Марафон-2005

В.Ф.Шилов,
ИСМО, г. Москва

Физическая лаборатория на ладони

Сейчас появились цифровые приборы, которые как по функциям, так и по точности измерений превосходят все существующие в кабинете физики средней школы аналоговые измерительные приборы. К таким приборам относится многофункциональный цифровой мультиметр VC9808 (рис. 1). Он обеспечивает измерение переменных и постоянных токов и напряжений, сопротивления, ёмкости, индуктивности, частоты и температуры в довольно широких пределах. С его помощью можно проверять исправность электрических цепей («на слух») и полупроводниковых диодов, непосредственно измерять статический коэффициент усиления n–p–n- и p–n–p-транзисторов. В комплект входят два длинных провода с щупами разного цвета и термопара. мультиметром не рекомендуется пользоваться вблизи источников сильных электромагнитных полей и при больших перепадах температуры. Лучше всего перед началом измерения устанавливать переключатель функций на максимальный предел.

Мультиметр впервые в школьной практике открывает возможность прямых измерений сопротивления, ёмкости, индуктивности, частоты как в лабораторном, так и в демонстрационном вариантах. Это значит, что отпадает необходимость сборки сложных электрических цепей с источниками переменного и постоянного токов, применения косвенных, порой весьма сложных, методов измерения и вычисления; появляется возможность ставить достаточное количество демонстрационных опытов в старших классах; усиливается интенсивность обучения за счёт перевода части лабораторных опытов в число демонстрационных, сокращается время на выполнение физического практикума и обновляется его тематика.

Покажем это на конкретных примерах. Нам понадобятся нестандартные, но имеющиеся почти в каждом кабинете физики детали из набора для сборки простейшего радиоприёмника. Этот набор (рис. 2) состоит из конденсатора переменной ёмкости, двух конденсаторов постоянной ёмкости (150 пФ и 1000 пФ), двух электролитических конденсаторов (5 и 10 мкФ), трёх резисторов (22 кОм, 47 кОм, 1,2 МОм), точечного германиевого диода Д2Б, двух транзисторов МП-41 и двух контурных катушек. Катушки намотаны на один цилиндрический пластмассовый каркас диаметром 30 мм, укреплённый на изолирующей панели с четырьмя зажимами (рис. 3). Около зажимов сделаны обозначения: ДВ (длинные волны) и СВ (средние волны). Катушка ДВ намотана внавал проводом ПЭЛШО-0,14 (диаметр 0,14 мм) и содержит 130 витков (ширина намотки 7 мм). Катушка СВ намотана в один слой проводом ПЭЛ-0,31 и содержит 92 витка. В набор также входят головные телефоны и соединительные провода. Этот набор во многих школах сохранился из-за редкого использования (один раз в течение учебного года).

                              

Новая форма проведения лабораторной работы: вначале производится математический расчёт, а затем экспериментально проверяется его правильность. Приводим примеры порядка измерений параметров электрических цепей (кроме измерения омического сопротивления, что и так хорошо известно).

Расчёт и измерение ёмкости батареи конденсаторов. Вначале рассчитывают ёмкость батарей, составленных одна – из параллельно, другая – из последовательно соединённых конденсаторов по параметрам, обозначенных на корпусах. Далее результаты вычислений сверяют с результатами измерений. Для этого на мультиметре переключатель устанавливают на измерение ёмкости (сектор F), конденсаторы разряжают путём замыкания выводов между собой, соединяют их вначале параллельно, а затем последовательно, и выводы каждой батареи конденсаторов соединяют с гнёздами C_xL_x прибора с помощью самодельной вилки с зажимами типа «крокодил» (рис. 4). Считывают показания прибора с дисплея, учитывая при этом установленный предел измерения.

Расчёт и измерение индуктивностей катушек при их последовательном и параллельном соединениях. Переключатель устанавливают в секторе L на предел «20 mН» («20 мГн), в гнёзда «C_xL_x» втыкают вилку (см. рис. 4). Зажимы типа «крокодил» на её свободных концах вначале присоединяют к катушке ДВ и снимают показания с дисплея (1,77 мГн). Аналогичным образом измеряют индуктивность катушки СВ (0,12 мГн). Далее рассчитывают индуктивности обеих катушек: при параллельном включении – по формуле 1/L = 1/L₁ + 1/L₂, при последовательном включении – по формуле L = L₁ + L₂. Полученные результаты проверяют экспериментально путём подключения соединённых катушек к мультиметру. Убеждаются, что при последовательном соединении общая индуктивность катушек равна сумме, а при параллельном – меньше наименьшей.

Измерение частоты. Красный щуп прибора подключают к гнезду «VWHz», чёрный – к «СОМ»; переключатель устанавливают в положение «FRЕQ 10 МHz» (диапазон измерения прибор выбирает автоматически). Свободные концы щупов подсоединяют к источнику напряжения и считывают показания: частоту электрической сети (50...52 Гц), радиосети, звукового генератора, велогенератора, генераторного фонарика (подключают щупы вместо лампочки или параллельно ей). Прибор позволяет «проследить» зависимость высоты тона звукового генератора от частоты.

Измерение температуры. При установлении переключателя в положение «°С» при температуре среды 0°...+40 °С на дисплее появляется значение температуры. Для измерения температуры в интервале –40°...+1000 °С к прибору подсоединяют термопару. Это значит, что можно измерять как в демонстрационном, так и в лабораторном варианте не только температуру таяния льда, но и температуру плавления олова, свинца и других металлов.

Лабораторная работа «Сборка детекторного радиоприёмника»

Цель: собрать из готовых деталей детекторный радиоприёмник и провести его настройку на радиостанцию, используя явление резонанса.

Указания по сборке и настройке приёмника приведены во многих учебниках. Новизна заключается в следующем. После сборки радиоприёмника, его настройки и приёма (прослушивания) радиопередачи отключают из электрической цепи конденсатор переменной ёмкости, оставляя неизменным положение его ротора, и с помощью мультиметра измеряют ёмкость. Зная индуктивность катушки и ёмкость конденсатора, образующих приёмный контур, по формуле определяют длину волны принимаемой радиостанции. Измерив крайние значения ёмкости конденсатора, определяют диапазон принимаемых радиоволн.

---

Валентин Фёдорович Шилов – выпускник Кировского ГПИ 1956 г., отличник народного просвещения, к.п.н. По распределению работал в школе № 7 г. Слободского, где преподавал физику и организовал радиотехнический кружок. Работы кружка выставлялись на ВДНХ и были отмечены медалью. В 1969–1988 гг. работал в НИИ школ МП РСФСР, где, в частности, разработал техническое и методическое решение системы комплексных кабинетов сельской малокомплектной школы, за что удостоен звания «Заслуженный учитель школы РСФСР» и награждён бронзовой и золотой медалями ВДНХ СССР. Автор ряда книг по использованию технических средств обучения, по оборудованию комплексных кабинетов сельской школы, а также научно-педагогических публикаций, в том числе тетрадей для лабораторных работ по физике для 7–11-х классов (всего около пятисот наименований). Соавтор учебников «Физика. Астрономия» для 7–9-го классов под ред. А.А.Пинского, В.Г.Разумовского, учебников «Физика в самостоятельных исследованиях» для 7–9-го классов под ред. В.Г.Разумовского, В.А.Орлова и методических пособий к ним, «Иллюстрированного каталога учебного оборудования для школ: физика, биология, химия, география». Награждён медалью «В память 850-летия Москвы».