Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17, 19/2009

7. Компьютерные физические конструкторы (продолжение)

7.3. Электронный конструктор «Сборка» Д.А.Слинкина, преподавателя информатики Шадринского ГПИ (г. Шадринск, Курганская обл.).

Инструментальная программная система «Сборка» предназначается для изучения законов постоянного тока на уроках физики в 8-м классе средней школы. Отличительной особенностью данной программы является то, что учащиеся видят на рабочем столе не условные обозначения приборов, а самые настоящие приборы, которые во время демонстраций на уроках использовал учитель.

На рис. 1 представлен рабочий стол программы с комментариями для кнопок, расположенных по бокам рабочего стола, и панели приборов, расположенной в нижней его части.

Что может «Сборка»? Очень многое. Она позволяет собирать произвольно разветвлённые цепи постоянного тока, состоящие из самых различных элементов – источников тока, лампочек, резисторов, амперметров, вольтметров, ключей, проводов и т.д. С помощью одной только мышки вы сможете быстро собрать любую электрическую цепь из любого набора приборов и протестировать её в самых различных режимах.

Можно удалять, перемещать, заменять сгоревшие приборы (здесь это тоже случается, как и в жизни), изменять различные внутренние параметры. К вашим услугам всегда краткая аннотация по любому прибору, откуда (если учитель это предусмотрел) вы сможете добраться до нужной главы учебника. Помните основное правило: «Если непонятно, что с этим делать, щёлкни на нём правой кнопкой мыши».

Чего не может «Сборка»? «Сборка» не умеет работать с приборами, параметры которых изменяются под действием электрического тока.

Пример 1. Если подключить к обычной реальной батарейке 10–15 параллельно соединённых лампочек, то, к сожалению, они очень скоро погаснут, т.к. химическая энергия батарейки быстро израсходуется. В «Сборке» же в такой цепи лампочки будут гореть бесконечно долго.

Пример 2. Любой проводник нагревается при прохождении по нему электрического тока. При этом не только выделяется тепло, но и меняется сопротивление проводника. Естественно, что показания всех приборов, подключённых к такому проводнику, через некоторое время работы реальной электрической цепи будут другими. «Сборка» же не учитывает нагревание проводников.

Какие, не изучаемые в 8-м классе, понятия использует «Сборка»? Одним из основных понятий является ЭДС источника тока (электродвижущая сила), которая обозначается буквой . Любой источник тока характеризуется ЭДС, которая численно равна напряжению, измеряемому вольтметром на клеммах источника тока. Можно сказать, что ЭДС – это напряжение, вырабатываемое источником тока. Другим, также немаловажным, понятием является внутреннее сопротивление источника тока. Любой источник тока, как и любой проводник, характеризуется своим сопротивлением электрическому току. Внутреннее сопротивление источников тока обычно очень мало.

Работая со «Сборкой», учащиеся смогут не только собирать электрические цепи, но и решать самые различные задачи, которые вы предложите учащимся.

Познакомимся с методикой работы в данной среде. Как я уже сказал, учащиеся будут работать с реальными изображениями приборов, которые имеются в физическом кабинете. На рис. 2 представлены все приборы, которые имеются в данной лаборатории:

1. Источники тока. Параметры источников тока на рисунке: у левого = 12 В, r = 0; у правого = 4,5 В, r = 0. На панели приборов в папке Источники тока есть ещё один, у которого можно изменять и r в широких пределах.
2. Резисторы, реостаты и лампы накаливания, параметры которых можно изменять в широких пределах.
3. Ключи двух видов.
4. Измерительные приборы: вольтметры с пределами измерений 5 В и 15 В, амперметры с пределами измерений 3 А и 10 А и миллиамперметр на 50 мА.

Обратите внимание на то, что, если на лампочки, вольтметр или амперметр подавать напряжения или силу тока, превышающие параметры этих приборов, то они перегорают: у лампочек чернеет баллон, а у вольтметров и амперметров – шкалы. Но не волнуйтесь, испорченные приборы легко заменить на исправные. Сделать это очень просто: наведите на испорченный прибор курсор и нажмите правую кнопку мышки, появится всплывающее меню, в котором будет операция «Удалить прибор». Наведите на эту фразу курсор и щёлкните левой кнопкой мышки. Прибор с рабочего стола исчезнет. После этого вы сможете поместить на рабочий стол новый прибор.

Чтобы поместить нужный прибор на рабочий стол, необходимо выбрать этот прибор на панели приборов (см. рис. 1), затем мышкой навести на него курсор и щёлкнуть левой кнопкой мышки. Изображение прибора будет «утоплено». Если теперь курсор перевести на рабочий стол, то он примет форму прямоугольника, с крестом внутри. Выберите этим курсором место, на которое вы хотите поместить выбранный вами прибор, и нажмите на левую кнопки мышки – внутри прямо­угольника появится ваш прибор. Таких приборов можно поместить на рабочем столе сколько угодно. После размещения последнего нажмите на правую кнопку мышки – изображение курсора в виде прямоугольника исчезнет. Теперь можно перейти к выбору следующего прибора. Если вы поместили на рабочий стол не тот прибор, то уберите его так же, как и неисправный.

Разместив на рабочем столе все приборы, можно с помощью мышки перемещать их по рабочему столу во всех направлениях, чтобы будущая схема выглядела эстетично и провода, соединяющие приборы, по возможности, не пересекались.

Приборы необходимо соединить проводниками. Для этого наведите курсор, допустим, на клемму источника тока. Если вы сделали это правильно, то курсор примет форму руки с указательным пальцем, указывающим на выбранную вами клемму. Не отпуская левую кнопку мышки, переведите курсор на клемму другого прибора, например ключа, и отпустите кнопку. На рабочем столе появится бледное изображение заготовки проводника. Если вы уверены, что этот проводник вы подсоединили правильно и он вам действительно нужен, то нажмите на левую кнопку мышки ещё раз, и тогда на рабочем столе появится рабочий проводник. Затем точно так же соедините все приборы на рабочем столе. Цвет проводников можно выбрать на панели приборов из папки Провода.

Для замыкания цепи наведите курсор на ключ и нажмите на правую кнопку мыши. Появится всплывающее меню с операцией Замкнуть цепь. Наведите на эту фразу курсор и щёлкните левой кнопкой мышки. Ключ замкнётся. Для размыкания цепи поступите аналогично. В этом случае в всплывающем меню появится операция Разомкнуть цепь.

Теперь можно приступать к опытам. Первый опыт – учебный, поэтому я расскажу о нём очень подробно.

Опыт 1. Сборка и исследование простейшей электрической цепи. Соберём цепь, состоящую из источника тока, лампочки и ключа. Для измерения напряжения на лампочке и силы тока в ней подключим вольтметр и амперметр.

Сначала выберем источник тока. Будем исходить из того, что наши знания по физике соответствуют знаниям ученика 8-м класса и мы не знаем о существовании внутреннего сопротивления источника тока. Допустим, мы выбрали источник тока с = 4,5 В. Поместим его на рабочий стол, как описано выше. Теперь надо выбрать лампочку. Находим в панели приборов папку Лампочки. Заходим в неё, наводим курсор на изображение лампочки и щёлкаем левой кнопкой мышки. Появится всплывающее окно с параметрами лампочек (рис. 3). Анализируя параметры лампочек, приходим к выводу, что нашему источнику тока подходит лампочка с напряжением 3,5 В. Но если её включить в нашу цепь, то она перегорит! Не верите – проверьте.

Поэтому нам подходит только последняя, рассчитанная на напряжение 13,5 В. Но т.к. мы выбрали батарею с = 4,5 В, то лампочка будет гореть очень слабо или вообще не будет. Значит, батарею надо заменить на другую, напряжением 12 В.

Очищаем рабочий стол от «неправильных» или перегоревших приборов и размещаем на нём источник тока на 12 В, лампочку на 13,6 В, ключ и амперметр с вольтметром. Поскольку у вольтметра есть добавочное сопротивление, а у амперметра – шунт (в точности, как у настоящих демонстрационных приборов), при сборке цепи учтите это, иначе они просто будут «отчаянно сопротивляться», и вы их не подключите.

Ещё один важный момент. Строго соблюдайте полярность при подключении вольтметра и амперметра! Если вы её перепутаете, то приборы «перегорят».

На панели приборов в папке Вольтметры имеются два вольтметра: один с пределом напряжения 5 в, а второй – 15 В. Разумеется, выбираем второй.

В папке Амперметры имеются два амперметра и один миллиамперметр. Выбираем амперметр с пределом измерения силы тока 3 А. Сила тока в нашей цепи будет небольшой, и стрелка этого амперметра отклонится совсем немного (рис. 4), но мы его включим для большей наглядности.

Теперь осталось соединить все приборы проводниками в единую цепь. В результате у вас должно получиться то, что изображено на рис. 4. Возможно, у вас получится не так красиво, проводники будут наклонными и не совсем послушными, но я надеюсь, что, немного поупражнявшись, вы их «укротите» и будете рисовать красиво. Замкните ключ и убедитесь в работоспособности собранной вами схемы.

Чтобы детальнее рассмотреть шкалы вольтметра и амперметра и точнее снять показания этих приборов, наведите на них курсор и дважды быстро щёлкните левой кнопкой мышки, – на рабочем столе появится увеличенное изображение прибора, и вы легко снимете точные показания прибора, как это и показано на рис. 5.

Опыт 2. Сила тока в цепи с последовательным соединением проводников. Этот опыт позволит учителю проверить первоначальные знания учащихся по элементарным электрическим цепям. Предложим собрать цепь, изображённую на рис. 6, и спросим: «Как вы думаете, насколько будут отличаться показания амперметров после замыкания ключа?» Очень часто слышишь, что, поскольку ток течёт от «+» источника тока к «–», то правый амперметр покажет самый большой ток, средний – поменьше, а левый – самый маленький, потому что часть тока «потеряется» на правом резисторе, а часть – на левом. После обсуждения учащемуся предлагается замкнуть цепь. К его великому удивлению, все амперметры показывают одинаковый ток. Таким образом, проведя такой эксперимент, учащиеся убедятся, что в последовательной цепи сила тока одинакова. В заключение этот экспериментальный факт можно объяснить с точки зрения электронной теории.

Опыт 3. Качественная задача на закон Ома. Учитель предварительно собирает две схемы, изображённые на рис. 7, и замыкает ключи. Учащиеся видят, что амперметры показывают одинаковую силу тока в обеих схемах. Лампочки совершенно одинаковые и светятся одинаково, следовательно, пять лампочек в схеме № 2 получают гораздо больше энергии, чем одна лампочка в схеме № 1. Почему это происходит ?

После обсуждения приходим к выводу, что в соответствии с законом Ома напряжение (ЭДС) источника тока в схеме № 2 больше, чем в схеме № 1.

Опыт 4. Экспериментально-расчётная задача на последовательное соединение проводников. Учитель предлагает собрать схему по рис. 8 и даёт задания:

1. С помощью вольтметра, имеющемся на рабочем столе, определите напряжения на реостатах № 1, 2, 3 и на источнике тока и, исследуя полученные результаты, сделайте выводы.
2. Рассчитайте сопротивление каждого реостата и общее сопротивление цепи.
3. Подумайте, почему напряжение на реостатах неодинаковое ? От чего оно зависит и почему ?

Данная работа позволит учащимся закрепить свои знания по применению закона Ома и решению задач на последовательное соединение проводников.

Опыт 5. Экспериментальная задача на внимательность. На экран видеопроектора или компьютеров учащихся выводится схема, составленная учителем (рис. 9).

Учитель говорит, что при замыкании ключа № 1 загорится лампочка, свечение которой можно будет регулировать реостатом, а при замыкании одновременно ключей № 1 и 2 реостат будет отключён и лампочка загорится на полную мощность. Предлагается обсудить информацию, а потом провести эксперимент. Естественно, что при замыкании ключа № 2 при замкнутом ключе № 1 лампочка гореть не будет, т.к. источник тока будет замкнут накоротко.

Опыт 6. Экспериментально-вычислительная задача на параллельное соединение. Учащимся предлагается собрать схему по рис. 10. Цепь состоит из трёх ламп накаливания, соединённых параллельно. Амперметр измеряет общую силу тока в цепи. Каким должно быть допустимое сопротивление реостата, чтобы лампы горели в полный накал, не перегорая? Выполнив расчёт, учащиеся устанавливают движок реостата в нужное положение, замкнув цепь, наблюдают за свечением лампочек и показаниями амперметра. Если сопротивление рассчитано верно, амперметр покажет силу тока 0,6 А, и лампы горят полным накалом. В противном случае либо накал не полный, либо лампы перегорают.

Опыт 7. Творческая задача на смешанное соединение проводников. Учащимся предлагается собрать гирлянду из 12 одинаковых лампочек, рис. 11. После сборки цепи необходимо найти такие две клеммы, при подключении к которым источника тока все лампочки будут гореть одинаковым накалом. Учащихся предупреждают, чтобы при работе они соблюдали осторожность. Дело в том, что при неправильном подключении некоторые лампочки могут перегорать, а заменять каждую лампочку можно только 2 раза.

Кроме того, необходимо, во-первых, объяснить, почему иногда при подключении источника тока одна часть гирлянды горит ярче, а другая – слабее и, во-вторых, подобрать из набора лампочек такие, чтобы все они горели максимально ярко, не перегорая.

Опыт 8. Экспериментальная задача на закон Джоуля–Ленца. Предлагается схема (рис. 12): электрическая цепь из двух одинаковых ламп накаливания, соединённых параллельно. Амперметр показывает силу тока в верхней лампе, ЭДС источника тока неизвестна. Надо рассчитать, какое количество теплоты выделяется в лампах за 1 ч. Недостающие данные предлагается найти с помощью вольтметра. Внимательным – дополнительный вопрос: почему одна лампочка горит чуть-чуть слабее другой? Какая это лампочка?

Программа бесплатная. Скачать её можно с сайта shadrinsk.zaural.ru/~sda/project1/index.html. Если у возникнут вопросы, связанные с установкой программы «Сборка» или методикой работы с ней, то пишите мне или автору программы Д.А.Слинкину по адресу sda@shadrinsk.zaural.ru.

Продолжение следует