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  145  CIJE‐Tech MS 

8. Compared to water, did something different happen when you were adding alcohol? What 

about vinegar? What do you think is the reason for this difference? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. Draw a picture of the alcohol and vinegar on the penny before it fell off in the space below. 

Make sure to label your illustrations: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

10. Based on its diameter, which US coin do you think would hold the most drops?  Why? 

     

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 148: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  146  CIJE‐Tech MS 

11. In a space below, design a table to collect data for various coins and three liquids you tested 

on a penny. Clear your design with your teacher before proceeding.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

12. Repeat the procedure with various coins and liquids. Enter the data in the table you designed. 

PART II: FILLED TO THE RIM 

13. Place a plastic cup on a paper plate or paper towel and fill it with water to the very top. 

14. Observe as you slowly and cautiously add paper clips to the cup until it overflows. 

15. How many paper clips were you able to add? ______________________________________ 

16. What happens to the water's surface as you add paperclips? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 149: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  147  CIJE‐Tech MS 

17. Draw a picture of the surface of the water as it looked before the cup overflowed in the space 

below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

 

PART III: CAN YOU FLOAT A PAPER CLIP? 

18. Place a plastic cup or a bowl on a paper plate or towel and fill it with water to the very top. 

19. Place a paper clip on the surface of the water. Can you make it float?  Why or why not? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 150: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  148  CIJE‐Tech MS 

20. Take a different paper clip, unfold one side of the paper clip as shown 

on the right and lightly dip it in soap. While the paperclip is still on the 

surface of the water, lightly touch the soapy paperclip to the surface of 

the water. Record your observations below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

21. What happened to the paperclip? Why did that happen? Would this happen if the paperclip 

was made out material with density below 1g/cm3? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 151: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  149  CIJE‐Tech MS 

DATA COLLECTION AND ANALYSIS 

22. In  the  space  below,  design  a  table  to  collect  data  from  your  experiment.  Take  into 

consideration the different coins and different liquids you are testing. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

23. In the space below, create a bar graph of your results. The graph should compare the mass 

able to stay on each of the coins you tested OR the amount of different liquids on each coin 

you tested. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 152: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  150  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

24. Describe the following terms in your own words:  

Surface Tension: _____________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Cohesion: __________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

25. Why does water have surface tension?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

26. Compare the alcohol, vinegar and water in terms of surface tension. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. What  is  the difference  in  the  amount of  each  liquid  that  fits  on each  coin? How can  this 

difference be explained in terms of cohesion of each liquid? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 153: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  151  CIJE‐Tech MS 

28. Use the figure below to describe what is happening on the surface of the penny and the filled 

cup. 

 

ILLUSTRATION OF 

WATER MOLECULES 

FORMING THE DOME 

OF WATER ON THE 

SURFACE OF A PENNY. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

29. What is the difference between measuring the number of drops and the mass of liquid that 

fit on each coin? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

30. What is the difference between an object floating due to difference in density, and staying 

on the surface of a liquid due to surface tension? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 154: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 17. Surface Tension 

Student Workbook  152  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 155: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  153  CIJE‐Tech MS 

MODULE 18. HYDROPHOBICITY AND HYDROPHILICITY 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

In  this activity we will  study hydrophobicity and hydrophilicity, or  the abilities of materials  to 

attract and absorb water. 

FROM ATOMS TO EVERYDAY MATERIALS: THE BUILDING BLOCKS OF NATURE 

The universe is composed of matter, that is everything within and around you. Matter is defined 

as anything that takes up space and has mass.  Matter can exist in four states, solid, liquid, gas 

and plasma.  

Atoms  are  the  building  blocks  of  matter.  Atoms  are  made  up  of  the  subatomic  particles, 

electrons,  protons,  and neutrons.  Protons  have  a  positive  charge,  electrons  have  a  negative 

charge,  and  neutrons  are  neutral  have  no  charge  at  all.  The  electrons  live  in  a  cloud  that 

surrounds  the  nucleus  of  the  atom.  The  protons  and  neutrons  live  in  the  nucleus.  The  term 

element is used to describe a substance when it is made up of one type of atom. An atom is the 

smallest amount of an element. 

 

The Periodic Table shows all the elements that we are aware of that exist in our world. These 

elements  when  combined  with  other  atoms,  through  chemical  bonding,  produce  the  wide 

diversity of materials that make our world and universe. The atomic number, which is the number 

above each element symbol in the Periodic Table, indicates how many protons and therefore, 

electrons there are in an element.  

Page 156: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  154  CIJE‐Tech MS 

PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES 

The  elements  of  the  Periodic  Table  and  all  the  substances  that  surround  us  have  different 

physical and chemical properties. Physical properties are properties of substances that do not 

involve  a  chemical  change  or  change  in  substances  identity,  for  example  color  or  strength. 

Chemical properties describe the ability of a substance to participate in chemical reactions and 

cause a change in the chemical structure and therefore the substances identity. Physical changes 

can be easily reversed, for example liquid water’s physical property where it can change to ice 

can be easily  reversed  through melting,  and  the water molecule does not  change.    Chemical 

changes can only be reversed with large amounts of energy, an example is rust. When iron reacts 

with oxygen and creates rust which has a different chemical composition to iron, we see this on 

the surface of many metals exposed to the air for long periods of time. 

 

Elements may be combined in chemical bonding through number of ways creating diversity in 

our world. Water is wonderful example of this. Water is made up of two atoms of hydrogen and 

one atom of oxygen brought together by covalent bonding. Table salt is made up of one atom of 

sodium  and  one  atom  of  chlorine  brought  together  by  ionic  bonding.  This  bonding  process 

creates whole new substances that have chemical and physical properties that are far different 

to their parent elements. 

CHEMICAL BONDING 

Let’s look at why chemical bonding occurs? They key players in this activity are electrons. There 

are  different  patterns  that  the  electrons  like  to  occupy  in  an  atom.  Some  atoms  like  to  lose 

electrons to other atoms and some gain them. This is the basis of chemical bonding. 

Some elements in nature are generally found in pairs. An example is oxygen in the air that we 

breathe.    Carbon  atoms 

occur  in  large  complexes 

with  many  carbons  that 

when combined in a certain 

way, make a diamond. Note 

that these atoms share their 

electrons, and this is called covalent bonding. 

Page 157: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  155  CIJE‐Tech MS 

Other elements, when combined with different elements, can produce a wide range of materials 

that we use every day. Let’s take sodium chloride (NaCl; table salt), it is made up of one atom of 

sodium (Na) and one atom of chlorine (Cl), bonded together by ionic bonding which describes 

atoms donating and receiving electrons. 

 Sodium: Na  Chlorine gas: Cl (CL2) Sodium chloride: (NaCl) 

SODIUM AND CHLORINE: COMPONENTS OF TABLE SALT 

When  elements  bond  together  covalently,  they  bind  by  sharing 

each other’s electrons and  they produce a molecule. Water  is a 

molecule  where  one  oxygen  atom  shares  electrons  with  two 

hydrogen atoms. The sharing is not fair, and the oxygen takes more 

than  its  fair share of electrons and so  is slightly negative  leaving 

the hydrogen atoms slightly positive. It is because of this unequal 

sharing  that  the water molecule plays such an  important  role  in 

life. 

MONOMERS AND POLYMERS 

Many  materials  that  we  use  every 

day and that make up a large part of 

our body, are made up of polymers. 

A monomer is a molecule that is the 

smallest repeating unit of a polymer. 

Think of a string of beads, each bead 

on  its  own  is  called  a  monomer, 

whereas  when  combined  into  a 

necklace, is called a polymer. 

This module is a study of polymers that we use every day in our lives and how their composition 

affects  their  physical  properties.  The  polymers  tested  in  this  module  include,  cotton,  silk, 

polyester, wool, and rayon. 

Page 158: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  156  CIJE‐Tech MS 

Cellulose  is  a  carbohydrate  polymer  that  is  found  in  plants  and makes  the  stems  tough.  The 

cotton plant also uses cellulose  to  form cotton balls  that are picked and  then processed  into 

thread that is used to make many items that include clothing. The monomer for cotton is called 

glucose and when it is joined with other glucose molecules, they produce the polymer cellulose. 

Most silk is made up from the cocoon of the Chinese silk moth (mulberry silkworm‐ Bombyx mori).   

 

SILK MOTH COCOON AND COTTON PLANT 

The monomers for silk are amino acids and the polymer is a protein. Silk has a repeating unit of 

several different amino acids. Silk is one of the strongest natural materials and forms the fabric 

of bullet proof vests. 

The two examples of polymers used so far are cotton and silk, both naturally occurring materials. 

Our  world  is  also  surrounded  by  synthetic  polymer  materials  such  as  polyester,  rayon  and 

spandex. They are used to make many items ranging from water bottles to clothing.  

PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS: HYDROPHOBICITY AND HYDROPHILICITY 

When materials are selected for a function, for example a backpack, they are put through many 

physical tests for their suitability. The two types of tests that are used in this module are designed 

to test for their ability to keep the things that they cover dry. 

The ability for something to repel water, is called “hydrophobicity,” this is the measure used to 

test the ability of materials to keep things dry. The ability to attract water molecules  is called 

“hydrophilicity.”   How does this happen? The water molecule as described earlier is polar as it 

has an uneven distribution of charge between the two ends of the molecule due to an uneven 

distribution of electrons.  

 

 

DISTRIBUTION OF CHARGE IN A WATER 

MOLECULE 

Page 159: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  157  CIJE‐Tech MS 

ADHESION AND COHESION 

When  you  consider  the  attractive  forces  between  materials,  the  term  adhesion  is  used  to 

describe  the  attractive  force  between  different  substances,  for  example,  water  and  a  glass. 

Certain insects can walk on water, this is due to a combination of things. First the water molecules 

at the surface of the water stick together causing surface tension, secondly the tiny hairs on an 

insect’s leg repel water and trap air. 

 

WATER STICKING TO THE SIDE OF A GLASS AND AN INSECT TREADING ON WATER 

Cohesion  is  the  ability  for materials  that  are  alike  to  attract  each  other. Water  is  the  classic 

example of cohesion. The fact that you get a drop of water that beads up into a ball like shape, 

shows that the water molecules are sticking (clumping) together.  

WICKING PROCESS OF MATERIALS TESTING  

Wicking is the process in which liquids move through or are pulled through, the fibers in a fabric 

by  means  of  capillary  action.  Capillary  action  is  created  by  a  combination  the  cohesive  and 

adhesive forces of water. These two forces working together create a “pull” which causes the 

liquid to move through the fibers in the fabric. This force can even work against gravity and pull 

the water molecules up through a piece of fabric, paper or  in thin tubes.     This can also draw 

perspiration away from the skin and up to the surface of the fabric, allowing the moisture to 

evaporate quickly. 

In activity A and B, the planar wicking process and moisture water holding capacity of various 

fabrics will be explored. 

   

Page 160: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  158  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY  

Matter 

Atom 

Element 

Proton 

Electron  

Neutron  

Atomic number 

Monomer 

Polymer 

Hydrophobic 

Hydrophilic 

Cohesion 

Adhesion  

Surface tension  

MATERIALS 

HYDROPHOBICITY TESTING PART A 

Material  Quantity 

  Assorted fabrics  One set 

  Waterproof surface; a small plastic plate or waxed paper   Six 

  Water  As needed 

  Water container (i.e. beaker, cup, etc.)  One 

  Timer  One 

HYDROPHOBICITY TESTING PART B 

Material  Quantity 

  Assorted fabrics  One set 

  Water container (i.e. beaker, cup, etc.)  One 

  Plastic pipettes  One 

  Water   As needed 

  Digital scale  One 

   

Page 161: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  159  CIJE‐Tech MS 

PROCEDURE AND QUESTIONS 

PART A 

1. Review the steps for Part A of this activity and create a table to record the data you are about 

to collect. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

2. Using a pipette, measure 3 ml of water (practice a few times over a sheet of paper) and place 

the water on to the center of the fabric and start your timer 

3. Continue monitoring the fabric sample until the bead of water is completely absorbed by the 

material 

4. Tip the plate on a 45‐degree angle to the side and observe if any water runs off 

5. Which fabric took the longest time to absorb the water? ________________________ 

6. Which fabric would be best suited for the following applications and why? 

a. Medication supply carrier ____________________________________________ 

b. Table cloth ________________________________________________________ 

c. Doctor scrubs ______________________________________________________ 

d. Raincoat __________________________________________________________ 

e. Exercise Shirt ______________________________________________________ 

Page 162: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  160  CIJE‐Tech MS 

PART B 

7. Review the steps in Part B of this activity and create a table to record the data you are about 

to collect. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

8. Measure the mass of each piece of dry fabric and record it in the table you created.  

9. Using your graduated cylinder, measure out 70 mL of water and pour it into a cup. Be sure to 

observe the reading of  the cylinder at eye  level  to make sure you are getting an accurate 

amount. 

10. Fold the fabric small enough to fit  into the  large plastic cup.   Make sure that the fabric  is 

totally immersed in water for 30 seconds.  You can use a plastic spoon to push down the fabric 

so that it is completely submerged. 

11. Carefully pull  the fabric out, trying not to squeeze the fabric. Make sure any excess water 

drips back into the cup.   

12. Place the wet fabric back on the scale and record the mass of the wet fabric. 

13. Calculate the percent water holding capacity of each fabric. 

14. Record the volume of water left in the cylinder once the piece of fabric is out. 

15. Calculate the amount of water that each piece of fabric absorbed and record it in the table. 

Page 163: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  161  CIJE‐Tech MS 

16. Create a graph that indicates the different water holding capacity of each fabric using 

whichever method you prefer, the scale or the graduated cylinder. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

17. Which fabric would be best suited for the following applications and why? 

a. Medication supply carrier ____________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

b. Table cloth ________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

c. Doctor scrubs ______________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

d. Raincoat __________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

e. Exercise Shirt ______________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

Page 164: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  162  CIJE‐Tech MS 

18. What are some drawbacks, for each specific application, as a result of the fabric chosen in 

the previous question? 

a. Medication supply carrier ____________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

b. Table cloth ________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

c. Doctor scrubs ______________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

d. Raincoat __________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

e. Exercise Shirt ______________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

19. What fabric would be appropriate to use on the inside of each application and why? 

a. Medication supply carrier ____________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

b. Table cloth ________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

c. Doctor scrubs ______________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

d. Raincoat __________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

e. Exercise Shirt ______________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

Page 165: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  163  CIJE‐Tech MS 

20. Marc and his family were out playing baseball on a beautiful sunny day, when an unexpected 

cloudburst came down and soaked the whole family.  After half an hour, Sara, his wife, said 

that she wanted to go home and was freezing in her wool dress which was still wet. Marc and 

the kids were having such a great time that they didn’t want to leave.  Their baseball outfits 

were made of polyester and were nice and dry and they didn’t feel cold at all.  Can you explain 

why Sara was still wet and freezing while the rest of the family was dry? 

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ 

   

Page 166: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 18. Hydrophobicity and Hydrophilicity 

Student Workbook  164  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 167: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  165  CIJE‐Tech MS 

MODULE 19. BREAKING POINT 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION  

What are the strongest materials on Earth? Maybe you’ve heard that diamonds are the strongest 

or even spider silk, which is what spider webs are made of. These are certainly high on the list. 

Diamond consists of  carbon atoms bonded  together  in a  rigid  crystal  structure, and naturally 

occuring  diamond  was  formed  millions  and  millions  of  years  ago.  Spider  silk  is  one  of  the 

strongest biological materials, and it is made of proteins. However, there is another animal which 

contains teeth that have proven even stronger than spider silk and hold the title for strongest 

biological material. Limpets, which are aquatic snails, have teeth made out of nanofibers fused 

with  a  mineral  called  goethite.  Surpassing  all  of  these,  graphene  is  the  strongest  material, 

scientists have discovered. Graphene is a two‐dimensional layer of carbon atoms connected in a 

hexagonal  structure.  It  is  a highly  researched and  significant material  for  the  future as  it  has 

tremendous potential  for a variety of applications from electronics to biology. Graphene is so 

strong that it would take an elephant standing on top of a sharpend pencil to break a sheet of it. 

                

DIAMOND SPIDER SILK LIMPET TEETH GRAPHENE

Materials  science  is  the branch of  science and engineering  that  specializes  in  the design and 

discovery of new materials.  It  involves physics, chemistry and engineering, and contributes  in 

very  meaningful  ways  to  almost  every  societal  need,  including  medicine  and  biological 

applications, manufacturing, electrical components and energy production. When designing or 

selecting a material for a particular purpose, a materials scientist would consider the material’s 

mass and strength, its properties such as the ability to conduct electricity or insulate from heat, 

its chemical structure and reactivity, and even its abundance on Earth.  

In this module, you will be testing the force required to break three different materials: cotton, 

silk, and polyester. Each of these materials is a type of material called a polymer. Polymers are 

typically made of organic molecules which consist of repeating units of the molecule. They can 

be naturally occurring, such as cotton and silk, or they can be manmade, such as plastics  like 

polyester or nylon. The other two major groups of materials are metals and ceramics. Each group 

has different responses under certain scenarios. For this  lab, we will test materials when they 

Page 168: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  166  CIJE‐Tech MS 

under tension, which means forces will be pulling at either end of the material until it breaks. 

Another scenario where forces are at work on a material  is compression, when the forces are 

pushing inward at either end. There is also bending, torsion (twisting), and shear. 

 TYPES OF FORCE APPLIED TO MATERIALS

https://steemit.com/

The  type  of  mechanical  property  we  are  testing  in  this  lab  is  tensile  strength,  which  is  the 

resistance of a material  to breaking under  tension.  It  is a measurement of  the  force per area 

required to pull something such as rope, wire, or a structural beam to the point where it breaks.  

Tensile strength  is measured  in units of force per area, also called stress.   So,  for example,  in 

metric units it could be measured in Newton per meters squared (N/m2).  In the US, it could be 

pounds per inches squared (PSI). 

A tensile test consists of gradually increasing the force on a material until it breaks. Imagine an 

airplane  wing  extended  straight  outward.  Now  imagine  attaching  cables  to  it  and  pulling  it 

upward. Carefully measuring the amount of applied force, the wing begins to bend upward in a 

curved shape until it snaps!  Now, let’s test our materials in lab. 

VOCABULARY 

Materials science 

Polymer 

Tension 

Tensile strength

 

Page 169: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  167  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS  

Material   Quantity 

  Cotton thread, 30cm  1  

  Silk thread, 30cm  4‐5 

  Polyester thread, 30cm  1 

  Electronic digital hanging scale or a Newton Spring Scale  Variable 

  Binder ring, 2”  1 

  Masking tape  As needed 

  Scissors  1 

PROCEDURE 

SET UP:  

1. Cut three pieces of masking tape and write the types of thread you will be testing on the tape: 

one type per tape. 

2. Examine the types of thread you have. Compare the thickness of the thread. Since you will 

be testing the strength of the thread, you need to approximate how many of each thread you 

need to achieve approximately equal thickness. 

3. Fold the different thread types to get similar thickness of each and cut 30 cm lengths of each 

type. Place each type of thread on its corresponding masking tape to keep track.  

4. Tie a loop on each end of the folded lengths of thread. 

  

 

EXPERIMENTAL PORTION: 

5. Using one length of thread at a time, attach the loop of one side of thread to a binder ring. 

Close the ring. Attach the second side of the thread to the hook of the digital scale. 

6. If using a digital scale, turn the scale on and make sure it reads 0.  

7. Place the binder ring onto a location that would be sturdy enough and will not move as you 

pull on the thread. Suggested locations: closed door handle, mounted wall hook, etc.  

Page 170: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  168  CIJE‐Tech MS 

8. Make sure you are wearing eye protection in the form of safety goggles. 

9. Fully extend the thread before you begin pulling. 

10. Holding on to the scale, pull the thread until it breaks. 

11. Watch the scale as it will record the force (equivalent to the mass in kilograms) 

with which you pull the thread. Note the scale’s reading when the thread breaks. 

Record the scale’s reading in your table. Notice that the scale records the mass 

in kilograms. To get the force with which you pulled on the thread to break it, 

you need to convert the unit of mass (kg) to the unit of force (N). Since these 

scales were made for measuring weight of objects on Earth and they adjust them 

to  their mass,  one  kilogram of mass  is  roughly  equivalent  to  9.8 Newtons  of 

force. 

12. Repeat with the same type of thread at least two more times. Calculate the 

average amount of force you used to break one type of thread. 

13. Repeat the experiment with the two (or more) other types of thread. Record 

your readings and the average force needed to break each type of thread. 

Type of thread 

Trial Force 

recorded (kg) 

Conversion kg to N

(1kg = 9.8N) 

N = kg * 9.8 

Force necessary to break the thread (N) 

Average force needed to 

break thread 

 

1       

 2       

3       

 

1       

 2       

3       

 

1       

 2       

3       

Page 171: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  169  CIJE‐Tech MS 

14. While performing the experiment, take note of anything that might introduce 

inconsistencies or mistakes into your data. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

MATERIALS SCIENCE QUESTIONS 

15. What are the three types of materials? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. How is tension different than compression? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. What is a tensile test? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. What is stress?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 172: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  170  CIJE‐Tech MS 

19. What is strain? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. Why might it be helpful to use terms other than “strong” when describing materials? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. What does it mean for an object to be brittle? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

22. What does it mean for an object to be ductile? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

23. What type of materials are to be tested in this module? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

POST INQUIRY QUESTIONS 

24. Which fabric had the weakest tensile strength? ____________________________________ 

25. The strongest? ______________________________________________________________  

Page 173: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  171  CIJE‐Tech MS 

26. Are  the  natural  fabrics  (cotton  and  silk)  or  manmade  fabrics  (rayon,  polyester,  spandex, 

nylon) stronger? Why do you think that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. Which rope/thread material would you use for the following applications and why? 

a. Handle for a bag _______________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

b. Playground swing ropes _________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

c. Outdoor clothes line ____________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

d. Indoor clothes line _____________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

e. Fishing line ___________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

f. Shoe laces ____________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

g. Eyeglass strap rope _____________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

28. Why is it crucial to understand the quality of the materials you are working with?   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 174: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  172  CIJE‐Tech MS 

29. Mark, Sara and their family are planning an overnight camping trip to Big Bear Mt.  They know 

a great deal about hiking, but they are not sure if their old tent ropes are strong enough to 

withstand the high winds in the area.  What type of rope should they purchase and why do 

you think this type of material would be the best choice?   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

30. Below is a microscopic view of threads made of various materials.  Choose any three 

materials and explain how its engineering properties (i.e. – tensile strength, water 

resistance, etc.) can be deduced from the its physical makeup. 

 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 175: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 19. Breaking Point 

Student Workbook  173  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 176: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 20. Medication Bag Challenge 

Student Workbook  174  CIJE‐Tech MS 

MODULE 20. MEDICATION BAG CHALLENGE 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

THE PROBLEM 

Millions of children around the world are faced with the lifelong challenge of dealing with severe 

allergies where  they must  carry  their medications with  them at  all  times. One of  the  serious 

challenges that parents of these children face, is getting them to keep their medication with them 

when they are out of the house.  These children want to fit in with their peers and having their 

medications in plain sight can be quite embarrassing for them. Often, they will refuse to keep 

them nearby. A second challenge is that many children have some difficulty opening and closing 

containers because of weakness in their hands and fingers. If a person is not able to use their 

thumbs for example, they are considered to have a 25% loss of the use of their entire body! 

CONSTRAINTS/ REQUIREMENTS 

Your challenge is to create an attractive and practical medication supply carrier for the following 

items: an inhaler, a double‐sided Epi‐Pen, a packet of Benadryl capsules, and an information card 

about the use of their medications. This medication bag should be able to be worn around the 

neck, waist or chest, as well as being small enough to be stored in a backpack or purse. When 

designing this medication bag, we must also keep the following constraints in mind. The medicine 

bag  should  be made  of  lightweight,  flexible,  durable  fabrics,  attractive,  compact,  and  water 

resistant. It should also have separate compartments to hold the medications securely and be 

low cost. 

When  creating  a  new product,  it  is  important  to  understand  the  pros  and  cons  of  all  of  the 

materials that go into making this item.  For example, when disposable gloves first came out, they 

were often made of a material called latex. Many people are severely allergic to latex and cannot 

use this product.  As a result, a different material, such as nitrile, was developed for disposable 

gloves.  Even if we are not concerned about allergies, we still need to know the strengths and 

weaknesses of the materials we plan on using in order to choose the best fabrics to create our 

medication bag. 

PROCEDURE 

Follow through on all stages of the design process when designing your bag. Please refer to the 

diagram below for the design engineering process. 

   

Page 177: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 20. Medication Bag Challenge 

Student Workbook  175  CIJE‐Tech MS 

PRESENTATION 

When  you have  completed  your  design  create  a  three‐minute pitch  for  your  bag,  to  present 

before potential investors. 

 

 

   

Page 178: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 20. Medication Bag Challenge 

Student Workbook  176  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 179: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  177  CIJE‐Tech MS 

MODULE 21. INSULATION 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Have you wondered how things heat up? Where does the heat come from? How do we keep our 

homes warm during a cold winter day and cool during a hot summer day? How do our bodies 

keep an internal temperature of 37 C (98.7 F) while our surroundings are usually much cooler? 

Each of these questions can be answered by an understanding of heat transfer and insulation.  

Heat  is  defined  as  a  form  of  energy  that  is  transferred  between  two  systems  at  different 

temperatures. If there is hot coffee in a mug sitting in a room at normal room temperature, the 

higher temperature coffee will transfer its heat to the air in the room until the coffee equals the 

room temperature. The higher temperature object always transfers heat to a lower temperature 

object or surrounding. Looking at the situation at a much smaller level, the coffee liquid is made 

up of atoms that move at a fast speed which causes its high temperature. Meanwhile the cooler 

air in the room is made of atoms moving at a slower speed which explains its lower temperature. 

When the fast‐moving coffee particles come in contact with the slow‐moving air particles, heat 

energy is transferred.  

 

THE THREE TYPES OF HEAT TRANSFER 

Page 180: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  178  CIJE‐Tech MS 

Did you know that the temperature of Earth is perfect, not too hot and not too cold, for life? 

According to NASA, the average temperature on Earth is 1C (33.6F). This seems cold but most 

habitable life is on land where it is much warmer, while the icy waters of the north and south 

poles are extremely  cold.  The  sun delivers heat  to our planet at  the perfect  temperature  for 

survival.  In  fact,  the way  the  sun emits heat  is  an example of one of  the  three  types of heat 

transfer, radiation, where a very hot object emits electromagnetic waves in the form of heat. The 

other two types of heat transfer are called conduction and convection.  In conduction, heat  is 

transferred by direct contact between a hot and cold object. In convection, heat is transferred 

by the flow of hot or cold air to surrounding objects without touching. Think of a pan of water 

being heated over a fire. The burning fire radiates heat to the pan (radiation); the outside of the 

pan and its handle becomes hot so if you touch it, your hand will feel the warmth (conduction); 

and the boiling water is heating the small area of air just above it (convection). 

Now that we know heat transfers so readily, how can we keep anything at a stable temperature? 

How do our bodies stay internally warm? The answer is insulation. Insulation is a property of a 

material that restricts heat transfer. On our bodies, our skin acts as insulation. It is able to keep 

the interior of our bodies at 37C (98.7F) while our surroundings are much cooler! For engineers 

and scientists, insulation is a very significant property of a material when designing buildings and 

products. A common metric for telling how good a material is at insulating is an R‐value. A higher 

R‐value means better insulating capability. An insulated wall may have an R‐value of six whereas 

the glass window may have an R‐value of three, so the heat is more likely to be lost through the 

glass window. 

MATERIALS 

Material Quantity

Plastic/paper cups 4

Thermometer (Celsius) 1

Newspaper 1 large page (12”x12”)

Sock 1

Aluminum foil 1-2 sheets (12”x12”)

Plastic wrap 1-2 sheets (12”x12”)

Tape As needed

Warm tap water As needed

 

   

Page 181: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  179  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Heat 

Conservation of Energy  

Conduction 

Convection 

Radiation 

Insulation  

R‐value 

PROCEDURE 

In this activity, you will test various materials for their insulating capabilities: newspaper, wool, 

aluminum  foil,  and  plastic.  First,  you  will  hypothesize  which  material  will  provide  the  best 

insulation. 

1. Which material do you think will keep the most heat from escaping? On what do you base 

your  hypothesis?  Remember,  there  is  no  wrong  answer  here.  Your  understanding  of 

insulation is based on your experiences. Describe how you know what you know.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

2. Look over the table in the next section to understand how you will be collecting data from 

this experiment. 

3. Gather a cup for each type of material you are testing.  

4. Wrap the material around the outside of  the cup. Try your best  to make the  thickness of 

material around the cup the same for each type of material. Use tape to adhere the material 

to the cup.  

5. Place a thermometer  in each cup to measure the initial temperature of water  in each cup 

immediately. 

6. When each cup is wrapped, ask your teacher to pour hot water into each of the cups.  

7. Then complete the table in the next section with the data you collect. 

Page 182: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  180  CIJE‐Tech MS 

DATA TABLE AND GRAPH 

Insulation Beginning 

Temperature 

Temperature after  

    ___ minutes 

Change in Temperature (Before minus After) 

Newspaper       

Wool       

Aluminum Foil       

Plastic       

8. Use the space below to draw a picture of your experimental set‐up,  labeling the cups and 

materials. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 183: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  181  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

HEAT AND INSULATION QUESTIONS 

9. Is heat a type of energy? _____________________________ 

10. If one object loses heat, where does the heat go? And Why? __________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. In which direction does heat travel? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. What are the three ways heat is transferred? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. Explain the three types of heat transfer with a real‐life example. Illustrate, if necessary. 

a. ________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

b. ________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

c. ________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

Page 184: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  182  CIJE‐Tech MS 

14. What is a temperature gradient? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. What are some examples of things in everyday life that use thermal insulation? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. Material A has an R value of 2, and Material B has an R value of 0.1. With which material 

would you choose to insulate your home?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

POST INQUIRY QUESTIONS 

17. What were the results of your experiment? Write two sentences describing your conclusions.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. What type of heat transfer was at work during your experiment? Explain. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 185: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  183  CIJE‐Tech MS 

19. What would you change about the physical setup the next time you did this activity? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. Why would an engineer need to know about insulation? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. There are three ways heat transfer occurs: conduction, convection, and radiation.  Identify 

the type of heat transfer that takes place in each situation. 

a. You feel the warm sun on your face ________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

b. Your hand feels cold after holding ice cubes __________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

c. You open the oven door and feel heat ______________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

d. You are warmed by a campfire ____________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

e. You burn your hand on a frying pan handle __________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

Page 186: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  184  CIJE‐Tech MS 

22. In  industry,  an  R‐value  is  used  to  determine  the  thermal  resistance,  or  insulation,  of  a 

material. The higher the R‐value the better it is at insulating. 

 

You are at a hardware store. 

There  are  two  options  of 

materials for insulating your 

basement walls. One has an 

R‐value  of  8  and  costs 

$10/square‐foot,  and  the 

other  has  an R‐value of  12 

and  costs  $15/square‐foot. 

Which material  will  reduce  your  heating  and  air  conditioning  by  a  larger  amount? Why?  

Which material will be more economical to install and why (there is not necessarily a wrong 

or right answer)?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 187: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 21. Insulation 

Student Workbook  185  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 188: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  186  CIJE‐Tech MS 

MODULE 22. SOLAR POWER 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION  

Did you know that Israel is a leader in solar energy technology? Starting in the 1950s, Israel used 

solar water heating to provide hot water to homes. It has been advancing solar technology ever 

since. In the Negev Desert, a new solar thermal power station has been constructed along with 

two nearby plants of photovoltaic panels. Together, these would provide 2.5% of the nation’s 

electricity demand, which has a goal of achieving 10% from renewables by 2020.  

Where  does  solar  energy  come 

from?  The  sun,  of  course!  Inside 

the  sun,  the  temperature  is  15 

million degrees Celsius (27 million 

degrees  Fahrenheit),  and  the 

atoms that make up the star, our 

sun, are bumping  into each other 

in  a process  called nuclear  fusion 

and releasing tons of energy. This 

energy  is  called  electromagnetic 

radiation, and it travels in the form of electromagnetic waves. The electromagnetic spectrum is 

a way to categorize the different energies according to their wavelengths. Longer wavelengths 

correspond  to  less  energy,  and  shorter  wavelengths  correspond  to  greater  energy.  On  the 

spectrum in the figure below, radio waves have a lot less energy than X‐rays. 

ELECTROMAGNETIC SPECTRUM

The values correspond to wavelength in meters (m)

Page 189: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  187  CIJE‐Tech MS 

Within the spectrum, there  is a 

category  called  visible  light, 

near wavelengths of 10‐5 to 10‐7 

meters.  This visible light is type 

of electromagnetic waves we as 

humans  are  able  to  see.  We 

cannot  actually  see  any  of  the 

other types of waves, but we can 

sense, measure, and use them. For example, X‐rays are much greater in energy than visible light 

and we do not see X‐rays but we can design machines that produce X‐rays that can penetrate our 

skin and be absorbed by bones. Looking more closely at the range of visible light, we can see it is 

broken up into the colors of the rainbow. The colors with greater wavelengths, red and orange, 

have less energy than the colors with smaller wavelengths, blue and violet.  

How can we see color? We see color based on the light reflected off an object. An object is made 

up of atoms which absorb light energy. The atoms moving at a certain frequency absorb the light 

energy  of  the  same  frequency,  and  they  reflect  outward  the  light  energy  not  absorbed.  So 

technically objects do not have color unless light is shown upon them. 

The sun’s energy allows us to make use of renewable energy for our electricity, heating and fuel 

demands. Solar energy comes in many different forms: 

Solar cells (photovoltaic cells) – are made of semi‐conducting materials that absorb light 

energy and send electrons through a circuit creating electricity 

Concentrated solar power – consist of mirrors and reflective surfaces that direct sunlight 

to a concentrated location, heating a fluid for energy storage, later generating electricity 

Solar  thermal heating  –  are made of  surfaces  that  absorb  sunlight  to heat water and 

homes 

Solar fuels – are fuels such as hydrogen that can be formed by reactions that use solar 

energy by splitting water and other molecules 

Renewable energy is energy that is available after use. Solar, wind, and hydropower (water) are 

all types of renewable energy sources because the sun still shines, the wind still blows, and water 

still flows after we make use of its energy. Nonrenewable energy is the opposite; it comes from 

sources  that  become  used  up  after  we  convert  their  energy.  Coal,  natural  gas,  and  oil  are 

examples of nonrenewable sources. They are also called fossil fuels because they were fossils or 

organic matter that decomposed over millions of years. We extract these sources for large scale 

energy production, but this type of production is not considered sustainable because there are 

limited  fossil  fuels. Renewable energy  is popular among scientists and engineers because  it  is 

sustainable for long term use and is generally more friendly to our environment. 

Page 190: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  188  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Renewable energy 

Nonrenewable energy 

Electromagnetic spectrum 

Infrared radiation 

Visible light 

Solar cell 

MATERIALS 

Materials  Quantity 

  Temperature strips  1 per sheet of paper 

  Different colored paper  4‐5 sheets per group 

  Aluminum foil  30cm x 30cm 

  Cardboard  Variable 

  Marshmallow  1 

  Clear plastic wrap  30cm x 30cm 

PART I: ELECTROMAGNETIC SPECTRUM ACTIVITY: WHAT IS THE WARMEST COLOR? 

Using the different colored papers and the temperature strips provided to you, determine the 

light absorbing capacity of different colors by measuring their temperatures. Input the data into 

the table below and answer the following questions. 

Color of Paper  Amount of Time in Sun (min.)  Temperature (oC) 

Page 191: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  189  CIJE‐Tech MS 

1. Which of the colored paper tested in your experiment absorbed the most energy? How can  

you tell? ____________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

2. Why did this color absorb more energy than other colors? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

3. What color would be the most suitable to wear during a hot summer day? Explain. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

PART II: SOLAR COOKER CHALLENGE: CAN YOU MELT CHOCOLATE CHIPS? 

Design  a  solar  cooker  that  can  melt  a  marshmallow  with  the  materials  provided.  Use  your 

knowledge of solar thermal energy and the visible light spectrum to create an efficient cooker. 

Record the time it took to melt the marshmallow in the next section. 

EXAMPLES OF SOLAR COOKERS 

https://science.howstuffworks.com/ 

Page 192: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  190  CIJE‐Tech MS 

4. Draw your design in the box below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

5. Record the materials you anticipate using to design and build your solar cooker in the table 

below. You can adjust the quantities later, during the building stage. 

Material  Quantity 

   

   

   

   

   

   

Page 193: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  191  CIJE‐Tech MS 

DATA TABLE AND GRAPH  

6. In the space provided, fill the table with data from your experiment. Remember to include 

the variables name and units, in which you will be measuring your results. 

Record temperatures inside your cooker with a thermometer at set intervals. 

Temperature (oC)  Time (min.) 

   

   

   

   

   

   

   

ASSESSMENT QUESTIONS 

SOLAR ENERGY QUESTIONS 

7. What are a few examples of renewable energy? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. What is the difference between renewable and nonrenewable energy? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 194: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  192  CIJE‐Tech MS 

9. Where do fossil fuels come from and what are a few examples? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. From where does the sun get its energy? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. Is light a particle or a wave?  Explain.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. On the electromagnetic spectrum, which has a longer wavelength: radio waves or visit light? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. In the visible light range on the electromagnetic spectrum, which has greater energy: red light 

or blue light? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 195: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  193  CIJE‐Tech MS 

14. Does a yellow banana absorb or reflect yellow light?   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. What color(s) does a black shirt reflect? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. What are a few ways solar energy can be used for society’s energy needs? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. What type of materials are used to make solar cells? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

POST INQUIRY QUESTIONS 

18. At what temperature did the marshmallow melt? _____________ 

19. Why do you suppose microwave ovens use microwaves from the electromagnetic spectrum 

to heat food as opposed to visible light or infrared? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 196: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  194  CIJE‐Tech MS 

20. Why do you suppose X‐rays are chosen from the electromagnetic spectrum to take images of 

bones? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. You are given the challenge to select materials and design a cover for outside pipes that would 

prevent them from freezing in the winter. Please describe the materials that you would use 

and how they would work. Include your drawings in the space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 197: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 22. Solar Power 

Student Workbook  195  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 198: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  196  CIJE‐Tech MS 

MODULE 23. THE CHANUKAH FLAME AND CHEMISTRY OF COMBUSTION 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Chemical and physical changes occur all around and within us. Physical changes are changes in 

the appearance or physical state of the substance without changing the chemical composition of 

that substance. For example, liquid water freezing into a solid or evaporating to become water 

vapor.  This  change  can  be 

reversed.  We  see  this  chemical 

change in our bodies. Humans are 

made up of 50‐60% liquid water, 

however  we  breathe  out  gases 

and  water  in  a  vapor  state  and 

you can see this on a cold winter 

day when we see the water vapor 

in our breath condensing to water 

droplets in the cold air. 

WATER VAPOR IN OUR BREATH 

When a chemical change occurs, the substance goes through a change in chemical structure. An 

example would be when  iron  is  in  contact with water and oxygen  it  produces  iron oxide – a 

chemical compound that has a different molecular structure to iron. Iron oxide, commonly known 

as rust, looks different and has different 

chemical  properties.  You  can  see  an 

example of this chemical change  in old 

cars, where after a while the metal parts 

begin  to  rust.  Unlike  most  physical 

changes,  chemical  changes  are  not 

easily reversed.  

IRON  OXIDE  (RUST)  FORMS  ON  AN OLD  CAR,  THAT  HAS  BEEN  IN CONTACT  WITH  WATER  AND OXYGEN FOR A LONG TIME 

The  process  by  which  a  chemical  change  occurs  is  called  a  chemical  reaction.  In  chemical 

reactions one or more substances, called reactants undergo a chemical change to produce one 

or more products.  

Page 199: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  197  CIJE‐Tech MS 

The chemical formula for the chemical change associated with iron rusting is shown below, four 

molecules of iron and six molecules of oxygen react to produce two iron(III)oxide molecules. 

4Fe + 6O2 → 2Fe2O3 

Reactants     Products 

Iron and oxygen are the reactants in this chemical reaction, while iron(III)oxide is the product. 

When a chemical reaction occurs, energy is transferred to and from the surroundings. Sometimes 

it is such a small change that it is hard to detect, and at other times such as when fire is produced, 

it is easy to detect.  

Chemical  reactions  that  transfer  energy  in  the  form  of  heat  to  the  surroundings  are  called 

exothermic  reactions  (exo=exit)  causing  the  temperature of  the  surroundings  to  increase. An 

endothermic  reaction  removes  heat  from  the  surroundings,  causing  the  temperature  of  the 

environment to decrease. 

HYDROCARBONS 

In  this module you will  study  the combustion reaction, during which paraffin wax  in a candle 

burns with oxygen. Paraffin is an example of a group of compounds known as hydrocarbons. 

Hydrocarbons  are made  up  of  long  chains  of  hydrogen  and  carbon  units  bonded  covalently 

(sharing electrons). Every carbon in the chain  is bonded to two hydrogen atoms, and the two 

carbons at each end of the chain are bonded to three hydrogens. The chain can be very long with 

thousands of carbons‐hydrogen units. The bonds of the hydrocarbon are non‐polar. This term 

refers to the fact that the bonds do not attract water molecules, whereas a polar material does 

attract water molecules.  

CH3‐CH2‐CH2…CH2‐CH3 

Candle  wax  is  made  up  of  several  different 

hydrocarbon chain molecules mixed  together. Each 

molecule contains 14‐16 carbon atoms.  

In  this  activity,  designed  specifically  for  Chanukah, 

you will carry out several fascinating experiments, all 

of  them  dealing with  the  study  of  the  combustion 

(burning) reaction.  Note that not all materials can be 

burned, many materials  in your home are designed 

to be fire proof or inflammable, like your saucepans, 

stove top and Chanukah menorah. Candles however 

are flammable and designed to be burned as fuel. 

Page 200: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  198  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Chemical change 

Physical change 

Chemical reaction 

Combustion 

Endothermic reaction 

Exothermic reaction 

MATERIALS 

Materials  Quantity 

  Chanukah candle   1 

  Match box  1 

  Skewer, wooden  2 

  Glass jar  1 

  Ruler (metric)  1 

  Scale (0.01g resolution)  1 

  Timer  1 

  Aluminum foil (to cover surface)  As needed 

  Beeswax sheet (10cmx10cm)  1 

  Wick (12 cm)  1 

PART I: OBSERVING THE CANDLE AND THE FLAME 

OBSERVING THE CANDLE 

1. Examine an unlit candle closely. What individual components make up the candle? Draw the 

main components of the candle in the space below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 201: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  199  CIJE‐Tech MS 

2. Create an aluminum holder for the candle by scrunching up some foil and pushing the end of 

the candle in the foil. Make the base of the foil flat to support the candle. Once the candle is 

secure light the wick with a match.  Examine the flame, and draw its structure below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

3. Hold the candle over a glass of water, and tip it so that some of the wax drips into the water. 

What happens to the wax? Describe in detail. What does this tell you about the candle wax? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

HOLDING A SKEWER TO THE FLAME 

4. Take a wooden skewer and hold it at one of the ends. Place the middle to end part of the 

skewer through the middle of the candle flame, hold there for four seconds and remove. Is 

there a pattern that you see? What might the pattern tell you about the heat in the different 

regions of the candle flame? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 202: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  200  CIJE‐Tech MS 

 PART II: OBSERVING REACTANTS AND PRODUCTS. 

5. Using the aluminum candle holder and the candle from previous observation, light the candle 

and place a glass jar over the flame, so that it completely encases the candle, what do you 

observe? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

6. Hold a glass beaker over the flame without encasing the flame completely? What do you see 

on the glass? What is this? What conclusion can you make about what is happening 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

PART III: OBSERVING THE CHANGE IN LENGTH AND MASS OF A CANDLE OVER TIME 

WATCHING THE LENGTH AND MASS CHANGE. 

7. What happens to the length and mass of the candle over time? Write down your hypothesis. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. Measure the height of the same candle you used to examine the flame. Turn on the scales 

and place the candle (with the holder) on top. Notice the weight of the candle. Write down 

both height and mass. 

Height of candle = ________________cm  mass of candle = __________________ g 

Page 203: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  201  CIJE‐Tech MS 

9. Light  the candle and watch what happens  to  the mass of  the candle closely  for about 30 

seconds to a minute. Blow the candle out.  

10. What did you notice? What happens to the mass of the candle as it burns? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. Wait for the wax to solidify. Measure the length of the candle again. Did it change? By how  

much? _____________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Was your hypothesis correct or incorrect? ________________________________________ 

13. If your hypothesis was incorrect, what led you to make an incorrect assumption about either 

length or mass of the candle or both? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. What conclusions can you make after running the experiment? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

MEASURING CHANGE IN LENGTH AND MASS 

To proceed with the experimental portion, follow the steps below to make your own candle: 

15. Lay the wax sheet flat on a surface of the table. You can place paper under the wax to protect 

the surface. 

Page 204: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  202  CIJE‐Tech MS 

16. Place the wick along the edge of the wax sheet that represents the height of the candle.  There 

should be 1‐2cm of wick sticking out of one of the sides of the wax sheet. 

17. Warm up the wax sheet using a hair drier. It only takes a few seconds. Do not overheat, as 

wax will melt and will be difficult to roll. 

18. Gently roll the edge of the wax sheet around the entire length of the wick. Continue rolling 

the wax until the end.  If the edge does not stick well to the body of the candle, warm it up 

with hair drier for a few seconds and smooth the edge to attach to the candle along its entire 

length.  For reference: https://www.youtube.com/watch?v=jgpBuazBWiY  

19. Once you have your group’s candle, measure its length and mass. Record it here: 

Length of candle = ____________cm   mass of candle = ____________g 

20. Your teacher will give your group an assigned length of candle for which you are responsible. 

Mark the assigned length from the top of the candle. Make a stand for your candle out of 

aluminum foil. Make sure the candle is standing upright (not at an angle). Light the candle 

and start the timer.  

21. Stop the timer and blow the candle off when it burns through to the mark you made. Record 

the time on the whole class table.  

22. Wait for the wax to solidify, then measure the remaining mass of the candle. Calculate the 

mass your candle lost during its burning time. Record it on the whole class table. 

23. Copy  the  whole  class  table  in  the  space  below.  If  there  are  multiple  times  and  masses 

recorded from multiple groups, only record the averages. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 205: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  203  CIJE‐Tech MS 

24. In the space below, graph the data collected by the class in a mass lost vs. time and length 

lost vs. time graphs. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

CHALLENGE 

25. Using the data collected and the graphs you put together, figure out the following: 

a. How much mass does a candle lose in 1 minute? __________________________ 

b. How much length does a candle lose in 1 minute? _________________________ 

26. Looking at the graphs, can you estimate how long and of what mass should a candle be if it is 

meant to burn for 3.5 hours. Write down the directions for making such a candle.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 206: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  204  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

27. Out of what material  do  you  think  the  candle  is made? What  is  special  about  the  candle 

material? Why does it float in water, rather than dissolve in it? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. The flame gives off both light and heat. A kettle of boiling water only gives off heat. What is 

the difference between these two processes? Why does the boiling water only give off heat, 

while the burning candle also gives off light? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

29. Is the color of the flame uniformly consistent throughout the flame? What colors radiate from 

the various regions of the flame? Try to think of a possible reason for this?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

30. What determines the characteristic elongated shape of  the  flame? What would the  flame 

would look like in outer space, where there is no gravity? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 207: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  205  CIJE‐Tech MS 

31. What determines the boundaries of the flame? Why does it have a defined size? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

32. In  Part  II,  you  observed  the  burning  of  the  candle.  Are  the  changes  you  see  physical  or 

chemical? Support your answer by referring to your observations. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

TAKING NOTICE OF REACTANTS AND PRODUCTS 

33. From observing the candle go out under the glass in Part II, what conclusion can you make 

about substances that are necessary for the candle to burn?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

34. What two other components are necessary for the combustion reaction to take place? What 

observations support your answer? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

35. What are the products of the combustion reaction? How do your observations in Part II prove 

the presence of those products?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 208: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  206  CIJE‐Tech MS 

36. We are used to thinking of water as an effective means for putting out fire. However, in this 

experiment we see that water (condensing on the wall of a beaker) is one of the two products 

of a burning fire. The second product, CO2, remains in a gaseous form at room temperature, 

and therefore it will not condense into a liquid. Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

37. What is a chemical and physical change? During your experiments the candle wax showed 

both a chemical and physical change. Describe them below: 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

38. Fill in the sections for the chemical reaction showing a candle burning below: 

CH3‐CH2‐CH2…CH2‐CH3 + ____________→ CO2 + __________ + ___________ 

39. What is a combustion reaction? Why is the burning of candle wax considered combustion?   

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

40. In Part III, you needed to allow wax to cool before measuring the mass of the candle. Why 

was it important to allow the wax to cool? What other precaution did you need to take when 

preparing the candles for the same reason? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 209: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 23. The Chanukah Flame and Chemistry of Combustion 

Student Workbook  207  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 210: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  208  CIJE‐Tech MS 

MODULE 24. THE SIX SIMPLE MACHINES AND THE INCLINED PLANE 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Throughout history humans have been seeking equipment or devices that would make their life 

easier when carrying out work. In earlier days in history life was very labor intensive and the day’s 

workload high,  so  developing  a machine  that  could  ease  that workload brought  relief  to  the 

workday. The six simple machines shown below are machines that make certain tasks easier by 

creating a mechanical advantage. Think about how they are used in the example and how this 

may create a mechanical advantage. 

 

SIX SIMPLE MACHINES. 

The inclined plane is one of the six simple machines used to create a mechanical advantage. In 

this experiment the mechanical advantage of an inclined plane will be explored.  You will see if 

changing  the angle  (by changing  the height) of  the  inclined plane will  change  the mechanical 

advantage.  Remember to record all data and answer all questions. 

Page 211: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  209  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Machine 

Lever 

Wheel and axle 

Pulley 

Inclined plane 

Wedge  

Screw 

Fulcrum 

Force 

Energy 

Work 

Mechanical advantage 

Gravity 

Friction

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Spring scales  1 

  String  1 

  Plastic bag  1 

  Weights (marbles, rocks, etc.)  1‐2kg worth 

  Books  As needed 

PROCEDURE 

1. Stack  some  books  and make  a  ramp  by  placing  one  end  of  the 

board on top of the books.  

2. Put the marbles in the Ziploc bag and tie the string onto the bag 

Use the string to hang the bag of marbles from the spring scale. 

Record the weight:    _____________ N 

3. Place the marbles at the bottom of the ramp and use the spring 

scale to pull them up the ramp at a slow constant speed.   

TIP ‐ record a short video of the scale as you 

pull the weight up the ramp and replay  it to 

see the measured force. 

Record the required force = ____________ N  

4. Change  the  slope  of  the  ramp  by  adding  or 

removing books.  

Page 212: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  210  CIJE‐Tech MS 

5. Repeat the measurement of force required to pull the books up the ramp. Remember to pull 

at a slow and constant speed. 

6. Calculate the mechanical advantage of the ramp in each trial using the following formula, and 

record your data in a table below. 

𝑀𝑒𝑐ℎ𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙 𝐴𝑑𝑣𝑎𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑊𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑜𝑓 𝑚𝑎𝑟𝑏𝑙𝑒𝑠

𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑 𝑡𝑜 𝑝𝑢𝑙𝑙 𝑚𝑎𝑟𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑢𝑝 𝑡ℎ𝑒 𝑟𝑎𝑚𝑝 

DATA COLLECTION 

7. Create a data table  in the space below to record the number of books used to create the 

ramp, force required to pull the weight up the ramp and mechanical advantage for each trial. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

8. If your maximum pull strength is 100 Newtons, how much weight could you pull up the ramp 

that  you  used  in  trial  1?  (hint‐  think  about  the  "Mechanical  Advantage”).  Show  your 

calculations. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 213: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  211  CIJE‐Tech MS 

9. Describe how changing the slope of the ramp affects the force required to pull the marbles 

up the ramp. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. How is a wedge like an inclined plane? How is it different? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. What type of simple machine is found on a water bottle cap? 

a.  lever  b.  pulley  c.   wheel and axle  d.  screw 

12. Which is an example of a wheel and axle? 

a. shovel  b.   water faucet knob   c.  seesaw  d.  crow bar 

13. Which is not a type of simple machine? 

a.   spring  b.  screw  c.  pulley  d.   wedge 

14. Work is... 

a. energy from the sun  b.  a force that moves an object 

c.     a type of machine  d.  a force that pulls you towards the Earth 

15. What type of simple machine is found on the cap of a pickle jar? 

a.  lever  b.  inclined plane  c.  screw  d.  wheel and axle 

Page 214: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  212  CIJE‐Tech MS 

16. Which of these is an example of a wedge? 

a. skateboard  b. broom  c. stairs  d. butter knife 

17. A screw is made up of _________ wrapped around a post or rod. 

a.  treads  b.  springs  c.  threads  d.  strings 

18. Which of these is not an example of an inclined plane? 

a.  ladder  b.  stairs  c.  wall   d.  driveway 

19. Which is an example of someone using a simple machine to do work? 

a. boy runs across a football field    b. a banker counts money 

c.   a mother pushes a stroller up a ramp   d. a girl eats a sandwich 

20. Adam is using a screwdriver to insert a screw. The screwdriver is being used as... 

a.  a pulley  b.  a screw  c.  a lever  d.  a wheel and axle 

21. Jay is using a screwdriver to pry open a paint can. The screwdriver is a…  

a.  pulley  b.  inclined plane  c.  screw  d.  lever 

22. Which is a characteristic of simple machines? 

a.  They run on electricity  b.  They take a long time to make 

c.   They have few or no moving parts  d.  They are not very large 

23. Which type of simple machine would be found on the bottom of a wagon? 

a.  a pulley  b.  a screw  c.  a wedge  d.  a wheel and axle 

24. What two parts might make a pulley?  A wheel and ______________ 

a.  axle   b.  wire  c.  screw  d.  fulcrum 

25. A broom is a lever. Where is the fulcrum? Explain. 

__________________________________________________________________________ 

Page 215: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  213  CIJE‐Tech MS 

26. An electric fan is made up of several simple machines. Tell where you would find an inclined 

plane on a fan. Also, tell where you would find a wheel and axle. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. Explain how the shoelaces on your shoes are similar to pulleys. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. Fill in the blanks below using the words from the following box: 

Machine  Gears  Friction  Force 

Bearings  Lever  Fulcrum  Plane 

Gravity  Work  Energy  lifting 

a) ____________________ is a push or pull.  

b) A ______________________ is the point on which a lever rests.  

c) ______________________ are wheels with teeth that fit together.  

d) ______________________ is something that makes work better, easier, or faster.  

e) ______________________ results when a force moves an object.  

f) ______________ is a force that slows objects down when they rub against each other.  

g) A ______________________ is any flat surface.  

Page 216: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  214  CIJE‐Tech MS 

 SIX SIMPLE MACHINES  (https://mrcurran.wordpress.com) 

29. Draw a line from the item in column A that matches the item in column B.  

A  B 

Screw  two inclined planes that come to a point 

Wheel and axle  a bar that pivots around a fulcrum 

Pulley  an inclined plane wrapped around a pole 

Inclined plane  a plane that has one end higher than the other 

Wedge  a wheel with an axle around its center to move loads 

Lever  a wheel with a groove for a rope that is used for lifting 

30. True or False: Write T beside each true statement and F beside each false statement.  

a) _____ Machines make a job easier.  

b) _____ A light bulb is a kind of lever.  

c) _____ A screwdriver is kind of wheel and axle.  

d) _____ An inclined plane makes work harder.  

e)  _____ A nail is an example of a wedge.  

f) _____ A hammer is a kind of lever.  

g) _____ A pencil sharpener is a kind of pulley.  

h) _____ A car is an example of an inclined plane.  

i) _____ The flag is raised and lowered with a pulley.  

j) _____ Some objects are more than one kind of simple machine 

Page 217: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  215  CIJE‐Tech MS 

Pick a simple machine to answer the following: 

 

31. What simple machine would you use to get up on a slide? _______________________  

32. What simple machine would you use to chop down a tree? ___________________  

33. What simple machine would you use to open a door? _______________________  

34. What simple machine would you use to take the flag down?  _________________  

35. What simple machine would you use to get a big rock off the bike path? ___________ 

36. What simple machine would you use to hold two boards together? ______________  

37. What simple machine would you use to keep a door from shutting? ______________ 

   

Page 218: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 24. The Six Simple Machines and the Inclined Plane 

Student Workbook  216  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 219: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  217  CIJE‐Tech MS 

MODULE 25. PULLEYS  

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Pulleys are one of the six simple machines used to create a mechanical advantage. They are used 

all around us. You have probably seen them on cranes, exercise machines, garage doors, and 

many other places. They are very useful because they provide a way to reduce the effort required 

to  lift  heavy  objects.  You  will  learn  how  pulleys  are  able  to  provide  this  advantage  and 

demonstrate it using pulleys in various configurations to lift a weight.  

VOCABULARY 

Theoretical mechanical advantage 

Actual mechanical advantage 

Gravity 

Mass 

Weight 

Pulley

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Approximately 6 meters of nylon rope/string  1 

  Double‐pulleys  2 

  Spring scale  1 

  Weight (can use soup cans, rocks, weights, etc.)  As needed 

  Calculator  1 

 

 

 

Page 220: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  218  CIJE‐Tech MS 

PROCEDURE AND TESTING 

Use a calculator to solve the problems in this section 

1. In this picture, we see a 100kg mass.  Gravity pulls down on this mass with a force of 980N.   

There are two ropes connected to pulley A, and both pull up.  Remember the total upward 

force must be the same as the total downward force.  What is the tension force in each rope?  

Left side of Pulley A  is  ______N  +  Right side of pulley B is  ______N  =  980N 

2. Since the tension in the rope is the same everywhere, how much force is  

required by the hand to hold the weight?  _____________ N 

3. Select a weight to use throughout this activity. 

To measure forces and loads in this activity we will be using a spring scale.  By attaching a 

load  to  the  hook  of  the  scale  and  reading  the markings  on  the  side  of  the  scale, we  can 

determine how much weight, or force, is being exerted on the scale. 

 

Make sure to select a spring scale that is appropriate for the weight of the object you chose. 

The measurements need to be as precise as possible. 

4. Measure the weight of your object.   

      _____________________N = ________________ kg 

 

Page 221: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  219  CIJE‐Tech MS 

Refer to the following images for the remaining questions: 

 

Note: Number of ropes attached to lifting points: A = 1, B = 2, C = 2, D = 4.  This number refers 

to the number of ropes that are attached to the point where the weight is being lifted. 

5. Set up your pulley, weight, rope and scale as shown in Figure A above. 

6. Compute the theoretical MA of this system using the equation below.  Show your work.  

𝑀𝐴 𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒

𝑊𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑏𝑒𝑖𝑛𝑔 𝑙𝑖𝑓𝑡𝑒𝑑𝑤𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑙𝑖𝑓𝑡𝑒𝑑

𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑟𝑜𝑝𝑒𝑠 𝑎𝑡𝑡𝑎𝑐ℎ𝑒𝑑 𝑡𝑜 𝑙𝑖𝑓𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

7. Using the spring scale, what is the actual required force to raise the object? Effort =______ N 

MAtheoretical = __________________ 

Page 222: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  220  CIJE‐Tech MS 

8. Calculate  the  actual mechanical  Advantage  (MA) of  the pulley  system using  the  equation 

below. Show your work.  

𝑀𝐴 𝐿𝑜𝑎𝑑 𝑊𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑙𝑖𝑓𝑡𝑒𝑑

𝐸𝑓𝑓𝑜𝑟𝑡 𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑑 𝑏𝑦 𝑡ℎ𝑒 𝑠𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

9. How does actual mechanical advantage compare to the theoretical mechanical advantage 

from above?  If they differ, by how much? Why do you think that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. Set up your pulley, weight and rope as shown in Figure B. Show your work in the space below. 

a.  What is the theoretical mechanical advantage of this system? MAtheoretical = ________ 

b. What is the required force to raise object higher? Effort = ________ 

c. Calculate the actual mechanical advantage of the pulley system. MAactual = ________ 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

MAactual = __________________ 

Page 223: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  221  CIJE‐Tech MS 

11. How does actual mechanical advantage compare to the theoretical MA in this system? If they 

differ by how much? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Set up your pulley, weight and rope as shown in Figure C. Show your work below. 

a. What is the theoretical mechanical advantage of this system? MAtheoretical = _________ 

b. What is the required force to raise object higher? Effort = _________ 

c. Calculate the actual mechanical advantage of the pulley system. MAactual = _________ 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

13. How does actual mechanical advantage compare to the theoretical mechanical advantage in 

this system?  If they differ, by how much? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Set up your pulley, weight and rope as shown in Figure D. Show your work below. 

a. What is the theoretical mechanical advantage of this system? MAtheoretical = _________ 

b. What is the required force to raise object higher? Effort = _________ 

c. Calculate the actual mechanical advantage of the pulley system. MAactual = _________ 

Page 224: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  222  CIJE‐Tech MS 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

15. How does actual mechanical advantage compare to the theoretical mechanical advantage in 

this system? If they differ, by how much? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

16. In general, were the theoretical mechanical advantages similar to the actual ones? What do 

you think causes them to be similar or different? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. What do you think were some sources of error in your experimental procedure?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 225: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  223  CIJE‐Tech MS 

18. What are  some constraints  that you as engineers might consider while designing a pulley 

system?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. Calculate the percent error in the mechanical advantage of the actual pulleys compared to 

the theoretical pulleys for all four systems above. Show your work and circle final answer for 

each system. 

                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 226: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 25. Pulleys 

Student Workbook  224  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 227: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  225  CIJE‐Tech MS 

MODULE 26. TORQUE  

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Did you ever stop to think why the handles on doors are on their outermost edge? What would 

happen if you tried to open a door with a handle as close to the hinges as could be? Would you 

be able to open it? Give it a try. Try to open a door by pushing on it right next to a hinge. Can you 

do it? If you can, you must be incredibly strong. It takes significantly more force to open a door 

by pushing or puling on  it next  to a hinge  rather  than as  far away  from  it as possible.  In  this 

module you will explore why this is the case. 

 ARCHIMEDES’ LEVER   USING A LEVER TO LIFT A BOULDER 

https://www.gettyimages.com/     Elroy M. Avery School Physics 

Levers, which are one of the simple machines (reviewed in Module 22), uses torque. The Greek 

philosopher Archimedes famously said in 3rd century BCE: “Give me a place to stand and I will 

move  the  Earth.” He was  referring  to  using  a  lever  and  the  possibilities  that  torque  and  the 

appropriate length lever arm present. 

In this module you will first explore how the force necessary to open the door differs when you 

change where you place a door handle. Next, you will perform an activity that demonstrates that 

when you know and understand the  laws of physics, you don’t need a  lot of  force to move a 

seemingly immovable object.  

VOCABULARY 

Torque 

Moment arm/lever arm 

Pivot point/fulcrum 

Hinge 

Lever 

Effort 

Load 

Force 

Applied force

Page 228: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  226  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Ruler  1 

  Pencil  1 

  Tape (duct tape)  as needed 

  Pennies  10‐30 

  Spring scale set  1 

DESIGN AND TESTING 

PART I. MEASURING TORQUE 

Your  teacher will  set up hooks on a door  to  the classroom or a cabinet door, where you will 

measure torque at different distances away from the hinge. 

1. Using the set of spring scales measure the force it takes to pull the door either open or closed. 

Notice the force  it takes to  just start the door moving. Notice that you will need different 

scales at some of the distances, as the amount of force necessary will change. Try to measure 

the force as precisely as possible. Record your data in the table below. Calculate Torque for 

each point using the following formula: 

𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑁𝑚 𝐿𝑒𝑣𝑒𝑟 𝑎𝑟𝑚 𝑚 ∗ 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑁  

Distance from the hinge/lever arm (m) 

Force recorded (N) 

Which spring scale did you use for this measurement? 

Torque 

lever arm (m) x force (N) 

       

       

       

       

       

       

       

Page 229: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  227  CIJE‐Tech MS 

2. How did the force necessary to get the door moving differ from one point to the next? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

3. Discuss  with  your  team  and  then  the  class  what  you  observed.  Discuss  how  these 

observations relate to the video you watched, where football players spoke about the need 

to stay closer to the ground? 

PART II. PENNIES WORTH OF TORQUE 

In this activity you will try to move a load (pennies on one side of the fulcrum) by applying a force 

(pennies of the other side of the fulcrum) at different distances away from the fulcrum. 

4. How is this activity, and its principles, similar to the previous one? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

5. How is this activity different the previous one? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

6. Set up a lever and fulcrum using a ruler and a pencil. Use tape to keep the pencil in place at 

approximately the center of the ruler. 

 

Page 230: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  228  CIJE‐Tech MS 

7. For the “load” pennies (the pennies on the left) record the lever arm and load force in the 

first table, then calculate the counter‐clockwise load torque. This “load” will stay in the same 

spot for the remainder of the activity. 

  Load Lever Arm length (cm) 

Load Force 

(# of pennies) 

Load Torque (counter‐clockwise) 

[ Force x Lever Arm] 

All Trials 

     

8. Choose  4  different  “Lever  Arms  of  the  Applied  Force”  (locations  on  the  right  side  of  the 

pencil).  For each location, find out how many pennies on the right side of the pencil, does it 

take to  lift the load pennies.   Record the information in the table below and calculate the 

applied clockwise torque in each case. 

Trial  Applied Force Lever Arm length 

Load Force 

(# of pennies) 

Load Torque (clockwise) 

[ Force x Lever Arm] 

1       

2       

3       

4       

9. In each case, how did the “applied torque” compare to the “load torque?” 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

10. Is it possible for a small weight to create enough torque to lift a larger weight? Explain your 

answer by using the concept of torque. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 231: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  229  CIJE‐Tech MS 

11. Describe  and  explain  at  least  2  common  ways  that  you  use  torque  every  day.    Include 

specifically what is used for the lever arm and what is used as the force. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. An offensive lineman will often try to get under and lift the opposing defensive lineman.  Use 

concepts of torque to explain how this might help the offensive lineman.  Draw a picture, if 

necessary, and consider that the pivot point of the defender is often where the defender’s 

feet are in contact with the ground. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

13. Beside each example below, place an F if a linear force is applied, a T if this is an example of 

a Torque. 

a. ______ You move a couch across the living room floor.   

b. ______ A student hanging on a chin‐up bar, pulling upward to do a chin‐up 

c. ______ A mechanic pulls on the end of a wrench to tighten a bolt on the engine. 

d. ______ A boy pushes his little brother on a swing.  

e. ______ Riding your bike, pushing on the pedals to make the bike go up a hill. 

f. ______ The wind trying to bend a tall tree in half. 

g. ______ The wind pushing on a sail on a boat.  

Page 232: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  230  CIJE‐Tech MS 

14. In each situation, state what is the source of the applied torque on the object and describe 

what creates the opposing torque that prevents resulting motion from the applied torque: 

a. The wind blows against a tall tree in a storm, but the tree does not fall over. 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

b. A plumber uses all his strength pushing down on the end of a pipe wrench, but the 

nut refuses to budge. 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

c. A construction worker uses a pry bar under the edge of a large rock.  If the end of the 

pry bar can be moved down, the rock will lift, but the rock remains unmoved. 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

15. Create your own example of applied torque and opposing torque as in the examples above. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. Define Torque in Words:  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. Define Torque using an equation: _______________________________________________ 

18. Define Pivot point or Axis of Rotation: 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. Define Lever Arm:  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 233: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 26. Torque 

Student Workbook  231  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 234: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  232  CIJE‐Tech MS 

MODULE 27. PROJECTILE MOTION 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

What do basketball, baseball,  football, shot put,  tennis, golf, volleyball, and soccer all have  in 

common? All these sports use a ball that is projected into the air with the use of a body part or 

some sort of stick. A “projectile” is therefore when an object (not necessarily a ball) is thrown, 

kicked, hit, or launched through the air. This object then follows a path that is determined by the 

force with which it was thrown and the force of gravity that will inevitably bring this object back 

to the ground. We can predict how far and how high the object is going to be projected because 

the  laws of physics govern projectile motion  for all  sports.  In  fact,  the same  laws are used to 

design skate‐park and skiing ramps, footballs and satellites. 

In  this module  you will  explore  the  science  of NFL  Football.  You will  use  a  projectile motion 

stimulation to play around with variables and see what affects the shape of the path an object 

takes when it is projected forward. 

VOCABULARY  

Projectile 

Trajectory 

Initial speed  

Launch angle 

Range  

Air resistance 

Drag coefficient 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Targets: garbage cans, buckets, boxes, etc.  At least one 

  Objects  to project  into targets: paper, cotton,  tennis balls, 

feathers, pencils, specks of sand, drinking straws, etc. 

5‐10 

  Computer with internet access  1 

   

Page 235: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  233  CIJE‐Tech MS 

PROCEDURE AND DATA COLLECTION 

PART I. PROJECTILE MOTION PATHS 

1. Take time to research and define the terms in the Vocabulary section of this module. Use the 

space in the notes section to write down the definitions. 

2. Toss assorted materials provided by the teacher into a small target.   

3. What objects were particularly easy to toss into the target? Why do you think that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

4. What objects were particularly difficult to toss into the target? Why do you think that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

5. Use a drawing  to describe  the paths  (trajectories) of different objects as you  threw them 

toward the target. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 236: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  234  CIJE‐Tech MS 

6. Watch  the  NBC  Learn  Video  THE  SCIENCE  OF  NFL  FOOTBALL  –  Projectile  Motion  and 

Parabolas. 

PART II. THE VARIABLE OF THE PROJECTILE MOTION (COMPUTER REQUIRED) 

7. Go to the PHET web site http://phet.colorado.edu/web‐pages/simulations‐base.html.   Go to 

the Physics Page and scroll down to select the Projectile Motion simulation.   Spend a few 

minutes  familiarizing  yourself  with  the  simulation.  You  will  now  explore  the  different 

variables involved that determine the trajectories of the objects projected in the air. 

8. Air  Resistance  (Drag  Coefficient)  vs.  Range:    Create  and  conduct  an  investigation  to 

determine how air resistance (drag coefficient) affects the range of a projectile. 

a. Briefly describe the technique you will use. What variable(s) will you change and what 

variable(s) will you measure?   

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

b. Make a table to record your results. 

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

c. Reflect  upon  your  data  table  and  explain  what  you  found  about  the  effect  of  air 

resistance (drag coefficient) on the range of a projectile. 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

Page 237: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  235  CIJE‐Tech MS 

9. Initial Speed vs. Range:  Create and conduct an investigation to determine how initial speed 

affects the range of a projectile. 

a. Briefly describe the technique you will use. What variable(s) will you change and what 

variable(s) will you measure?   

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

b. Make a table to record your results. 

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

 

c. Reflect upon your data table and explain what you found about the effect of air 

resistance (drag coefficient) on the range of a projectile. 

__________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

Page 238: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  236  CIJE‐Tech MS 

10. Launch Angle vs. Range:  Create and conduct an investigation to determine how the launch 

angle affects the range of a projectile. (Note:  Try many angles between 0 and 90.) 

a. Briefly describe the technique you will use. What variable(s) will you change and what 

variable(s) will you measure?   

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

b. Make a table to record your results. 

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

                                     

 

c. Reflect upon your data table and explain what you found about the effect of air 

resistance (drag coefficient) on the range of a projectile. 

__________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________ 

   

Page 239: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  237  CIJE‐Tech MS 

11. With no air resistance: 

a. Find the angle that will produce the maximum range and record this angle: _______ 

b. Is this angle different for different objects? _________________________________ 

12. With Air Resistance: 

a. Find the angle that will produce the maximum range and record this angle: _______ 

b. Is this angle different for different objects? __________________________________ 

13. For a football, find two different angles that produce the same range. 

a. Record these two angles and the range: __________________ , __________________ 

b. Compare the time in the air for each of these angles and explain any difference. 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________ 

14. What  advice  about  angle  and  kicking  speed  would  you  give  to  a  punter  who  wants  to 

maximize the distance of a punt? Explain your reasoning? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. What advice about angle and speed, would you give a punter that is not trying to maximize 

distance,  but  instead wants  a  long  “hang  time”  to  allow his  teammates  as much  time  as 

possible to “get downfield”. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 240: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 27. Projectile Motion 

Student Workbook  238  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 241: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  239  CIJE‐Tech MS 

MODULE 28. RUBBER BAND RACERS 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Have you ever had one of those days when you are low on energy? What does that mean when 

you have low energy? For your body it means that your it is not being efficient at converting the 

food and drink you absorbed into the chemical energy the 

cells in your body need to perform well, including the cells 

in your brain and muscles.   Chemical energy  is stored  in 

your body until  it converts  it  into other types of energy: 

mechanical when your muscles move your bones, kinetic, 

when  your  bone  movement  results  in  you  moving  all 

around, and thermal energy that keeps your body warm.  

CHEMICAL ENERGY CONVERTED INTO MOTION 

All energy is at some point is converted into another type. No energy is ever wasted as stated in 

the Law of Conservation of Energy.  

   

CHEMICAL ENERGY CONVERTED INTO 

ELECTRICAL ENERGY INSIDE A BATTERY. 

https://www.cdli.ca/ 

GRAVITATIONAL POTENTIAL ENERGY 

CONVERTED INTO KINETIC ENERGY. 

http://worldartsme.com/ 

Chemical  energy  proves  to  be  extremely 

important for human body because it is the form 

of energy that is stored until it is ready to be used 

or  transferred  into  other  types  of  energy  that 

perform some kind of work. We call this type of 

energy  Potential  since  it  has  the  potential  to 

perform work,  potential  to  be  transferred  into 

another form.  

Page 242: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  240  CIJE‐Tech MS 

What other  types of potential energy are there? The types of potential energy are: chemical, 

gravitational, nuclear, and elastic.  

Chemical  energy  can  be  transferred  into  kinetic  energy  inside  your  body  or  in  a  car  engine. 

Chemical energy can also be converted into electric energy inside a battery. Gravitational energy 

converts to kinetic energy (movement) when an object moves from a higher ground down like 

you can see in a projectile in module 25. Nuclear energy is stored in a nucleus of an atom and is 

released when atoms are either broken apart (fission) or fused together (fusion). This conversion 

releases incredible amounts of energy we use to generate electrical energy to power homes and 

factories. It can also be used as a devastating weapon. 

In this module you will explore elastic potential energy, which can be stored either in a spring or 

a rubber band. When you push down on a spring or stretch it out you convert mechanical energy 

into elastic energy. Releasing the spring converts this energy  into kinetic energy. You can test 

that  by  placing  something  at  the  end  of  the  spring. Many wind‐up  toys  use  elastic  potential 

energy to operate. You also experienced this form of energy in modules where you use a spring 

scale (Six Simple Machines, Pulleys, Torque). Today however your task will be to use the elastic 

potential energy that is stored in a rubber band when you stretch it out. 

ELASTIC POTENTIAL ENERGY IN A SPRING OR RUBBER BAND. 

VOCABULARY 

Force 

Gravity 

Friction 

Energy 

Transfer of energy 

Law of Conservation of Energy  

Potential energy 

Elastic potential energy 

Speed 

Distance

   

Page 243: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  241  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Cardboard, letter size or smaller  1 

  Wheel material (can be CDs, caps, plates, etc.)  4 

  Rubber bands  4 

  Paperclips  4 

  Thumbtacks  As needed 

  Scissors   1 

  Masking tape  As needed 

  Tape measure  1 

  Stop watch or timer  1 

  Plastic Straws  2 

  Skewers  3 

DESIGN AND BUILD 

1. Your assignment is to build a car with just the materials you are given. You do not have to use 

all of the materials, but you cannot use materials other than the ones in the list above. Your 

car must move at least 3 meters from the start line on a 1m wide track.  

2. Your car design must follow these limitations: 

Your car must use the energy stored in 1‐4 rubber bands 

The car must move on its own without you pushing it forward 

You cannot use rubber bands as a slingshot. The car must be placed down on the start line and move on its own 

You cannot use wheels from toy cars, only materials that resemble wheels 

3. Meet as a team and discuss the problem you need to solve. Then develop and agree on a 

design for your rubber band car. You'll need to determine what materials you want to use 

and in what way. You may test the materials when you are working on your design.  

   

Page 244: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  242  CIJE‐Tech MS 

4. Draw your design in the space below.  

  

 

                                       

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Material  Quantity 

   

   

   

   

   

   

   

Page 245: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  243  CIJE‐Tech MS 

5. Build  your  rubber  band  car.  During  construction,  you  may  decide  you  need  additional 

materials or that your design needs to change. This is ok – just make a new sketch and revise 

your materials list. 

TESTING 

6. Test your rubber band car on the track designated by your teacher. Do at least 3 trial runs. 

For each trial, record the distance your car travels in meters and how long it takes your car to 

travel that distance in seconds. From the two data collected, calculate the speed of your car 

in meters per second (m/s). Be sure to watch the tests of the other teams and observe how 

their different designs worked. When you collect all the data, calculate the average distance, 

time and speed for your car. 

  Distance Traveled within Track (m) 

Time Traveled within Track (s) 

Speed (m/s) Distance/time 

Test 1       

Test 2       

Test 3       

Average       

7. If time allows, redesign and retest your car. Make sure to ask your teacher if there is ample 

time for redesign. 

DESIGN ANALYSIS  

8. What was the single biggest factor in limiting your car’s range? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. What factors caused your car to go in a straight path?  Or not it a straight path? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 246: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  244  CIJE‐Tech MS 

10. Did  you decide  to  revise  your original  design or  request  additional materials while  in  the 

construction phase? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. If you could have had access to materials that were different than those provided, what would 

your team have requested? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

12. Do you  think  that  engineers have  to  adapt  their  original  plans  during  the  construction of 

systems or products? Why might they? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. If you had to do it all over again, how would your planned design change? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 247: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  245  CIJE‐Tech MS 

14. What design elements or methods did you see other  teams use that you thought worked 

well? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. Do you think you would have been able to complete this project as well if you were working 

alone? Explain… 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

Define the following three terms: 

16. Potential energy 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. Elastic potential energy 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 248: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  246  CIJE‐Tech MS 

18. Speed 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. Besides elastic potential energy, what other types of potential energy are there? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Briefly describe how you used each of the following steps of the engineering design process: 

20. Problem Definition ___________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. Idea Generation _____________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

22. Solution Creation ____________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

23. Testing / Analysis _____________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

24. Final output _________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 249: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 28. Rubber Band Racers 

Student Workbook  247  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

   

Page 250: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 29. Speed, Velocity and Graphing 

Student Workbook  248  CIJE‐Tech MS 

MODULE 29. SPEED, VELOCITY AND GRAPHING 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

You might  have  noticed  that  this Workbook  uses  only Metric  units  of measurements  in  the 

experiments. United States uses Royal units of measurement. It is important to be able to convert 

the units within each system and between the two systems of measurement.   

CONVERTING UNITS ‐ DIMENSIONAL ANALYSIS 

Baseball travels 90 feet from the pitcher's mound to catcher in 0.7 seconds.  We could say that 

the speed was 90 feet / 0.63 second. Doing the division this  is 142 ft/sec.   How fast  is  this  in 

kilometers / hour?  To make this conversion we multiply by quantities that are equal to 1.  For 

example, there are 60 seconds per minute, so 60 sec/min has unity value.  We can multiply or 

divide by things with unity value without changing the actual result.  The same as multiplying by 

1.  Likewise multiplying by 60 min/hr does not change the value.  Also, there are 0.3 m per ft and 

1000 m/km.  

We can use the inverse of these things as unity quantities 0.3 m/ft or 1km/1000 m are both unity 

quantities. Let's do the conversion: 

142 𝑓𝑡1 𝑠𝑒𝑐

60 𝑠𝑒𝑐1 𝑚𝑖𝑛

60 𝑚𝑖𝑛1 ℎ𝑟

0.3 𝑚1 𝑓𝑡

1 𝑘𝑚1000 𝑚

 

Notice,  we  can  cancel  the  units  when  they  appear  on  both  the  top  and  the  bottom  of  the 

multiplication to give the final units. 

142 𝑓𝑡1 𝑠𝑒𝑐

60 𝑠𝑒𝑐1 𝑚𝑖𝑛

60 𝑚𝑖𝑛1 ℎ𝑟

0.3 𝑚1 𝑓𝑡

1 𝑘𝑚1000 𝑚

139𝑘𝑚ℎ

 

THE DIFFERENCE BETWEEN SPEED AND VELOCITY 

When an object moves, it has both speed and velocity. Although these two parameters are often 

used interchangeably, they are different. A car which travels 90 kilometers in 1.5 hours is said to 

have a speed of 60 kilometers per hour.  Speed is the distance traveled divided by the time it 

took: 

𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒 ℎ𝑜𝑢𝑟𝑠

𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠 𝑝𝑒𝑟 ℎ𝑜𝑢𝑟  

Speed tells little about how the trip progressed as a whole.  Suppose the car went 75 km/hr on 

the freeway, went through at town a 30 km/hr, stopped for gas, then went 75 km/hr the rest of 

Page 251: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 29. Speed, Velocity and Graphing 

Student Workbook  249  CIJE‐Tech MS 

the way.    Speed  is  averaged  over  a  period  of  time.    Speed  tells  us  nothing  about  direction.  

Velocity is different.  Velocity reveals exactly how fast an object is moving at a single instant of 

time and it specifies the exact direction at that time. 

 https://serpmedia.org 

In  this module  you will measure  the  time  it  takes members of  your  team  to move a  specific 

distance. Knowing time and distance will allow you to calculate the average speed with which 

each team member was moving. Since you will be moving in one direction, you will also know 

the velocity. 

VOCABULARY 

Speed  

Velocity 

Interval 

Unity factors

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Tape measure or meter sticks (metric)  As needed 

  Timer or stop watch  1 

TESTING 

1. Set up "timer keepers" along a track at preset  intervals to record the time it takes for the 

"walker" to pass each interval station.   

 

 

 

  6 meters

Time Keeper 1 

Time Keeper 2 

Time Keeper 3 

Time Keeper 4 

Time Keeper 5 

Time Keeper 6 

Page 252: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 29. Speed, Velocity and Graphing 

Student Workbook  250  CIJE‐Tech MS 

2. Record the data in the chart below. 

  Time (seconds) 

Distances from starting line (m) 

Example  Student 1  Student 2  Student 3  Student 4 

1  4.33        

2  8.71        

3  11.82        

4  15.23        

5  20.76        

6  23.97        

average speed (m/s) = 

0.8 m/sec

       

3. Using  the data  from step 2, graph the distance versus  time  for each student  in  the space 

below or using any spreadsheet application on a computer, if allowed by your teacher. If using 

a computer application, print your graph and glue it below. 

Make sure to label your graph, its axes, intervals and units of measurement.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 253: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 29. Speed, Velocity and Graphing 

Student Workbook  251  CIJE‐Tech MS 

4. Which students walk at a steady pace?  How can you tell?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

5. Do students tend to walk faster, slower, or no change as they near the end of the course? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

6. Why do you suppose we did our calculations in these specific units (meters and seconds)? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ASSESSMENT QUESTIONS 

7. A student walks from the classroom to the office, a distance of 14 meters.  It takes the student  

1.5 minutes.  What is the speed in meters / minute?  ________________ m / min 

8. What is the speed in m / second?  Show your calculations below. ________________ m / sec 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

 

Page 254: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 29. Speed, Velocity and Graphing 

Student Workbook  252  CIJE‐Tech MS 

9. Match the following activities with the appropriate units of measurement for each 

a. A speeding bullet  ____ Revolutions per month 

b. The growth rate of a person  ____ Meters per second 

c. A passenger train  ____ Kilometers per hour 

d. A snail  ____ Revolutions per year 

e. Orbits of Earth around the Sun  ____ Centimeters per hour 

f. Orbits of the Moon around Earth  ____ Centimeters per year 

10. Show how the units cancel to give the final units.  Use the given Unity Values to convert each 

value below.         

Unity Values: 5280 ft./mi , 3600 sec/hr , 12 in/ft. , 2.54 cm/in , 0.01m/cm 

   3 hr.  x   _____________  =  _____________  sec 

   6 ft.  x   _____________  =  _____________  in  

   52 in   x   _____________  x  _____________    =   _____________  m 

11. Imagine scientists from around the world are working on a space travel project. DO you think 

that  it  would  be  necessary  to  use  the  same  measurement  system  when  working  on 

engineering projects? Why or why not? What can be a possible consequence for not using 

the same system and constantly converting units from one to another? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 255: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 29. Speed, Velocity and Graphing 

Student Workbook  253  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 256: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  254  CIJE‐Tech MS 

MODULE 30. EGG DROP 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

The goal of this activity  is to apply the engineering design process to create a device that will 

allow a raw egg to be dropped from a predetermined height without breaking.  

NEWTON’S THIRD LAW.  

Think about how things break, what happens in the instant that the object breaks. To understand 

what is going on, Newton’s Third Law should be examined. The law states the following: 

“FOR EVERY ACTION THERE IS AN EQUAL AND OPPOSITE REACTION” 

Consider a raw egg dropping from a height, 

lets apply Newton’s Third Law to see what 

happens when  it  is  falling  to  the  floor and 

when it meets the floor. When you drop an 

egg,  it  falls,  gaining  speed  (accelerating) 

because  gravity  is  applying  a  force  to 

it.   When  the  egg  hits  the  floor,  it  stops 

because  the  floor  applies  the  exact  same 

force  on  the  egg  but  in  the  opposite 

direction  (Newton’s  Third  Law).  Basically, 

the floor hits back! 

NEWTON’S SECOND LAW 

Now examine the force involved in the process. Newton’s Second Law comes in here which is: 

“THE ACCELERATION OF AN OBJECT EQUALS THE NET FORCE ACTING ON THE OBJECT 

DIVIDED BY THE OBJECTS MASS” 

The formula for Newton’s Second Law is therefore: 

 

Page 257: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  255  CIJE‐Tech MS 

How does this apply here? The force with which the egg hits the floor and the force that hits back 

at  the  egg  are  dependent  on  the  acceleration  and  the mass  of  the  object.  How  can  this  be 

interpreted? The higher the drop the greater the force and/or the higher the mass of the egg the 

greater the force upon the egg. 

In the design engineering process, consider how objects we see in everyday life are protected. 

Why do you wear a helmet when you ride your bicycle? Why is the specific packaging used for 

eggs in a supermarket? When a parachute is used, how does it protect the jumper from injury? 

Consider these and many other devices when you make your design. 

VOCABULARY 

Speed  

Newton’s Second Law 

Newton’s Third Law 

Velocity 

Acceleration 

g  

Force  

Pressure

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Assorted packaging materials (i.e. – straws, paper, cotton balls, tape, etc.)  As needed 

  Raw egg  1 

  Tape  As needed 

DESIGN AND TESTING 

1. Examine the materials provided by the teacher. Discuss in your team a design for a device 

that will protect an egg when dropped from a specific height (which will be determined by 

your teacher and will be the same for every group). 

2. How much of each material do you anticipate using in your design? 

Material  Quantity 

   

   

   

   

   

Page 258: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  256  CIJE‐Tech MS 

3. Draw a design everyone in your group agrees on in the space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

4. When testing your apparatus, record the time it takes to reach the ground below. Then  

convert that time to minutes.  _____________ seconds = ______________ minutes 

ASSESSMENT QUESTIONS 

To determine how fast an object is traveling when it hits the ground, we can use the following 

formula, which allows you to determine speed in meters per minute. 

𝑺𝒑𝒆𝒆𝒅 𝒎𝒆𝒕𝒆𝒓𝒔

𝒎𝒊𝒏𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒆 𝒇𝒂𝒍𝒍𝒆𝒏 𝒎𝒆𝒕𝒆𝒓𝒔𝑻𝒊𝒎𝒆 𝒊𝒕 𝒕𝒐𝒐𝒌 𝒕𝒐 𝒇𝒂𝒍𝒍 𝒎𝒊𝒏

 

5. According to the above formula, does it matter how heavy the falling object is?  Explain. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 259: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  257  CIJE‐Tech MS 

6. For this activity, would it be better to use heavier material that is more protective, or lighter 

material that is less protective?  Justify your response?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. What was the speed of your egg when it hit the floor? Show your calculations below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

8. The above formula does not take  into consideration designs that proactively slow the egg 

during its decent, such as a parachute.  Were the speeds of all the eggs tested in your class 

the same or different when they hit the floor? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

In 1997, NASA used air bags to protect Pathfinder as it landed on Mars.  In 2012 NASA used a 

rocket crane to slowly lower the Curiosity rover to the Mars surface. 

   

Page 260: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  258  CIJE‐Tech MS 

9. What were some of the pros and cons of each of these approaches?  

Pros:  Pros: 

 

 

Cons:  Cons: 

 

 

10. Referring to Module 1 on the engineering design process, how did this process fit into the 

engineering design process? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. What process would you add to the engineering design process to make it more relevant to 

solving this particular design challenge?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 261: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  259  CIJE‐Tech MS 

12. Briefly describe what steps were taken to fulfill each stage of the design process.  Write “Not 

Used” if you did not need that step for this particular project. 

  Problem Definition – _______________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________ 

  Research – _______________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

  Idea Generation – _________________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________  

Build – __________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

  Testing / Analysis –_________________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________ 

Improvement – ___________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

  Final Solution and Output – __________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________ 

13. Speculate what steps the NASA design engineers took  in each stage of the design process 

when designing and creating the rocket crane to slowly lower the Curiosity rover to the Mars 

surface. 

  Problem Definition – _______________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________ 

  Research – _______________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

  Idea Generation – _________________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________  

Page 262: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 30. Egg Drop 

Student Workbook  260  CIJE‐Tech MS 

Build – __________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

  Testing / Analysis –_________________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________ 

Improvement – ___________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

  Final Solution and Output – __________________________________________________ 

  ________________________________________________________________________ 

           

NOTES            

           

            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 263: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  261  CIJE‐Tech MS 

MODULE 31. GET A LIFT 

INTRODUCTION 

Did you know that Israel’s Air Force and its commercial fleet EL AL were born at the formation of 

the nation, in 1948? EL AL’s first job was to bring to Israel its first president. Soon after, the fleet 

participated  in  operation  Magic  Carpet,  which 

brought Jews from Yemen to Israel. Since its birth 

to now, Israel’s commercial fleet welcomed its first 

female  pilot  (Smadar  Shechter)  in  2010  and 

expanded to  fly  to 37 direct destinations around 

the world in its 42 aircraft.  

Israel’s ability to fly  its citizens and visitors came 

only  45  years  after  Wilbur  and  Orville  Wright 

invented and flew the first successful airplane. On December 17, 1903, the Wright brothers made 

four brief flights at Kitty Hawk, NC. The first flight was only a brief 12 seconds. But it gave birth 

to  human  flight.  This  initial  endeavor, 

through more  than  100  years  of  iteration, 

re‐design  and  advances  in  technology was 

not only the basis for the currently longest 

flight of  over 19 hours,  but  also  to human 

exploration of space 

In this lesson, you will learn about the four 

forces of flight — drag, lift, thrust, and weight — through a variety of fun flight experiments. You 

will “fly” for short periods and then evaluate factors that might either increase or decrease your 

“flight” duration. You will also discover how air moving at different speeds over a wing keeps 

planes aloft. 

THE LAW OF CONTINUITY 

Let’s first examine some fluid and gas behavior. When a fluid (liquid) or a gas flows through a 

pipe of varying diameter, it flows faster at narrow places than it does at larger diameter places.   

Page 264: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  262  CIJE‐Tech MS 

 

SHOWING FLUID OR GAS MOVING THROUGH A TUBE WITH VARYING 

DIAMETERS – THE LAW OF CONTINUITY 

http://www.aplusphysics.com/ 

 

The law of continuity states that the area of the larger cross section "A1" multiplied by the velocity 

flowing in the larger area is equal the smaller area "A2" multiplied by the velocity in the smaller 

area. 

A1*V1 =   A2*V2 

So, if the area decreases – A2 the velocity V2 increases so that A2V2 remains equal to A1V1. This 

law is important and basically says that the velocity increases with decreasing diameter. Think 

about it‐ it makes sense and you can easily test it by blowing through rolled up cardboard that 

can be made to have different diameters. 

BERNOULLI'S EQUATION 

In 1738 Daniel Bernoulli found that when measuring pressure and speed of air, an increase in the 

speed of a fluid (including air) occurs simultaneously with a decrease in pressure.  If the air or 

fluid is moving faster in one region than it is in another, then the pressure in the faster region is 

less than it is in the slower region.  The simplified form of Bernoulli's equation that is applicable 

for types of problems addressed in this lab is: 

                                           p1 ‐  p2 = 1/2 * ρ * (V22 ‐ V1

2) 

Where p is pressure and V is velocity. ρ is the density of the material and important since the 

density of  air  can  change with  temperature,  humidity  and altitude. A  reliable  average  for  air 

density is 1.225 kg/m3. 

Bernoulli’s equation shows that if the velocity in area 2 is greater than the velocity in area 1, then 

the pressure in area 1 is higher than the pressure in area 2.  This equation reflects the basics of 

the Bernoulli principle. 

VOCABULARY 

Air pressure 

Bernoulli’s Principle 

Drag 

Fluid  

Force 

Lift 

Thrust 

Weight 

Page 265: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  263  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

Material  Quantity 

  Paper  1 

  Balloons  2 

  String 36 cm per piece  2  

  Scissors  1 

  Paper helicopter template  1 

DESIGN AND PROCEDURE 

PART I: THE PAPER TENT 

1. Fold a piece of paper in half, lengthwise, and stand 

it up to create a long tunnel.  

2. What do you hypothesize will happen when you 

blow through the tunnel? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

By blowing  through  the  tunnel  you  increase  the air  velocity  inside  the  tunnel,  relative  to  the 

outside of the tunnel and consequently lower the air pressure inside the tunnel.  This means the 

air pressure inside the tunnel will be less than outside the tunnel.  This demonstrates Bernoulli's 

Principle, that was covered in the introduction. 

Circle the correct answers. 

3. When I blow through the tunnel, the air velocity will be greater on the (inside / outside) 

and the air pressure will be greater on the (inside / outside). 

Page 266: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  264  CIJE‐Tech MS 

4. Bernoulli's Principle states that as air moves faster over a surface, the pressure exerted on 

the surface (increases/ decreases). 

5. Describe what  happens  to  the  tunnel walls when  you  blow  through  the  tunnel.   Use  the 

following terms in your description: pressure, force, velocity, air. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

PART II: BERNOULLI’S BALLOONS 

6. Blow up two balloons and tie each one to a string.  Hold the balloons a few inches apart and 

blow between them. What happens?  

 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

 

Page 267: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  265  CIJE‐Tech MS 

The figure above shows a cross‐section of an airplane wing, indicating the path of air as it travels 

over and below the wing. 

7. If the air traveling over the wing has to travel a farther distance, then it will travel faster than 

the air below the wing.  This means that the air pressure above the wing will be greater or  

less than the air pressure below the wing?         ____________________________ 

8. If the air pressure above the below the wing is different, it will create a force, called lift, in 

the direction of the lower pressure.  Draw an arrow on the wing diagram above indicating in 

which direction the force of lift will be acting. 

9. Will an airfoil (i.e.  ‐ wing) help a space shuttle fly in outer space?  Why or why not? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. Below  is  the diagram view of  your  two balloons  from 

above. Draw lines indicating the flow of air around the 

balloons. 

 

 

 

 

 

 

 

11. Draw arrows indicating the direction of net air pressure acting on the balloons. 

PART III: PAPER HELICOPTER 

Drag 

Drag is resistance to airflow. For example, if you stick your hand out of a slow‐moving car window 

Page 268: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  266  CIJE‐Tech MS 

and your palm is facing the front of the car, your hand will feel like it’s being pushed back.  This 

is because your hand is resisting the airflow or increasing drag. If you rotate your hand so that 

it’s parallel to the road and your thumb is towards the front of the car, your hand doesn’t get 

pushed back. This is because you have decreased the drag. 

For this part you will use a paper helicopter model your teacher will hand out. 

12. Make your paper helicopter as shown in the figures below:  

a. Cut  only  on  the  solid 

black  lines  of  your 

paper helicopter. 

b. Locate  the  two  long 

dotted  lines  and  fold 

them  towards  the 

center (like a tri‐fold). 

You  have  just  made 

the fuselage or body of your helicopter.  

c. The side with two parts are the rotor blades of your helicopter. 

Fold one towards you and one away from you, folding on the 

dotted line.  

13. Test  fly  your  helicopter,  without  the  paperclip,  by  dropping  it. 

Describe how it flew: 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. What do you hypothesize will happen when you attach one paperclip to the fuselage of your 

helicopter?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 269: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  267  CIJE‐Tech MS 

15. Test fly your helicopter with the paperclip attached. What happens?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. What other modifications can you make to your helicopter to make it stay in the air longer? 

(hint: think about the rotor blades). Give it a test flight! 

Draw the final version of your helicopter: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 270: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  268  CIJE‐Tech MS 

 

www.cgtrader.com 

17. Describe the modifications you made to your helicopter that worked or did not work:  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. What is the purpose of the rotor blades? Talk about the forces acting on your helicopter using 

the following words: lift, weight, thrust, drag. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Fuselage 

Page 271: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 31. Get a Lift 

Student Workbook  269  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 272: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  270  CIJE‐Tech MS 

MODULE 32. RESPIRATION AND LUNGS 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Breathe in…. Breathe out…. Where have you heard this phrase before? In a doctor’s office? When 

you meditate or just trying to relax and gather your thoughts? But how often do you have to stop 

and remind yourself to breathe? Probably not very often. This is for one simple reason – humans 

and other living organisms require breathing (or other form of gas exchange) to survive. Oxygen, 

the gas our body separates from the mixture of gases in the air, is necessary to produce energy 

that your body, its many organs, and cells that make up those organs, need in order to function 

and maintain homeostasis. 

What does breathing do exactly? Why is it so important? We know we have to do it. After all, try 

to hold your breath for a bit…. Your body will let you know you can’t do that indefinitely. In fact, 

your nervous system has a self‐protective system in place that will not let you hold your breath 

for long enough that your body will get damaged. It will make you take a breath. But why do we 

need to breathe?  

Breathing  allows  your 

body  to  take  in  about 

500ml  (about  1  ½  soda 

cans) of air into your lungs 

during  regular,  not  forced 

inhalation  and  then  force 

the  same  amount  out 

during  exhalation.  The 

difference between the air 

that is inhaled and exhaled 

is  not  big,  but  significant. 

We  breathe  in  air  with  a 

higher  concentration  of  oxygen  (O2)  than we  breath  out  and  lower  concentration  of  carbon 

dioxide  (CO2)  than we breath out.  Inside  the  lungs’  smallest  compartments –  the alveoli,  the 

oxygen  in  the  air  passes  into  the  capillaries  in  exchange  for  carbon  dioxide  that  leaves  the 

bloodstream and then expelled when you exhale. 

ACIDS AND BASES 

How can we verify that there is CO2 in the air we breathe out? This is where our understanding 

of acids and bases comes in. Whether you have learned about acids and bases before, let’s look 

at what makes a solution acidic, neutral or basic. 

Page 273: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  271  CIJE‐Tech MS 

A solution is considered acidic if it has a high concentration of hydrogen ions – H+. A good example 

of an acidic solution is hydrochloric acid (HCl, pH2).  In solution, HCl breaks  into hydrogen and 

chloride ions: 

HCl  H+ + Cl‐ 

A solution is considered basic or alkaline if it has a high concentration of hydroxide ions – OH‐. A 

good example of a basic solution is sodium hydroxide (NaOH). In solution, it breaks down to give 

sodium ion and a hydroxide ion: 

NaOH  Na+ + OH‐ 

Notice, that if we mix the two solutions mentioned above, we will get water (H2O) and table salt 

(NaCl), thus neutralizing both acid and base, creating 2 substances both neutral in pH (pH 7): 

H+ + Cl‐ + Na+ + OH‐  H2O + NaCl 

Both acidic and alkaline solutions can be harmful to our bodies if found it the environment. While 

strong acid could burn skin, a strong base would turn skin into soap. However, as damaging as 

these are in our environment, in a stomach, 

depending  on  what  we  eat,  the  pH  is 

between  1.5  and  3.5  caused  by  the 

presence  of  HCl  (hydrochloric  acid).  This 

high acidity  is necessary  for our bodies  to 

digest the foods we eat.  

Look at the pH chart to the right and what 

substances  can  be  found  at  different  pH 

readings.  It  is  important  to  know  that  a 

single digit change in pH is equal to 10 times 

increase in the concentration of the H+ ions. 

This is what is called a logarithmic scale (as 

opposed to linear scale where increase of 1 

would  translate  to  increase  in 

concentration by 1).  

What about the CO2 in the air we breathe out? When CO2 is mixed with water, some of it turns 

into carbonic acid (H2CO3), which in water breaks into bicarbonate ion (HCO3‐) and hydrogen ion 

(H+).  

CO2 +H2O  H2CO3 + H2O  HCO3‐ + H+ 

And you already know what hydrogen ions do to the pH of a solution. In this investigation you 

will measure how much exercising will increase your CO2 output, when compared to your resting 

breath. You will also explore the organs involved in the process of breathing by making a model 

of a chest cavity. 

Page 274: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  272  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Solution 

pH 

Acid 

Base 

neutral pH 

hydrogen ion 

hydroxide ion 

water molecule 

lung 

respiratory system 

respiration 

diaphragm 

muscle 

homeostasis 

organ 

cell 

MATERIALS  

Material (size) for Acid‐Base Observation  Quantity per group 

  Beakers, 100ml  4 

  Mystery liquids  4 

  Pipette, plastic  4 

  pH indicator liquid  500ml 

  Plastic cup  2 per student + 1 for control 

  Straw  2 per student 

  Timer  1 

This table contains materials you will use to build a model of human chest cavity. Fill in empty 

rows with materials other than those provided to you by the teacher. Make sure to indicate the 

size of the item and how much of it you used. 

Material (size) for Build a Lung activity  Quantity per group  

  Plastic bottle, 2L  1 

  Balloon, large  1 

  Balloon, medium   2 

  Straws  2‐10 

  Rubber bands  2‐10 

  Masking tape  As needed 

     

     

     

Page 275: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  273  CIJE‐Tech MS 

PART I: ACID OR BASE? 

In  this  portion  of  your  respiratory  system  investigation,  you will measure  the  acidity  (pH)  of 

common household solutions. You must not taste or directly smell any of the solutions. Not all of 

them are representatives from your refrigerator.  

1. Your teacher will give you the list of solutions that will be distributed among groups. Each 

group will receive only 4 of these solutions.  

2. Write down the list in the table below and predict the pH for each of the solutions. Don’t be 

concerned with getting the pH wrong. You will correct any mistakes once your investigation 

is complete. 

  Solution  pH (predicted)  pH      Solution  pH (predicted)  pH 

1          5       

2          6       

3          7       

4          8       

Next, you will receive a solution that will serve as an indicator for your mystery solutions. This 

solution is made of boiled purple cabbage leaves. Its color is normally purple. When H+ is added 

to it, it will turn red. If OH‐ ions are added to it, it will gradually turn green and then turn yellow. 

3. In the space below, design a table to record your observations.   

Then follow your teacher’s directions to measure the acidity of each mystery solution in your set. 

Record your data and share it with your class when directed by your teacher. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 276: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  274  CIJE‐Tech MS 

PART II: CO2 IN MY BREATH 

4. Next, you will measure the change in CO2 concentration in your breath before and after you 

exercise. Either independently or in your group answer the questions below before receiving 

the materials and conducting this inquiry.  

5. Why do you expect your breath to change the color of the indicator solution? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

6. What color do you expect the solution to become after being exposed to your breath? Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. Think of ways to add gas (as in your breath) to a solution to change its pH? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. In the inquiry below, you will measure what it takes to change the pH of the indicator solution 

using your breath. What do you need to do to dissolve the CO2 in your breath in the indicator 

solution? What do you think you need to measure to make your inquiry reliable?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 277: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  275  CIJE‐Tech MS 

9. How many trials do you think it is important to run to make the data you collect reliable?   

Why? ______________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. What will serve as a control for this inquiry? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. In the space below, record the procedure for your inquiry. Don’t forget to account for all the 

members of the group recording their data. Show the procedure and the table (below) you 

create as a group to your teacher before proceeding with the inquiry. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 278: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  276  CIJE‐Tech MS 

12. In the space below, design a table to record what it takes to change the color of the indicator 

solution.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

13. During  discussion  session  record  what  you  noticed  other  groups  did  well  and  where 

improvement is necessary. 

______________________________________________________________________________ 

______________________________________________________________________________ 

______________________________________________________________________________ 

______________________________________________________________________________ 

______________________________________________________________________________ 

______________________________________________________________________________ 

   

Page 279: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  277  CIJE‐Tech MS 

PART III: STRUCTURE OF A LUNG 

Your teacher will demonstrate and explain a function of a model. 

14. Answer questions 16 – 18 in the Assessment Questions section. Then, draw a picture of the 

model you were shown in the space below. Label what each part of the model represents. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

DESIGN: BUILD A LUNG 

Now  that  you have  experienced  the  function of  the  lungs  and understand how  they work  in 

conjunction with the diaphragm, create a model of lungs using the materials made available by 

your teacher.  

Page 280: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  278  CIJE‐Tech MS 

15. Before you begin building, discuss possible structures and ideas with your group. Diagram or 

draw possible designs in the space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 281: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  279  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

ACID OR BASE 

16. On presence of which two molecules does the acidity of a solution depend? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. Draw a diagram using symbols  for the two molecules you discussed above to  illustrate an 

acidic, a neutral and a basic pH solution. 

           

18. Why do you think the  indicator solution would turn  first green and then white  if you add 

bleach to it? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

CO2 IN YOUR BREATH  

19. When did the indicator solution change color faster before the exercise or after?  Why? 

__________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 282: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  280  CIJE‐Tech MS 

20. What color did the solution turn?  ______________________________ 

21. What does the new color of the solution indicate?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

22. Why does it take a shorter time to change the color of the indicator solution with your breath 

after you exercise? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

23. Is it possible to compare the results from one member of the group to the other? Why or why  

not? _______________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

24. How would  you need  to modify  the procedure  to  reliably  compare  the  results  from each 

member of the group or even class? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 283: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  281  CIJE‐Tech MS 

25. In this activity you measured how much CO2 your lungs produce before and after exercise. 

How do you think the amount of CO2 your lungs expel relates to the amount of energy your 

body needs before and after the exercise? How does it relate to the amount of O2 your lungs 

took in before and after the exercise?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

26. Write a sentence relating these three things: oxygen consumption, energy production, carbon 

dioxide expulsion.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. While we know that oxygen is needed to produce energy in your body’s cells, why do you 

think your body needs to expel carbon dioxide? Base your answer on what you know CO2 

does when found in solution.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. How do the results of your inquiry compare to those of other members in your group? In your 

class? Discuss the reasons they are similar or different. Consider whether the differences are 

caused by gas exchange or experimental design. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 284: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  282  CIJE‐Tech MS 

29. In this inquiry, are you measuring precise amounts (quantitative data) or are you comparing 

your results and qualifying what you observe (qualitative data)? Explain.  

__________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

LUNG STRUCTURE 

30. What does the model shown to you represent?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

31. To what two body systems does the diaphragm belong? Explain your answer for each system? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

32. What is the function of the diaphragm in the respiratory system? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 285: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  283  CIJE‐Tech MS 

33. Put the following words in order to indicate the path oxygen takes from the air outside of 

your body to the inside its cells: 

BRONCHIOLES  BLOOD  MOUTH/NOSE  ALVEOLI  TRACHEA  BRONCHI 

 

BUILD A LUNG 

34. What is the main difficulty you faced when designing your model of the respiratory system?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

35. How did you solve it? Did you have multiple possible solutions? How did you arrive at the 

design you decided to build? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

36. Create a similarities and differences table in the Notes section to write down how your model 

is the same as an actual chest cavity and how it is different. Consider both the function and 

the structure of your model and that of a human chest cavity, as discussed in class. 

 

1

2

3

4

5

6

Page 286: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 32. Respiration and Lungs 

Student Workbook  284  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 287: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  285  CIJE‐Tech MS 

MODULE 33. RESPIRATION, FERMENTATION AND PHOTOSYNTHESIS 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

What  is  the  connection 

between  the organisms on our 

planet?  They  are  all  different, 

yet they all depend on the same 

energy  currency:  ATP.  They  all 

need  to  go  through  a  process 

during which they exchange CO2 

for  O2  or  vice  versa.  They  all 

need carbohydrates in one form 

or  another  and  for  different 

reasons  –  some  to  maintain 

structure,  some  as  a  source  of 

energy. 

CELLULAR RESPIRATION  

All living cells exchange gases. Cells of complex organisms, such as yourself, other animals and 

plants respire to produce energy, which they need for the many processes that take place inside 

the cell. This allows the organism to perform the functions essential to its survival.  As you may 

already know, animals breathe to provide oxygen for the process of cellular respiration. 

 CELLULAR RESPIRATION 

http://www.lamission.edu/ 

 

Page 288: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  286  CIJE‐Tech MS 

Cells take up oxygen and use it to make ATP. ATP is a very special molecule that  is extremely 

important to all organisms, since it provides the necessary energy. In this process cells use up 

oxygen, water and some form of fuel molecule (usually a type of sugar) and produce ATP and 

carbon dioxide.  

C6H12O6 + 6O2  6CO2 +6H2O + energy (heat and 38ATP molecules) 

It is obvious why animals need energy. We need to move, think, breathe. All that requires the 

cells in our brain, our muscles and other organs to perform complex functions. But why do plants 

need energy? The most important function that plants go through is to produce seeds of some 

sort that will ensure that the next generation of plant will come about in the future. Making seeds 

and protecting them takes a lot of energy! 

ELEPHANT RUN. POMEGRANATE TREE. YEAST CELLS 

FERMENTATION 

Yeast is a live unicellular fungus the work of which you encounter every day at breakfast, lunch 

and dinner when you place a piece of bread in your mouth. Without yeast, or rather the process 

of fermentation it goes through, you would be eating maza all year round. In the section above, 

you  learned  about  cellular  respiration.  You  now  know  that  living  organisms  need  oxygen  to 

respire. What happens when there isn’t much oxygen available? What about organisms that just 

don’t need the same amount of ATP as produced in cellular respiration? What about organism 

that just don’t “know” how to perform cellular respiration?  

WHAT A DIFFERENCE YEAST MAKES: CHALA AND MAZA. 

Page 289: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  287  CIJE‐Tech MS 

Yeast is one of the organisms that “knows” how to perform both fermentation and respiration. 

However, it prefers to ferment. Yeast consumes glucose and oxygen and produces alcohol and 

CO2. 

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2+ 2ATP 

Another organism that performs fermentation is also unicellular. The results of this you consume 

as yogurt or sauerkraut. This organism is a bacterium called lactobacillus. It prefers lactose (sugar 

found in milk) as a source for energy. Instead of alcohol, this organism makes lactic acid, which 

turns milk into yogurt and makes cabbage sour.  

C6H12O6  2C3H6O3 + 2ATP 

OTHER PRODUCTS OF FERMENTATION: YOGURT AND SOURCROUT 

PHOTOSYNTHESIS 

Why is it that we are concerned with wasting 

paper? Is it paper that we are worried about 

losing?  Or  the  trees  that  are  used  to make 

paper? Trees, and all other plants, use carbon 

dioxide to make glucose, which they use for 

cellular respiration and to make cellulose, for 

structural purposes. In the process of making 

glucose, plants also make oxygen, which they 

don’t  need  in  the  same  incredible  amounts 

that  animals  need  to  survive.  An  average 

human needs about 50L of oxygen per hour. 

Two mature  trees  produce  1‐year  supply  of 

oxygen for a family of 4.  

 

TREE’S ROLE IN CONVERTING CARBON DIOXIDE AND OXYGEN IN THE AIR WE BREATHE 

Page 290: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  288  CIJE‐Tech MS 

The fewer trees there are, the less oxygen there is available for all animals, not just humans. In 

addition  to  releasing  oxygen,  don’t  forget  that  trees  consume  carbon  dioxide.  This  is  also 

important because high concentrations (overall amount in the overall air) of can negatively affect 

animal’s breathing, even if there is a lot of oxygen available. So, what do you think? Should we 

keep trees around? 

PHOTOSYNTHESIS 

VOCABULARY 

Adenosine Triphosphate (ATP) 

Breathing 

Cellular respiration 

Yeast 

Fermentation 

Chloroplast 

Chlorophyll  

Photosynthesis 

Carbohydrate 

Oxygen 

Carbon dioxide 

MATERIALS  

Materials for Part I: Cellular Respiration (size)  Quantity per group  

  Test tubes (________________)  4‐6 

  Stoppers or Parafilm  4‐6 

  Rehydrated seeds  As needed 

  Dry seeds (for observation)  10‐20 seeds 

  Indicator solution   As needed 

  Test tube rack  1‐2 

  Label tape   

  Permanent marker   

Page 291: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  289  CIJE‐Tech MS 

Materials for Part II: Fermentation in Yeast (size)  Quantity per group  

  Test tubes 25mm X 150mm  3‐4 

  Plastic test tubes, 15ml, graduated  3‐4 

  Yeast packets  3‐4 

  Water  As needed 

  Sugar  As needed 

  Thermometers  3‐4 

 

Materials for Part III: Photosynthesis (size)  Quantity per group 

  Test tubes 25mm X 150mm  3‐4 

  Rubber stoppers #4, with hole  3‐4 

  Pipette tip (1ml)  3‐4 

  Elodea plant (sprig)  3‐4  

  Water + baking soda solution  As needed 

  Test tube rack  1‐2 

  Light source  1 

  Stop watch  1 

PART I: CELLULAR RESPIRATION 

OBSERVING THE SEEDS 

In this section you will observe the result of cellular respiration in seeds. To allow seeds to be 

stored, they are dehydrated. Which means, water is removed from them to prevent the seeds 

from  going  through  cellular  respiration,  sprouting  and  growing.  In  order  to  observe  cellular 

respiration, seeds must be rehydrated.  

 

Page 292: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  290  CIJE‐Tech MS 

1. Your teacher will place seeds you will use for the inquiry in water over night to allow the seeds 

to absorb water – rehydrate. Note the difference in seeds’ appearance and texture before 

and after they have been rehydrated. Draw a dry seed and a rehydrated seed or seeds below. 

Write down the differences in the space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

2. Next you will set up the respiration chambers. Remember that you are planning to observe 

cellular respiration in a plant. Answer the following questions before proceeding: 

3. What gas do you expect to produce? _____________________________________________ 

4. What color do you expect the indicator to become as seeds go through cellular respiration?  

Explain. ____________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

5. What controls do you need to set up?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 293: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  291  CIJE‐Tech MS 

6. Observe the set‐up of the respiration chambers for the sprouting seeds. Make a diagram or 

drawing of the set up in the space below. Make sure to record the color of the solution, since 

it will be the indicator of gas exchange taking place.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

INQUIRY 

7. Design a comparison inquiry in the space below. Answer the following questions to help in 

your design: 

8. What variables can you compare in this inquiry?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. What do you expect to be different? Write a hypothesis. Don’t forget to explain why you think 

your hypothesis might be true.  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 294: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  292  CIJE‐Tech MS 

10. How long do you expect to observe the seeds to see change? At which points in time will you 

record your observations? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. Draw a diagram of your set up below.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

DATA COLLECTION AND ANALYSIS 

12. Design a table to record the data you collect from your inquiry in the space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 295: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  293  CIJE‐Tech MS 

PART II: FERMENTATION IN YEAST 

OBSERVING THE YEAST 

In this section of the inquiry you will observe the process of fermentation performed by yeast.  

a. Yeast needs sugar and warm temperature to perform fermentation. Look at the set‐up steps below. They are in an incorrect order. Consider what yeast needs and rewrite the steps in the correct order.  

b. Your teacher will perform the steps in the order on which you decided.  

c. Observe. If the steps are correctly ordered, you will observe gas being produced. 

d. Discuss with class what the correct order might be and what may result if no fermentation is taking place. Write possible outcomes below. 

Yeast set up 

13. Place a number to the left of each step indicating the correct order to perform the experiment 

______ Pour the contents of the beaker into a test tube 

______ Attach the mouth of the balloon to the neck of the test tube 

______ Add one packet of yeast, mix well and wait for 2 minutes 

______ Add 50ml of recently boiled water (70C to 80C), stir well and wait 2 minutes 

______ Use a rubber band or tape to secure it 

______ Add 3 teaspoons of sugar to the test tube 

______ Add 50ml of room temperature water to the test tube 

INQUIRY 

14. Next, you will design, perform and analyze an inquiry in a team. Before you join your team, 

write down what factors you think could change the amount of CO2 the yeast would produce 

by fermentation: 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 296: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  294  CIJE‐Tech MS 

Next, you will  join your team and discuss which ONE factor you will test.  Before you perform 

your inquiry, discuss and answer the following questions: 

15. What is the independent variable? _______________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. What is the dependent variable? ________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. What are your constants? ______________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. What is/are your control(s)? ____________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. How will you measure your result? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. What is your hypothesis? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 297: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  295  CIJE‐Tech MS 

21. Write up the protocol for your inquiry, complete a materials table, draw a diagram of the set 

up, and design a table to collect your data. Show your protocol and diagram to your teacher 

before receiving materials for your inquiry. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 298: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  296  CIJE‐Tech MS 

22. Perform the inquiry; record data; build a graph of your results in the space below 

                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

PART III: PHOTOSYNTHESIS IN ELODEA 

OBSERVATION OF ELODEA PLANT  

In this section you will observe photosynthesis performed by 

the plant often used in aquariums.    

Your teacher will  set up the plant  in water with baking soda 

dissolved in  it. The chemical name for baking soda is sodium 

bicarbonate  and  its  formula  is  NaHCO3.  Notice,  that  it  has 

carbon  in  its  formula. Sodium bicarbonate dissolves easily  in 

water. Because of that, baking soda is a good source of carbon 

for the plants to use during photosynthesis.  

   

Page 299: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  297  CIJE‐Tech MS 

23. Observe  gas  production  during  photosynthesis  in  your  teacher’s  set  up.  Record  your 

observations in the space below. Draw a diagram of the set up at the start and finish of the 

observation. 

                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

24. Record possible questions you have about the set up and what you are observing. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

INQUIRY 

Next, you will design, perform and analyze an inquiry in a team. Before you join your team, write 

down what factors you think could change the amount of O2, which Elodea would produce by 

photosynthesis. Next to each factor write down how you think the amount of O2 will change with 

the change in this factor – your hypothesis. Remember that a hypothesis is not a guess. It must 

be based on what you have learned about photosynthesis and how it works. 

Page 300: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  298  CIJE‐Tech MS 

25. Join your team and discuss which ONE factor you will test. 

26. Using the materials provided to you, design and assemble the apparatus for measuring the 

volume of O2 produced by Elodea.  

                                          

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Before you perform your inquiry, discuss and answer the following questions: 

27. What is the independent variable? _______________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. What is the dependent variable? ________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

29. What are your constants? ______________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 301: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  299  CIJE‐Tech MS 

30. What is/are your control(s)? ____________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

31. How will you measure your result? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

32. What is your hypothesis? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

33. Decide on the procedure you will follow (in the space just below) and design a table to collect 

your data (in the space of section f). Show your apparatus, procedure and data table to your 

teacher before moving forward. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 302: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  300  CIJE‐Tech MS 

34. Measure volume of O2 produced by elodea plants and record it in your table 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

CELLULAR RESPIRATION 

35. What is the name of the energy molecule organisms on our planet use?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

36. Write a general formula for the cellular respiration process. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 303: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  301  CIJE‐Tech MS 

37. What gas is consumed in the process of cellular respiration and what gas is released? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

38. What experimental result confirms your answer to the question above?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

39. What are the important controls that had to be considered when running a comparison  

inquiry? ____________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

FERMENTATION IN YEAST 

40. What gas is consumed in the process of fermentation in yeast and what gas is released?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

41. What experimental result confirms your answer to the question above?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 304: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  302  CIJE‐Tech MS 

PHOTOSYNTHESIS 

42. Why is photosynthesis also called the process of carbon fixing (or fixation)?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

43. What does the plant need in order to go through the process of photosynthesis? What did 

your teacher include in the set up to provide these essential ingredients? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

44. What gas is consumed in the process of photosynthesis and what gas is released?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

45. Why do we observe the gas accumulating at the top of the test tube (and not elsewhere in 

the beaker)? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

46. What three components are needed to produce fire? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 305: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  303  CIJE‐Tech MS 

47. What do you need to prove that oxygen gas was produced in the Elodea set up and not some  

other gas? __________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

48. What would you expect to see if the seeds in your cellular respiration inquiry were performing 

photosynthesis in addition to cellular respiration?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

WHOLE MODULE ASSESSMENT 

49. Which process produces the largest number of ATP molecules? 

___________________________________________________________________________ 

50. On  the  following  page,  fill  in  the  table  to  compare  and  contrast  the  process  of  cellular 

respiration, fermentation and photosynthesis. 

51. Choose a statement to defend:  

a. Cellular respiration and Photosynthesis are independent of each other.  

b. Cellular respiration and Photosynthesis depend on each other.  

Use the information you gained in the process of this module to defend the statement you 

chose and critique the opposite statement. 

   

Page 306: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 33. Respiration, Fermentation and Photosynthesis 

Student Workbook  304  CIJE‐Tech MS 

Cellular respiration  Fermentation  Photosynthesis 

     

  

 

 

 

         

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 307: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  305  CIJE‐Tech MS 

MODULE 34. THE SENSE IN SENSES 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION TO THE SENSES 

Are you familiar with Ben & Jerry’s ice cream? You probably are! What do your senses have to do 

with  it? Well…  it  tastes  really  good.  It  is  sweet  and  chunky. But  are  you  familiar with how  it 

became what  it  is? One  of  the  founders  of  the  company  –  Ben  Cohen,  has  a  severe  case  of 

anosmia. This is a disfunction that affects your sense of smell and taste. 

Ben Cohen cannot taste or smell anything! So how did he contribute 

to the creation of one of the most famous ice cream companies? He is 

responsible  for  the  chunkiness  of  the  ice  cream.  Ben  Cohen  relies 

purely on how the ice cream feels. Since ice cream itself doesn’t have 

a  very  interesting  texture,  the  founders of Ben &  Jerry’s decided  to 

make it interesting, by adding the different textures of crunchy nuts, 

thick  cookie  dough,  gooey  caramel,  fluffy  marshmallows,  brittle 

chocolate, and so much more to their ice cream pints. Can you think of 

what the different feels of the Ben & Jerry ice cream types are?  

In this module you will re‐discover your senses and the organs that are responsible for them. 

1. Read the article below independently. Pay attention to details. As you are reading, underline 

or highlight words that should be included in the Vocabulary section.  

The five senses of the body  include sight, hearing, taste, smell, and touch. Human beings and 

most other animals use the five senses to help them live and experience the world around them. 

The senses also help people to learn, protect themselves, and to enjoy the differences between 

foods, sounds, and other experiences a person has in life. The senses also work together to give 

you a clear picture of the activities around you. 

The  first  sense  is sight, which depends on  the eyes. People use  their eyes  to  see  the people, 

objects, and other items around them. Of course, the sense of sight is also helpful for reading, 

traveling, driving, and moving from place to place each day. Inside the eye there are special lenses 

that take in light to help people see things. If it is too dark, a person will have trouble seeing. The 

eyes can also adjust to the amount of light available. Many people, though, young and old, may 

also need glasses to help them see clearly. Some people may be able to see things up close, but 

not far away, which means they are nearsighted. If a person can see far away but not up close, 

they are farsighted.  If a person  is blind,  there are special books written  in braille which helps 

them feel the raised letters. Some blind people also have special dogs to help guide them from 

place to place in their home and when they go places. 

Page 308: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  306  CIJE‐Tech MS 

 

          DIAGRAM OF THE EYE      DIAGRAM OF THE EAR 

The second sense, hearing, depends on the ears. There are actually three parts of the ear, the 

outer ear, middle ear, and the inner ear. The outer ear is the part other people can see. The outer 

ear catches the sound waves as they travel to the person and then sends them into the ear. The 

outer  ear  acts  like  a  funnel  collecting  the different  sounds  a  person experiences.  The middle 

ear contains  the eardrum and several bones which transfers sound from the outer ear  to  the 

inner ear. The inner ear consists of tubes and passages that takes the sound vibrations and sends 

it to your brain for understanding. 

   

DIAGRAM OF THE NASAL CAVITY              THE SKIN 

The third sense, smell, depends on your nose. Inside the nose there is a substance that takes the 

fumes of an odor and then sends it to the brain. If a person gets a cold the sense of smell may 

not be as strong. The nose also helps clean the air a person breathes by filtering it. Inside the 

nose there are tiny hairs, called cilia, which act as cleaners to help keep substances in the air from 

entering a person's body through the nose. In addition, the nose affects the way a person speaks. 

If a person holds their nose while speaking, their voice will sound different. Smell also helps with 

the sense of taste. As a person tastes the food in their mouth, the aroma of the food enters a 

person's nose. 

Page 309: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  307  CIJE‐Tech MS 

The  next  sense, feeling,  or  touch,  can  be  experienced  throughout  the  entire  body  through  a 

person's skin. Some parts of the body are more sensitive to touch than other parts. The skin has 

parts in it that collect information and sends it the brain. Most of a person's feeling is done by 

the hands. In addition, when a person has a stomach ache or feel other kinds of pain, the sense 

of touch is working from inside the body. 

The final sense, taste, comes from the taste buds on a person's tongue. As stated earlier, the 

sense of smell also affects the sense of taste. The tongue tastes five different flavors: salty, sweet, 

sour, bitter and savory (also called umami). Many foods a person eats may be a combination of 

the five main flavors. The tongue can also feel whether something in a person's mouth is hot, 

cold, creamy, crunchy, or dry. 

 

THE MANY USES OF TONGUE. 

In summary, the five senses are sight, hearing, smell,  feeling, and taste. The five senses work 

together to help you live, protect yourself, learn, and enjoy the world around you. 

http://www.softschools.com/ 

2. Write down two facts about each sensory organ and its sense below: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 310: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  308  CIJE‐Tech MS 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

3. Your ears are also responsible for your sense of balance. Why do you think it is important to 

talk about sense of balance in addition to your other five senses? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

4. In addition to the six senses you just read about, other senses include sense of temperature, 

pain, pressure and motion. What organs do you think are involved in these senses? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

VOCABULARY 

5. Create a list of words that you think need to be included in this section as you move through 

the  module,  starting  from  the  reading  you  have  already  completed  finishing  with  your 

independent research project.  

Page 311: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  309  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

VOCABULARY             

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

MATERIALS  

Material (size)  Quantity per group  

  Eye cover (personal, provided by each student in group)  2 

  Sweet, sour, salty, bitter cups set  1 

  Stirrers  8 

  Jelly Belly’s (5 in a cup)  2 

  Skewers   3‐7 

  Pencils  1‐3 

  Ruler   1 

  Meter stick  1 

Page 312: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  310  CIJE‐Tech MS 

SENSE‐STATIONS 

Working in groups of two, go through each of the stations and record your observations. You do 

not need to follow any particular order of stations, unless your teacher directs you to do so. Make 

sure to find the right station in your notes before starting to record your observations. Only go 

to  a  station  that  is  not  occupied  by  another  group  of  students  (pink  tables).  Complete  the 

observations at your desk for the stations that have a “*” after their letter (green tables). If all 

the other stations are occupied, work on one of the stations that can be done at your desk.  

As you go through each station, record the sense(s) you think you will be exploring and which 

sensory organ(s) you think is(are) involved in completing the activity at that station. Feel free to 

change your answer as you go through the activity or during the whole class discussion after the 

activities have been concluded. 

For some of the activities you will need to cover your eyes. Please use your own personal eye 

cover to avoid spreading personal oils and bacteria to your classmates.  

 

Station 

A How good is your 20/20? 

Sense(s)  

Organ(s)  

6. Stand 3 meters away from the eye chart (aka Snellen chart)  

7. Cover your right eye with your hand (don’t close your eye,  just cover  it), read the  lines of 

letters  one  at  a  time,  while  your  partner  is  confirming  that  you  are  reading  the  letters 

correctly. Stop on the line where you make at least 2 mistakes or cannot recognize at least 2 

letters. Record your data. 

8. Repeat with your left eye. Record your data. 

LEFT EYE:  

Line with 2 or more mistakes ____________   vision ____________________  

RIGHT EYE:   

Line with 2 or more mistakes ____________   vision ____________________  

DON’T MAKE ANY CONCLUSIONS ABOUT YOUR VISION WITHOUT SEEING AN 

OPHTHALMOLOGIST – AN EYE DOCTOR. 

Page 313: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  311  CIJE‐Tech MS 

Station 

B Can you see what you see? 

Sense(s)  

Organ(s)  

9. Hold the pencil with a circular pattern attached to it vertically. Ask your partner to spin it as 

fast as possible. Look at the rotating pattern. Record your observations below. Illustrate, if 

necessary, for description. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. Your teacher will have the Ishihara Color Blindness Plates available for you to examine (either 

on line or printed out). Record what you see on the plates. If you see a number, record what 

number it is and its color. If you see lines, record how many of them you see, their color and 

shape. If you are not seeing any particular shape, put an “X” in the space. Do not change your 

answers. 

1  2  3  4  5  6  7 

8  9  10  11  12  13  14 

15  16  17  18  19  20  21 

PLEASE DON’T MAKE ANY CONCLUSIONS ABOUT YOUR VISION WITHOUT SEEING AN 

OPHTHALMOLOGIST – AN EYE DOCTOR. 

Page 314: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  312  CIJE‐Tech MS 

Station 

C What was that?! 

Sense(s)  

Organ(s)  

11. Stand  in  the  center  of  the  circle  on  the 

floor 

12. Cover your eyes with your eye cover 

13. Ask  your  partner  to  stand  on  the  circle 

perimeter in one of the 4 locations 

14. When you are  ready,  ask  you partner  to 

say  your  name  using  their  inside  voice. 

You must  indicate where your partner  is 

standing  by  pointing  only.  Your  partner 

will  record  (IN  YOUR  BOOK)  whether  or 

not  you  correctly  identified  the  location 

from where the sound was coming. 

FRONT  BACK  RIGHT  LEFT 

       

15. Repeat for your partner 

PLEASE DON’T MAKE ANY CONCLUSIONS ABOUT YOUR HEARING WITHOUT SEEING AN 

OTOLARYNGOLOGIST – AN EAR, NOSE AND THROAT DOCTOR. 

   

Front 

Left 

Back 

Right 

Page 315: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  313  CIJE‐Tech MS 

*PLEASE INFORM YOUR TEACHER IF YOU HAVE AN ALLERGY TO ANY FOODS OR SUBSTANCES. 

16. Close your eyes (or cover with your eye cover) 

17. Your partner will place a  stirrer with a  substance on  the  tip of your  tongue. Then discard 

(throw out) the stirrer without dipping it back into the cup. 

18. Pay attention to what you are tasting.  

19. Tell your partner whether you are tasting something sweet, sour, salty or bitter. 

20. Your partner will record your response (IN YOUR BOOK) in the table below. 

 

Substance A     

Substance B     

Substance C     

Substance D     

21. Check the answers with your teacher when the entire class finished testing. 

   

Station 

D* How sweet it is…. 

Sense(s)  

Organ(s)  

Page 316: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  314  CIJE‐Tech MS 

*PLEASE INFORM YOUR TEACHER IF YOU HAVE AN ALLERGY TO ANY FOODS OR SUBSTANCES. 

22. Place 5 jelly beans on your chart below.  

23. Describe each jelly bean in the second column. 

24. Pinch your nose closed with fingers so that no air is coming in through it 

25. Put one (only one) Jelly Belly in your mouth and chew for 10 seconds 

26. Without opening your nose, take a note of what you are tasting 

27. Record what flavor you think the jelly bean is 

 

Jelly 

number 

What are you 

seeing? 

What will it 

taste like? 

What does it taste like  

(while your nose is closed)? 

Jelly Belly 

flavor 

1         

2         

3         

4         

5         

 

   

Station 

E*  JELLY BEANS!!!!! 

Sense(s)  

Organ(s)  

Page 317: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  315  CIJE‐Tech MS 

Station 

F* Pewwwww! 

Sense(s)  

Organ(s)  

*PLEASE INFORM YOUR TEACHER IF YOU HAVE AN ALLERGY TO ANY FOODS OR SUBSTANCES. 

28. Cover your eyes with your eye cover 

29. Your partner will bring a cup with different substances close to your nose. Say what you think 

you are  smelling. You can describe  the  smell  if  you do not  recognize  the  substance. Your 

partner will record your answer (IN YOUR BOOK). 

30. Repeat for all cups 

31. Your teacher will reveal the identity of the substances once every group has finished testing. 

Record if you identified the substance correctly.  

Substance A     

Substance B     

Substance C     

Substance D     

Substance E     

Substance F     

Substance G     

Substance H     

Substance I     

 

Page 318: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  316  CIJE‐Tech MS 

Station 

G* Can you count to two?  

Sense(s)  

Organ(s)  

DO NOT PLAY AROUND WITH SHARP, POINTY OBJECTS! 

32. Prepare  the  testing  devices  (see  picture).  Record  the  distance  between  the  points  of  the 

skewers in the last two devices.  

a. one skewer: _______ mm apart 

b. two skewers taped on opposite sides of a pencil: _______ mm apart 

c. two skewers taped with two pencils in between: _______ mm apart 

 

POSSIBLE DESIGN FOR TOUCH POINT RECOGNITION DEVICES 

33. In this activity, your partner will lightly touch your skin on different locations on your body. 

Before proceeding, discuss with your partner and cross out (in your book) the locations where 

you do not want to feel the skewers  

34. One at a time, cover your eyes with your eyes cover 

35. Ask your partner to touch each agreed on location at a time with each of the three devices 

you prepared, mixing up the order. Do not try to guess. Just say what you are feeling. 

36. After each touch, tell your partner if you are feeling one or two points.  

   

Page 319: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  317  CIJE‐Tech MS 

37. Your partner will record your answer (IN YOUR BOOK) and if you identified the number of 

points correctly. 

Body part 

1 point  2 points ___ mm apart 2 points ___ mm apart

What did you 

feel  X / √

What did you 

feel  X / √

What did you 

feel  X / √ 

Forearm             

Thumb             

Palm             

Upper arm             

Back of hand             

Upper lip             

Cheek             

Back of neck             

Ankle             

             

38. Record any reflections on this activity. What did you notice about the ability of the different 

portions of your skin to distinguish between one and two points? Did the distance between 

the points affect how well you were able to detect the number of points? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________    

Page 320: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  318  CIJE‐Tech MS 

Station 

H Hot or cold? 

Sense(s)  

Organ(s)  

39. Cover your eyes with your eye cover 

40. Place your hands on the table in front of you 

41. Your teacher will wipe your hands twice  

42. Each time determine whether you feel cold or warm 

43. Your teacher will tell you whether you identified the temperature correctly 

COLD    WARM   

 

Station 

I Dreidel, dreidel, dreidel…. 

Sense(s)  

Organ(s)  

COMPLETE THIS STATION ONLY UNDER YOUR TEACHER’S SUPERVISION, ONE AT A TIME AND 

IF YOU ARE COMFORTABLE WITH GETTING SLIGHTLY DIZZY. 

44. Cover your eyes 

45. Spin in one place 5‐6 times in the same direction 

46. Uncover your eyes and write down what you feel once you are comfortable 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

47. Repeat with your eyes uncovered 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 321: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  319  CIJE‐Tech MS 

Station 

J* Catch me if you can! 

Sense(s)  

Organ(s)  

In this activity you are testing your reaction speed. Perform the trials one person at a time.  

48. Ask your partner to stand on a chair and hold the meter stick up by the upper tip, so that 

100cm mark is facing up 

49. Stand at two arms lengths away from your partner. Start with your dominant arm. Record 

which arm you are testing Left or Right. Extend your arm perpendicularly (at 90‐degree angle) 

to your body. Open your hand around the meter stick, but not touching it. Ask your partner 

to adjust the height of the meter stick so that the 20cm mark is just above your index finger 

50. When you are ready, your partner will let go of the meter stick 

51. You need to catch the stick without bending your arm as fast as you can 

52. Record the centimeter mark that is just above your index finger when you caught the stick 

53. Record the results on the whole class table 

  R or L Trial 

Trial 

Trial 

Trial 

Trial 

Improved or 

not? Average

Dominant arm                 

Non‐dominant 

arm                

 

 

 

   

Page 322: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  320  CIJE‐Tech MS 

INTRODUCTIONS TO THE NERVOUS SYSTEM 

What  organ  in  your  body  do  you  think  is 

responsible for receiving and processing all the 

senses and telling your body how to respond?  

How  is  it  that  what  you  are  feeling  (seeing, 

tasting, smelling, etc.) makes you respond? Do 

you respond differently to different things you 

are  sensing? What makes  you  respond?  How 

does it work? Who or what is in charge? 

 The most  important organ  in our body  is our 

brain.  It  controls  the  functions  of  all  the  other  organs,  its  development  is  reflected  in  our 

behavior, our emotions, and damage to our brain is irreparable, at least for now. The brain does 

that by sending and receiving messages on the highway of the spinal cord. The brain and the 

spinal cord together make up the central nervous system. 

Even though it is so powerful, our brain relies on our senses to provide it with the information to 

which it then generates a response. Because, believe it or not, our brain, by itself, cannot feel 

anything, not even pain! (Headache? That’s actually the tissue that covers the brain that hurts, 

not the brain itself.) Our senses, as you found out are very many. Each one generates a different 

response in different people. Whereas one person might  like the taste of sour patch, another 

might prefer the taste of coffee. One person might enjoy a scary movie, while another might not 

like that type of stimulus. The way we respond to different stimuli (things that engage our senses) 

depends on our development, experiences and genetics. The stimuli coming into our body from 

outside are called external stimuli. When you have a stomach ache or when your muscles hurt 

after strenuous exercise, you experience  internal stimuli. Our brain must respond to these as 

Page 323: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  321  CIJE‐Tech MS 

well.  Many  of  the  internal 

stimuli  we  don’t  even  think 

about.  Those  are  hunger, 

being  sleepy,  fear,  love, 

anxiety, etc.   All of  these are 

triggered  by  our  body  going 

through  its  daily  routine  and 

experiences  in  its 

surroundings. 

Our sensory system is a part of 

the  peripheral  nervous 

system. 

Our brain is able to collect the 

information and respond to it because every part of our body is connected to it with neurons. 

Neurons are very special types of cells that are able to receive, transmit and send messages, like 

wires in a machine. Also, like wires, neurons create a network in our bodies. Different types of 

neurons are responsible for different messages and different connections.  

 GENERAL STRUCTURE OF A NEURON. 

BruceBlaus ‐ Own work, CC BY 3.0,

There are small and large neurons, long and short, simple and incredibly complex. The brain is 

actually a collection of 100 billions of neurons, extremely well organized and interconnected in 

just the right way. When that right way gets disrupted, the body fails to function properly. Again, 

like wires, neurons pass the signals from one to another at special connections. In the case of 

Page 324: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  322  CIJE‐Tech MS 

neurons, those connections are called synapses. 

Synapses  are  essential  in message  transmission.  Each neuron  receives  a message  from other 

neurons at multiple synapses. It then moves the message through its cell body to the synapse 

where  it  is  going  to  send  the  message  on  to  another  neuron.  Each  message  has  a  specific 

destination. Every sensory organ we talked about already contains many sensory neurons that 

respond to the external stimuli specific to them. The messages that originate in sensory neurons 

then travel through the spinal cord and to the brain through multiple neurons and the brain then 

responds by sending a message of its own. Most commonly, the brain sends two main messages 

to respond to external stimuli. One is a message carried by motor neurons. Motor neurons are 

very long and convey the messages very quickly. They are responsible for moving a body part. 

For example, if the brain receives a message that says you are smelling something foul, your brain 

will send a message for you to move away from the smell, cover your nose and loudly announce 

that you are not pleased. The other message the brain sends will initiate a formation of memory 

that will remind you every time you smell the same thing that you’ve experienced it before.

There is one type of message that allows you to respond without waiting for the brain to respond. 

Because sometimes, no matter how fast the brain’s networks are, waiting for the brain takes too 

long. These messages are usually ones that signal that your body is in danger. For example, if you 

touch something really hot, your hand jerks away way before you say “ouch!”. This is because 

there are reflex centers in your spinal cord that connect your sensory neurons almost directly 

(with just one neuron away) to motor neurons. These motor neurons are the ones responsible 

for what we know as the jerk reflex. In general, we call reflexes any movement reaction that is 

not controlled by the brain.  

In this activity you will pick a part of the nervous system that interests you, research it and create 

a model. You will then demonstrate and discuss this particular part of the nervous system to the 

rest of the class. Remember, that you will be the expert on the part of the nervous system you 

picked.  You will  be  responsible  to  teach your  classmates about  its  importance,  structure and 

function. If you have time, research what happens when this system malfunctions.  

VOCABULARY 

Brain 

Spinal cord  

Neurons 

Synapses 

Stimulus (stimuli) 

Response 

Internal stimulus 

External stimulus 

Central nervous system 

Peripheral nervous system 

Motor neurons 

Sensory neurons 

Reflexes

Page 325: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  323  CIJE‐Tech MS 

MATERIALS 

As you are planning your model and building it, record the materials you are using to create it. 

Record the material, and how much of it you are using (use the Notes section if you need more 

space). Some materials may be provided by your teacher. Some materials you should plan on 

brining from home. Focus on using recycled materials. Avoid using single use plastics as much as 

possible. Recycle the materials at the end of your project. 

Material (size)  Quantity  

  Scissors  1‐2 

  Glue or other adhesive available  As needed 

     

     

     

     

     

     

     

     

MODELING THE NERVOUS SYSTEM 

1. Sketch your design in the space below. As you are sketching, think: 

a. of materials you might need to create each portion of the model. Create a preliminary list of materials on the side of your sketch. 

Page 326: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  324  CIJE‐Tech MS 

b. What part of the nervous system are you designing? 

c. Is your model going to represent an organ or a set of neurons? 

d. What is the organ or set of neurons you are designing responsible for carrying out? 

e. Think of what the implication of damage to this organ or set of neurons would be. What would be the outcome? How can it be addressed? Is there technology available that fixes the damage to this particular system? 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

2. In your group (or on your own, if you are working independently), decide what materials you 

might want to use to build your model. Test the materials for durability, flexibility, and how 

well they are able to adhere where necessary with the adhesives that are available for you to 

use.  Build your model. As you are building, add the materials to the materials table, along 

with the amounts you are using. 

Page 327: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  325  CIJE‐Tech MS 

3. When your model is complete. Create a drawing of it below or on a larger piece of paper. Be 

ready to demonstrate your model and discuss what each part represents, to what part of the 

nervous system it belongs, what is its function, etc.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

4. Think of what senses you use on a daily basis to get yourself ready for school. List at least 5 

with the sensory organs you use to experience them.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 328: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  326  CIJE‐Tech MS 

5. Think of people who are deficient or lack a particular sense.  What would someone need to 

do if one of the senses was not functioning properly or was absent altogether? Choose one 

sense and write a paragraph about how life would be different without that sense and what 

adaptations an individual would have to go through to go through daily tasks. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

6. Think about how your sense of sight can affect your perception by any other sense. Write 

down an example. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

7. Think about how your sense of hearing can affect your perception by any other sense. Write 

down an example. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 329: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  327  CIJE‐Tech MS 

8. What do you think smells (odors) are?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. How do you think smells (odors) get to the cilia in our nose?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

10. Were you able to tell the flavor of the jelly bean with your nose closed? Why do you think 

that is? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. How many different tastes can our tongue distinguish? ______________________________ 

12. How many different scents can our noses distinguish?  ______________________________ 

13. Why do you think our sense of taste needs to depend on both sensing tastes and smells? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Why does food seem tasteless when you have a cold? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 330: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  328  CIJE‐Tech MS 

15. Think about how your sense of taste can affect your perception by any other sense. Write 

down an example. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

16. Think about how your sense of smell can affect your perception by any other sense. Write 

down an example. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

17. In  what  situations  is  balance  extremely  important? Why?  How would  impaired  sense  of 

balance affect an individual in these situations? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

18. Think about how your sense of balance can affect your perception by any other sense. Write 

down an example. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 331: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 34. The Sense in Senses 

Student Workbook  329  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES             

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 332: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  330  CIJE‐Tech MS 

MODULE 35. HABITAT DESIGN AND POPULATION DENSITY 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

In this lab you will observe and learn about a live creature that lives closer to you than you might 

think. You might have seen these “bugs” on the ground near your home or you might have heard 

about them from friends. You might also remember cartoons you watched when you were little 

that  illustrate  their most distinct  feature. They are generally  called  roly polies  for one simple 

reason – they roll up into a ball when scared or threatened. And guess what! They are not bugs 

at all! In general, we call bugs anything that crawls, but specifically bugs are insects. Roly polies 

or pill bugs do crawl in small spaces, but they are not insects at all. In fact, they are very closely 

related to marine (water dwelling) creatures called crustaceans that use gills to breathe and have 

hard shells on their bodies for protection. Two other crustaceans with which you are most likely 

familiar are lobsters and shrimp. 

Look  at  the  pictures  below  and  find  similarities  and  differences  in  the  appearances  of  these 

creatures. As you look at the pictures and when you get a chance to observe the live roly polies 

in  this  lab, notice  the  features  that prove  their belonging  to  the class of  crustaceans and  the 

features that mistakenly group them with insects. 

  ROLY POLY                SHRIMP         ANT 

Roly polies live almost on every continent but have their origins in Europe. Because of their wide 

distribution they are what we call a cosmopolitan species. Even though they can live in nearly any 

climate, they do have their requirement for survival. Pill bugs prefer to be active in the dark. They 

also prefer moist, but not very wet soil. They feed on decaying (another word for rotting) flesh of 

fruit, vegetables and other plant material. Based on those requirements, try to imagine where 

you would and would not see these creatures.  

On a sunny day,  if you  find a spot under a  tree that  is watered regularly and  is covered by a 

boulder. If you lift the boulder just a bit, you will find that the soil is teaming with life. Among the 

insects and worms, you are also likely to see some roly polies. In this activity, you will find out 

what possible factors will affect where these creatures are more or less likely to be found, based 

on how you change the environment of their habitat. 

Page 333: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  331  CIJE‐Tech MS 

VOCABULARY 

Insect 

Crustacean 

Arthropod 

Legs 

Antennae 

Terrestrial 

Marine 

Nocturnal 

Population density 

Cosmopolitan species 

Habitat

MATERIALS 

As you are working on designing and building the habitat, add the materials you are using and 

their amounts in the available spaces in the materials table. 

Material (size)  Quantity per group 

  Food containers (8oz)  3‐6 

  Scissors   1 pair 

  Masking tape  As needed 

  Various materials to differentiate from the original habitat  As needed 

  Pill bugs in a container with soil  10‐30 

  Craft stick  1 

  Water  As needed 

  Timer  1 

  Laboratory  materials  to  create  the  habitat  (pipettes, 

cotton balls, glue, etc.) 

As needed 

     

     

     

     

     

     

     

     

     

Page 334: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  332  CIJE‐Tech MS 

PART I: GETTING TO KNOW THE PILL BUGS 

1. Your teacher will provide you with a text to read, which will allow you to collect information about the pill bugs. In the space below, write down 10 facts about these organisms that you find while reading the article. 

2. Discuss the facts you found with the class. Add any facts you missed. Your teacher will also give you additional facts that were not included in the text you read. Add them to your list. 

3. In the space below or on a separate sheet of paper, create a cartoon to illustrate one of the facts you listed above. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 335: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  333  CIJE‐Tech MS 

4.  Share the cartoon you drew with your neighbor. Could they guess which fact you illustrated? 

5. Your teacher will provide your group with one or two pill bugs to observe in a clear container 

filled with soil. In the space below, create a list of things you notice about these crustaceans 

as you observe them. Note the following features: movements, interactions with each other 

(if have more than one), interactions with its environment, etc. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

6. Using a craft stick, carefully transfer one pill bug into an empty clear container. Do not handle 

pill bugs with your hands. Close the container and tape the lid so that it does not fall off when 

you are observing the organism. Draw a pill bug from the top, from the bottom and from the 

side when it is not rolled up. If your pill bug rolls up, draw it rolled up as well. Be as specific 

and precise as possible in your illustrations. As you observe the pill bugs in the clear container, 

add notable  features  to the  list above: color, size  (in centimeters), number of body parts, 

antennae, legs, eyes, segments of thorax, notable appendages, etc. Use additional paper, if 

necessary.  

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 336: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  334  CIJE‐Tech MS 

PART II: DESIGN AND BUILD A PILL BUG HABITAT 

In this part you will test different environments pill bugs prefer over others. Remember that it is 

your responsibility to design environments that are not meant to hurt or damage the pill bugs. 

When  building  the  habitat  with  different  environments,  remember  to  not  leave  any  tape 

exposed, as pill bugs will get stuck on the glue of  the tape. Also remember that pill bugs will 

escape through holes you leave in your structure, so make sure to cover all openings. 

7.  Individually, write down 2‐4 ideas for variations in environments you would like to test with your group. Keep in mind that the materials for your design need to be readily available in your class or home. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Before you begin to design the habitat, decide with your group which variables you will keep constant and which variables you will change. Keep in mind that for your data to be reliable, you need to test environments which change only across one modality, such as smell, amount of light, temperature, acidity, salinity, etc.  

Discuss the following questions in a group to better inform your design: 

8. Which variable will you change? _________________________________________________ 

9. Which variable will remain the same? ____________________________________________ 

10. How many pill bugs will you test? ________________________________________________ 

11. Where will you animals originate? _______________________________________________ 

12. What data are you going to collect? ______________________________________________ 

13. How long will your trial last? ____________________________________________________ 

14. How many trials will you be able to run? ___________________________________________ 

Page 337: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  335  CIJE‐Tech MS 

15. In  the  space  below,  write  down  ideas  your  classmates  and  you  have  for  the  different 

environments of your habitat: 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

16. In the space below, draw a design for the habitat you are going to build for the pill bugs. Label 

where each variable will go. Where will your control environment be? 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 338: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  336  CIJE‐Tech MS 

17. Write down the hypothesis for your upcoming experiment. Which environment do you think 

the Pill Pugs will choose and why? Base your hypothesis on the  information you collected 

during your reading and observations. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

TESTING 

Before proceeding to test, answer the following questions: 

18. What modality are you testing? _________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. What variable are you testing? __________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. How many variations of one variable are you testing? ________________________________ 

21. How many test runs are you going to have? ________________________________________ 

22. How long is each test run? ______________________________________________________ 

23. Will you have time to re‐design and re‐test your habitat? If not, what is the reason? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

24. Where are you going to dispose of your test subjects when your experiment is complete? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 339: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  337  CIJE‐Tech MS 

25. In the space below, create a table to record the results of your test. Remember to account 

for the number of environments you designed and the number of trials you will run. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

When you receive the container with your test subjects from the teacher, make sure to disturb 

them as little as possible. Handle the bugs with care when transferring them into your testing 

habitat. Make sure to place the pill bugs into the control container to begin the test run. Avoid 

touching the bugs and the habitat during the test run.  

26. Why do you think it is important to avoid touching the pill bugs during the test? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 340: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  338  CIJE‐Tech MS 

27. Why is it important to place the bugs in the control container at the start of the test? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

28. Write down how many pill bugs you receive to test your habitat: _______________________ 

29. Run the test. Observe and record what you see in the Notes section. 

30. In the space below, create a bar graph to reflect how many pill bugs you found in each of the 

environments you created in your pill bug habitat. If you were able to do multiple test runs, 

include them in the graph. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 341: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  339  CIJE‐Tech MS 

31. Discuss the results of your test with the rest of the class. Record your observations of the results reported by the other groups in the space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

32. In the space below, record and describe what you think you could improve in the design of your habitat.   Draw a diagram if necessary. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 342: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  340  CIJE‐Tech MS 

ASSESSMENT QUESTIONS 

ANSWER THE FOLLOWING QUESTIONS AFTER READING THE TEXT PROVIDED TO YOU BY 

THE TEACHER. 

33. Why was the organism you observed given names such as roly poly and pill bug? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

34. What does nocturnal mean? What behavior do nocturnal animals exhibit during the night and during the day? What other nocturnal animals do you know? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

35. What is the difference between a pill bug and a sowbug? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

36. What is a marsupial? What other marsupials do you know? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

37. What do you think the following terms mean: 

a. Thorax      _______________________________________________________________ 

b. Abdomen _______________________________________________________________ 

c. Uropods.  _______________________________________________________________ 

Page 343: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  341  CIJE‐Tech MS 

38. How many thoracic segments and how many pairs of legs do newborn pill bugs have? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

39. Define molting, based on what you read. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

40. What does a newborn pill bug generate (grow) as a result of the first molt? Second? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

41. What do you think the word “brood” mean? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

42. Will a pill bug survive better in a desert or in a forest? Explain your reasoning. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

43. Do you think pill bugs will prefer soil with drops of orange juice or baking soda dissolved in water sprinkled over it? Explain your thinking. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 344: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  342  CIJE‐Tech MS 

44. If you have a vegetable garden in your backyard, which vegetables could you find damaged if there is a pill bug infestation? How could you prevent such an infestation? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ONCE  YOU  HAVE  BUILT  AND  TESTED  YOUR  HABITAT,  REVIEWED  THE  RESULTS  OF 

TESTING  FROM  OTHER  GROUPS  AND  DECIDED  WHAT  YOU  WOULD  HAVE  LIKED  TO 

CHANGE ABOUT YOUR DESIGN, ANSWER THE FOLLWING QUESTIONS. 

45. What was the preferred environment in your test? How do you know? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

46. Which environment was least preferred by pill bugs in your test? How do you know? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

47. How could you make your test more reliable? Give at least 3 ways and explain each. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 345: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  343  CIJE‐Tech MS 

48. If you were making a terrarium (living space for small land animals) for pill bugs, what would you  use  as  materials  to  create  an  optimal  environment  for  your  house  guests?  What conditions and materials should you avoid? Base your answer on the observations you made with your group and what you learned from observations made by other groups. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

49. Based on what you read and experienced, what factors do you think make up a habitat of a particular species? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

50. What are the requirements for a healthy habitat for roly polies? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   

Page 346: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  344  CIJE‐Tech MS 

AFTER  YOUR  TEACHER  DISCUSSES  POPULATION  DENSITY  WITH  YOU,  ANSWER  THE 

FOLLOWING QUESTIONS. 

51. Calculate population density in each one of the environments you created at the start of the test and at the end of the test. Make sure to include the units. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

 

52. How could your calculations inform your decision to create a natural environment for roly polies?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

53. If you were creating an outdoor habitat for roly polies which condition or conditions would you choose to create it such that it would have the largest population density of roly polies. Base your answer on the observations your group made, and also on the  information you collected  from your  reading and  the observations made by other groups. How would  this habitat be different from an indoor terrarium? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 347: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 35. Habitat Design and Population Density 

Student Workbook  345  CIJE‐Tech MS 

           

NOTES            

 

 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

Page 348: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  346  CIJE‐Tech MS 

MODULE 36. GRAVITY, RELATIVELY 

STUDENT NAME __________________________________   DATE ___________________ 

INTRODUCTION 

Sir  Isaac  Newton  was  a  brilliant 

mathematician  and  physicist  who  was  the 

first person to theorize that force of gravity 

is the reason why planets move around stars 

in  described  orbits  instead  of  randomly 

through space. He also worked out the laws 

of Physics that govern why, how, how much 

and where things move – the law we know 

as the Three Laws of Motion.   

You  also  are  most  likely  familiar  with  the 

man  on  this  picture,  the  fact  that  he  was 

born  on  Pi  day  and  that  his  Theory  of  Relativity  revolutionized  mathematics  and  physics. 

However, even though you know very well what gravity is, you probably don’t know what the 

Theory of Relativity is and why it is so important. 

 

In  this  module,  you  will  discover  the  basics  of  Einstein’s  theory  and  why  it  is  at  odds  with 

Newton’s theory of gravity! Now, don’t panic! Apples and other fruit will still fall down. You are 

not about to float out to space just because Newton was wrong in some of his theories. His laws 

of motion are  still  laws! His  theory about gravity,  although describes what happens on Earth 

rather well…. Seems to have some holes. With that said, since his theories are just that… theories, 

they can and were amended by Einstein to be more precise and to apply to all of Universe, rather 

than to just us Earthlings. 

Page 349: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  347  CIJE‐Tech MS 

1. Discuss in class and write down the definitions for the following important scientific terms: 

a. Hypothesis ‐ _____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

b. Theory ‐ _________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

c. Scientific Law ‐ ____________________________________________________________ 

________________________________________________________________________ 

2. What, of those three, comes first? Second? Third? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

3. What is the difference between a theory and a law: 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

   BERESHEET SELFIE WITH PLANET EARTH  FIRST EVER PICTURE OF A BLACK HOLE  

https://phys.org/    https://www.independent.co.uk/  

Page 350: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  348  CIJE‐Tech MS 

You might have heard in the news lately these three headlines: 

LIGO detects gravitational waves from two distant black holes colliding! (2015) 

Israel sends a lunar lander! (2019) 

First picture of a black hole is compiled by scientists. (2019) 

Even if these discoveries and observations might seem far away and not important for your life 

on Earth, our scientists and politicians spend a significant amount of money and time on finding 

out how things work in space. The reason for this is that our planet, whether we want or not, 

whether we are aware of  it or not,  is  affected by what happens out  there  in  space.  For  that 

reason, space exploration continues, and we will hear more and more discoveries made in our 

lifetime.  

VOCABULARY 

Hypothesis 

Theory 

Scientific law 

Space 

Star 

Planet 

Moon 

Orbit  

Gravity 

Spacetime 

Escape  velocity

MATERIALS  

Write down the materials your teacher used to create the Gravity table: 

Material (size)  Quantity per class 

     

     

     

     

Materials for Escape velocity demonstration: 

Material (size)  Quantity per group 

  magnet  1‐2 

  Ball bearings or bb’s  5‐10 

  Cardstock paper sheet  1 

  Plastic lid  1 

  Masking tape  As needed 

Page 351: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  349  CIJE‐Tech MS 

DATA COLLECTION AND ANALYSIS 

4. As you observe the demonstrations, record your observations with text and pictures in the 

space below. 

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

                                         

ASSESSMENT QUESTIONS 

BOTTLE DROP 

5. What causes the water to leak out of the bottle? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

6. What causes the bottle to fall when you let it go? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 352: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  350  CIJE‐Tech MS 

7. Why is the water not leaking out of the bottle when it is falling? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

8. With what speed are you moving when you are sitting still on an airplane? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

9. How is your speed on the plane relates to water in a leaky bottle? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

ESCAPE VELOCITY TROUGH 

10. As the ball rolls through the trough, what is making it speed up? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

11. As the ball rolls through the trough, what is making it slow down? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 353: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  351  CIJE‐Tech MS 

12. Why does the ball stick to the magnet? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

13. Why is a ball that moves fast able to escape the pull of the magnet? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

14. Which energy is allowing the ball to escape? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

15. Amount of which energy is increased when the end of the trough is lifted? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

MIRROR, MIRROR… LENSING 

16. What do you see in the mirror?  

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 354: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  352  CIJE‐Tech MS 

17. Is what happens to light from the effects of gravitational lensing the same as what mirrors do 

to light? Explain your thinking. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

GRAVITY TABLE 

18. Is spacetime made of actual fabric? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

19. What does the fabric of the gravity table represent? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

20. What do the marbles represent? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

21. What mass does the object have to be to have an effect on spacetime?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 355: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  353  CIJE‐Tech MS 

22. In a two‐object system, which has an effect on the other: the larger or the smaller of the two 

objects? 

___________________________________________________________________________ 

23. What does the large sphere in the center represent? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

24. What does an object with mass do to the fabric of spacetime? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

25. Is light affected by spacetime warping? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

26. Write a paragraph relating the speed of a marble to the path it is going to take around the 

large central sphere. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

27. Is what happens to planets and moons moving in various directions a theory or law? Explain 

your thinking. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 356: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  354  CIJE‐Tech MS 

28. Why do moons orbit their planets? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

29. What does the string stretched from one side of the table to the other represent? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

30. Will we observe a distant star in the same or different location in the sky whether the sun is 

in the sky (during an eclipse) versus at night? Explain your thinking. 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

31. Which path is less complicated and costly for a space shuttle to take: a straight line from Earth 

to the Moon or a figure 8?  Why? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

BLACK HOLES. 

32. What are black holes? 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

___________________________________________________________________________ 

Page 357: CIJE‐Tech MS Grade... · Coordinator of Middle School Curriculum Katherine Owuor, Ph.D. Coordinator of Educational Advancement and Grants Erin Wasserman, M.S. CIJE STEM Specialists:

Module 36. Gravity, relatively 

Student Workbook  355  CIJE‐Tech MS 

 

 

 

 

         

NOTES