Эксперимент

Конструирование приборного оснащения учебного эксперимента

В.В.БЛАГОДАРНЫЙ,
ГОУ ВПО Борисоглебский ГПИ, Воронежская обл.

bvv_2004@land.ru

Конструирование приборного оснащения учебного эксперимента

Общие подходы

Действительное мышление формируется в реальной жизни именно там – и только там, – где работа языка неразрывно соединена с работой руки – органа непосредственно-предметной деятельности. Не руки, рисующей на бумаге буквы, слова и «высказывания», а руки, делающей вещи, т.е. изменяющей упрямый, неподатливый и своенравный материал, только тут и обнаруживающий свою объективную – не зависимую ни от слов, ни от готовых «образов» природу, характер, «строптивость». Только тут предмет и проявляет себя как вещь в себе, заставляя считаться с собой больше, чем со словами и «визуализирующими» эти слова «схематизмами». Только таким путём, очевидно, и можно надеяться одолеть вербализм и снять проблему «применения знаний к жизни» как проблему, самим же школьным образованием создаваемую.

Э.В.Ильенков. Философия и культура (М.: Политиздат, 1991)

Несмотря на разнообразие конструкций, можно рекомендовать опробованные нами в течение десятилетий подходы (приёмы) изготовления конструкций физических приборов в учебных мастерских силами учащихся.

1. Наиболее простой подход – разработка приборного оснащения «по образцу», т.е. «копирование» уже выполненного эксперимента. Он может трансформироваться в модификацию эксперимента, в частности, когда нет требуемых описанием приборов и приспособлений. Разработка эксперимента по аналогии с известным требует вдумчивого отношения к конструкторской и технологической сторонам, скрытыми зачастую за особенностями физических законов, лежащих в основе работы физического прибора.

2. Использование существующих физических приборов по иному назначению (полифункциональное использование имеющегося физического оборудования). Это эффективный приём, т.к. применение готовых приборов, приспособлений, их элементов даёт очевидную выгоду: экономия времени на изготовление, трудозатрат и материалов. Более того, анализ может выявить новые подходы к постановке эксперимента.

Например, поиск наглядной демонстрации механизма электрического сопротивления в металлах по классической теории электропроводности привёл к необходимости изготовления модели металла как упорядоченной совокупности препятствий для движения шариков – моделей носителей тока. Однако изготавливать модель не пришлось – пригодилась стандартная доска Гальтона, с которой сняли защитное стекло и установили под углом к горизонту (рис. 1). Вплотную к отсекам устанавливается легко удаляемая заслонка из картона или оргстекла. В каждый отсек закладывается металлический шарик. При удалении заслонки шарики скатываются вниз под действием силы тяжести. Соударяясь с гвоздями (атомами решётки) и друг с другом, шарики (электроны) проходят «поле гвоздей» (проводник) 5.

Рис. 1. Положение доски Гальтона при моделировании электрического сопротивления металлов

После введения аналога электрического напряжения (величина, пропорциональная углу ) и электрического тока (величина, пропорциональная количеству шариков, прошедших «поле гвоздей») удалось не только моделировать взаимодействие электронов и кристаллической решётки при наложении электрического поля, приводящее к образованию электрического сопротивления, но и показать, что при таком взаимодействии справедлив закон Ома.

3. Использование подручных средств, бытовых приборов и аппаратуры. Этот подход привлекает учителей и учащихся своей доступностью. Использование упаковок бытовых приборов в качестве заготовок, каркасов, коробок, корпусов и т.п. позволяет заменить дорогостоящие, дефицитные детали и материалы, снизить трудоёмкость изготовления приборов, укрепить связь учебного предмета с жизнью, активизировать учащихся при выполнении домашних экспериментальных заданий. Например, успешно используются прозрачные пластиковые бутылки из-под различных напитков ёмкостью 2,0; 1,5; 1,0; 0,5 л с герметичной пробкой, медицинские шприцы, трубки, измерители давления.

На рис. 2 представлена схема прибора для определения длины волны колебаний источника звука методом резонанса. Вместо дефицитных стеклянных трубки и сосуда в нём использованы две пластиковые бутылки. Источник звука – камертон – возбуждает колебания в столбе воздуха, заключённого внутри пластиковой бутылки 1, у которой отрезаны горловина и донышко так, что получилась труба почти постоянного диаметра. Уровень жидкости в этой бутылке регулируется (с целью получения резонанса) перемещением пластиковой бутылки 2, у которой отрезана верхняя часть. Все элементы прибора закрепляются на одном штативе.

Рис. 2. Схема прибора для определения длины волны звуковых колебаний

Резонансная высота столба воздуха оказывается соизмеримой с диаметром трубы 1, что позволяет получить мощный звук. Длина волны находится по формуле где R – радиус трубы 1; n = 1, 3, 5, …, L – резонансная высота столба воздуха.

Сложная бытовая техника также находит своё место в учебном эксперименте. Например, демонстрацию свойств электромагнитных волн мы проводим в дециметровом диапазоне длин волн, используя в качестве передатчика видеоплеер или видеомагнитофон с дециметровым высокочастотным выходом, а в качестве приёмника – цветной телевизор. Передающая антенна подсоединяется к высокочастотному выходу видеоплеера, приёмная антенна – к антенному входу телевизора. Реализованы следующие опыты: излучение и приём электромагнитной волны; экранирующее действие проводника и отражение волны от препятствия; определение поляризации электромагнитной волны; определение длины волны; демонстрация принципа радиолокации [1]. При этом в отличие от демонстраций с помощью штатного комплекта для изучения свойств электромагнитных волн, устанавливается тесная связь с хорошо знакомыми учащимся теле- и радиовещанием, бытовой электроникой.

4. Использование стандартных элементов и комплектующих. Этот подход позволяет унифицировать, упростить, снизить трудоёмкость, удешевить, повысить надёжность конструкции, и, как правило, расширить область физического эксперимента. В качестве примера приведём четыре унифицированных конструкции учебных приборов с использованием в качестве камеры-нагревателя стандартного электроэлемента – резистора типа С5-35В (ПЭВ) мощностью не менее 50 Вт, номинальным сопротивлением (51…100) Ом. Проволочный эмалированный влагостойкий резистор представляет собой керамическую трубку, обмотанную проволокой с высоким удельным сопротивлением и покрытую снаружи слоем стеклоэмали. Резистор имеет выводы для припайки соединительных проводов. Внутренний диаметр керамической трубки резисторов около 20 мм, длина 90 мм, что позволяет разместить в полости резистора термометр (например, типа ТЛ-2) и необходимые для эксперимента элементы.

На базе разработанных унифицированных конструкций приборов поставлены четыре лабораторные работы, нагрев осуществляется с помощью источника электропитания типа В-24: «Изучение зависимости сопротивления металлов (полупроводников) от температуры» [2], «Приборы для исследования температурной зависимости поверхностного натяжения жидкости» [3], «Определение удельной теплоты парообразования жидкости» и «Изучение теплового расширения твёрдых тел» (описаны ниже).

Схема прибора для определения удельной теплоты парообразования жидкости представлена на рис. 3. Нижняя часть резистора 1 плотно закрывается резиновой пробкой 2. Резистор устанавливается в центре жестяной банки подходящего размера 3 (для резистора мощностью 50 Вт подходит банка из-под кофе диаметром 110 мм и высотой 120 мм). Гибкие изолированные проводники 4 пропускаются через изоляционную втулку 5 и служат для подключения к источнику питания. Пространство между резистором и банкой заполняется кусочками пенопласта 6 для теплоизоляции. Крышка 7 фиксирует содержимое банки. В полость резистора заливается испытуемая жидкость 8. Верхний конец резистора закрывается легко вынимающейся пенопластовой пробкой 9, через которую проходит отводная трубка 10. Конец трубки опущен в съёмный стаканчик для сбора жидкости 11, который устанавливается в кронштейн, припаянный к банке. Масса стаканчика определяется до начала эксперимента.

Имея вольтметр и амперметр, легко контролировать мощность P = UI, выделяемую резистором при нагреве. Измерение проводится в следующей последовательности: включаем источник питания и нагреваем жидкость до кипения, при этом пар выходит через отводную трубку, которая опущена в стаканчик; запускаем секундомер; фиксируем по приборам силу тока I и напряжение U; спустя несколько минут (время t) источник выключаем; определяем массу сконденсированной в стакане жидкости m; рассчитываем удельную теплоту парообразования по формуле = IUt/m.

Прибор для изучения теплового расширения твёрдых тел (рис. 4) позволяет измерить коэффициент линейного теплового расширения металлических стержней из стали, меди, латуни, дюраля. В нём используется резистор мощностью 75 или 100 Вт длиной 140 или 170 мм соответственно. Стержень из исследуемого материала 1 фиксируется в полости резистора 2 с помощью фторпластовых шайб 3 на концах. Резистор крепится к основанию 4 (крепление не показано) через теплоизолирующую прокладку 5 так, что нижний конец стержня упирается в теплоизолирующую прокладку 6, а другой конец – в ножку часового индикатора 7, который фиксируется в основании с помощью стопорного винта 8. Термометр 9 через отверстие в нижней фторпластовой шайбе вставляется и фиксируется в полости резистора. Прибор можно располагать и горизонтально.

Все представленные приборы экономичны и позволяют быстро осуществлять нагрев, что сокращает время проведения работ. При этом прогрев полости резистора равномерен. Время подготовки приборов к эксперименту незначительно. Низкие напряжения питания, малое количество нагретой жидкости делают приборы безопасными при эксплуатации в отличие от известных приборов, где используются бытовые электроплитки и большие объёмы нагретой жидкости.

5. Замена вещества, материала или среды в готовых физических приборах. Этот подход, кроме решения очевидных экономических проблем, позволяет коренным образом изменить эксперимент, сделать его более наглядным. Например, известна демонстрация образования прямого вихря [4]. Воздух над поверхностью воды приводится во вращение быстро вращающейся крыльчаткой, размещённой на некоторой высоте над поверхностью в цилиндре из пластиковой двухлитровой бутылки, который, с одной стороны, защищает экспериментатора, а с другой, позволяет концентрировать осевой воздушный поток. Воздушный вихрь захватывает воду и поднимает её в виде восходящего смерча. Нам, однако, не удалось показать образование вихря, хотя мы располагали крыльчатку непосредственно у поверхности воды. Удача пришла, лишь когда вместо воды мы использовали шарики из пенопласта. Для большей наглядности часть шариков мы покрасили. Заметим, что представление жидкости совокупностью макрочастиц широко применяется для решения задач гидроаэромеханики (в отличие от молекулярно-кинетической теории, рассматривающей молекулы жидкости).

6. Замена поступательного движения вращательным. Зачастую обеспечить поступательное перемещение деталей приборов затруднительно из-за низкого качества изготовления деталей в учебных мастерских, большой трудоёмкости их изготовления, отсутствия необходимых материалов и т.п. Мы разработали физические приборы, где поступательное движение деталей заменено вращательным без ухудшения качества эксперимента.

Рассмотрим прибор для демонстрации распространения поперечных волн. В известных волновых машинах движение частиц среды моделируется вертикальным перемещением шариков 1 (кружочков и т.п.) при поступательном горизонтальном перемещении криволинейного шаблона 2 (рис. 5) [5]. Толкатели двигаются в направляющих 4, которые закреплены в двух стойках 5. В их пазах по основанию 6 и скользит шаблон.

Мы неоднократно пытались воспроизвести эту конструкцию, но столкнулись с необходимостью обеспечения высокой точности и качества обработки трущихся поверхностей, что в условиях учебных мастерских недостижимо. В нашей модели (рис. 6) кружки («частицы» среды) 1 перемещаются по дугам окружностей в пазах лицевой панели 2 [6]. Кружки закреплены на стержнях 3 из упругой стальной проволоки (диаметр 2 мм, длина 300 мм). Другие концы стержней наглухо заделаны в деревянный брусок 4. Брусок и лицевая панель, укреплённая уголком 5, установлены на основании 6. На нём же закреплены направляющие 7, по которым перемещается шаблон 8. Движение кружков видится как вертикальное, поскольку угол поворота стержней мал.

Рис. 6

В волновых машинах типа «Волна», выпускаемых промышленностью, вместо шаблона используются эксцентрики, закреплённые на вращающемся валу и обеспечивающие вертикальное перемещение толкателей. В другой нашей конструкции (рис. 7) также используются эксцентрики 3 (ось вращения 4), которые поднимают длинные стержни из оргстекла 2, способные свободно вращаться вокруг оси 1. Их окрашенные торцы имитируют на передней панели 5 вертикальное перемещение частиц среды.

Рис. 7

В качестве ещё одного примера представим прибор, заменяющий известный прибор Тиндаля для демонстрации различной удельной теплоёмкости металлов [7]. Прибор Тиндаля довольно трудоёмок в изготовлении. Три цилиндра одинаковой массы из алюминия, латуни и стали устанавливаются в съёмной обойме, в которой они и помещаются в сосуд для нагревания. Кроме того, имеется устройство для закрепления и сбрасывания нагретых цилиндров на парафиновую пластину.

В нашем устройстве (рис. 8) цилиндры 1–3, укреплённые на стальных штоках 4, перемещаются по дугам окружностей с центром на неподвижной оси 5. Откинутые в направлении стрелки А цилиндры попадают в сосуд для нагревания. Нагретые цилиндры откидываются на скобу 6 и её поворотом в направлении стрелки Б сбрасываются на парафиновую пластину 7. Преимущество предложенной конструкции не только в простоте. Учащиеся видят торцы цилиндров и следят за глубиной их погружения в пластину, при этом детали конструкции прибора не отвлекают внимания.

Рис. 8. Прибор для демонстрации различной удельной теплоёмкости металлов: а – вид спереди; б – вид сбоку

Литература

1. Благодарный В.В., Черногорский А.В. Опыты с электромагнитными волнами дециметрового диапазона: В сб. «Проблемы учебного физического эксперимента», вып. 6. – Глазов-СПб: Глазовский ГПИ, 1998.

2. Благодарный В.В. Использование резистора типа ПЭВ в качестве камеры-нагревателя. – Физика в школе, 1996, № 6.

3. Благодарный В.В. Приборы для исследования температурной зависимости поверхностного натяжения жидкости. – Физика («ПС»), 2004, № 46.

4. Жуковский Н.Е. Основы теории вихрей. – Квант, 1971, № 4.

5. Глазырин А.И. Самодельные демонстрационные приборы по физике и опыты с ними. – М.: Учпедгиз, 1960.

6. Благодарный В.В. Модель для демонстрации поперечных волн. – Учебная физика, 2003, № 2.

7. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Ч. 1: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1978.

8. Благодарный В.В., Лаптев С.Н. Прибор для демонстрации теплоёмкости тел. – Учебная физика, 1999, № 1.