Эксперимент

Демонстрационный эксперимент по изучению колебаний и волн

Демонстрация на уроке изучаемого физического явления (эффекта, устройства) зачастую не соответствует полностью сведениям, полученным из учебника (или, наоборот, предлагаемый в учебнике материал несколько отличается от увиденного), что препятствует пониманию сущности явления и снижает эмоционально-психологическую убедительность эксперимента. Особенно заметным несоответствие становится, если предметная форма (детали, приборы, устройства) на демонстрационном столе отличается от графической (рисунки, иллюстрации, схемы), приведённой в учебнике. Такое несоответствие имеет объективные причины, одна из которых – недостаточная отработка эксперимента по данной теме. Значение имеет и продуманность иллюстраций в учебнике.

Для изучения тем «Электромагнитные колебания» и «Механические волны» по учебнику [1] нами разработано экспериментальное оснащение, способствующее устранению этих несоответствий.

Фрагмент 1. Демонстрация затухающих колебаний проводится по схеме, предложенной в [2], соответствующей материалу § 28 [1, с. 84]: наблюдаются затухающие колебания стрелки демонстрационного гальванометра (или демонстрационного амперметра), подключённого к отдельной обмотке дроссельной катушки. Период колебаний составляет несколько секунд.

Для изучения способов получения незатухающих колебаний в § 36 вводится понятие автоколебательной системы, реализация которой на основе схемы, демонстрировавшей ранее затухающие колебания, требует введения ключа (клапана) и обратной связи, что поясняется схемой генератора на транзисторе, рис. 1 (дополнительные элементы и обозначения введены нами). Демонстрация работы генератора проводится на генераторах, собранных по другим схемам, например [3, 4], содержащих дополнительные электроэлементы и генерирующие колебания сравнительно высокой частоты, которые регистрируются осциллографом или головкой громкоговорителя. Таким образом, вместо ожидаемых незатухающих колебаний стрелки гальванометра с частотой, примерно равной частоте затухающих колебаний, продемонстрированных ранее, учащиеся наблюдают колебания совсем другого вида, получаемых на схемах, отличных от рис. 1. Тем самым вуалируется роль ключа и обратной связи, а внимание учащихся рассеивается новыми элементами эксперимента.

Нам удалось обеспечить преемственность демонстраций затухающих и незатухающих колебаний, используя схему рис. 1. Подобраны следующие элементы схемы: • VT – транзистор КТ 837 из набора полупроводниковых приборов • C – батарея конденсаторов • L – катушка дроссельная, секция 1200 + 2400 витков • L_св – катушка дроссельная, секция 2400 витков • L₁ – катушка дроссельная, секция 25 витков • ИЭ – источник энергии (типа ВС4-12) • М – магнитопровод (сердечник) универсального трансформатора, замкнутый • РА – демонстрационный гальванометр.

Частота незатухающих колебаний стрелки гальванометра составляет несколько секунд (как и при демонстрации затухающих колебаний), что и ожидали ученики, поскольку схемы отличаются только введением клапана (ключа – транзистора).

Практические рекомендации

• Правильность подключения катушек устанавливается осциллографом. Школьный осциллограф не позволяет наблюдать медленные колебания, поэтому при правильном подключении выводов катушек на экране будут наблюдаться периодические вертикальные всплески (эту процедуру следует сделать заранее, пометив правильное подключение).
• Не следует увеличивать число витков катушки L₁ – пуск генератора затрудняется.
• Можно включить гальванометр последовательно в контур.
• Если генератор не запускается, можно переключить тумблер источника питания.
• Зависимость частоты колебаний от величины ёмкости демонстрируется на работающем генераторе изменением ёмкости батареи конденсаторов.

Фрагмент 2. Моделирование и демонстрация волновых процессов на механических моделях является неотъемлемой и обязательной частью демонстрационного эксперимента. Промышленностью выпускается хорошо известная машина МВл, а также современные модели кулачковых волновых машин типа «Волна». В указанных моделях движение частиц среды моделируется вертикальным перемещением шариков. Кулачковые модели являются усовершенствованными конструкциями старой модели (промышленно не выпускалась), в которой шарики перемещаются с помощью вдвигаемого шаблона, имеющего криволинейную (синусоидальную) поверхность. Недостаток машин, выпускаемых промышленностью: при приведении машины в действие – все шарики приходят в движение одновременно, что не даёт представления о процессе распространения фронта волны. Недостаток машин с вдвигаемым шаблоном – невозможность демонстрации движения частиц среды после прохождения фронта волны.

Указанные недостатки устранены в волновой машине, разработанной на основе конструкции, описанной в [5]. С целью демонстрации распространения фронта волны, конструкция была модернизована. Спираль и стойки её крепления выполнены в виде отдельного узла, который мы назвали картриджем (рис. 2). В картридж могут устанавливаться спирали различного размера (диаметра, шага). На одной из стоек установлена направляющая пластина (лыжа) из листовой стали, позволяющая свободно вдвигать картридж под стержни (аналогично шаблону). При этом демонстрируется движение фронта волны. После того как картридж вставлен, начинают вращать его рукоятку, и вращение спирали обеспечивает волнообразное движение шариков-указателей. Общий вид одной из таких машин с частично вдвинутым картриджем показан на рис. 3. Расположение «частиц среды» хорошо соответствует рис. 109 [1, с. 131].

Апробация машин в учебном процессе подтвердила целесообразность принятых методических и конструкторских решений.

 

Литература

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. 11 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. 14-е изд. М.: Просвещение, 2005. 382 с.
2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Ч. 2 / Под ред. А.А. Покровского. М.: Просвещение, 1979. С. 38–40.
3. Глазунов А.И., Нурминский И.И., Пинский А.А. Методика преподавания физики в средней школе. М.: Просвещение, 1989. С. 45.
4. Шахмаев Н.М., Павлов Н.И., Тыщук В.И. Физический эксперимент в средней школе. Колебания и волны. Квантовая физика. М.: Просвещение, 1991. С. 51–54.
5. Благодарный В.В. Конструирование приборного оснащения учебного эксперимента // Физика-ПС. 2008. № 7. (Издат. дом «1 сентября».)

Виталий Владимирович Благодарный – кандидат технических наук, доцент кафедры физики и методики её преподавания, декан физико-математического факультета Борисоглебского ГПИ. Отстаивая принцип единства теории и практики в обучении физике, проводит систематическую многолетнюю работу по развитию творческих способностей учащихся и мотивации к изучению физики как области науки и техники на основе выполнения проектов по разработке учебного физического эксперимента.