Оборудование школьного физического кабинета

Пытаясь самостоятельно изготовить некоторые образцы учебного оборудования, учитель неизбежно столкнется с тем, что во многих описаниях и руководствах по изготовлению самодельных приборов не только приводятся схемы, чертежи и рисунки с указанием точных размеров, но и даются довольно категоричные указания о материалах и комплектующих. При попытке неукоснительно следовать рекомендациям по сборке, приведенным в этих описаниях, нередко оказывается, что собрать устройство невозможно из-за отсутствия нужных деталей или инструментов. Если же от приведенных рекомендаций отойти, то часто оказывается, что собранный прибор либо работает плохо, либо вовсе не работает.

Подобной противоречивой ситуации удается избежать, если учитель будет выполнять указания по сборке не вслепую, а вполне осмысленно, уяснив себе прежде всего основную идею прибора и рассматривая данные в описании рекомендации как одно из возможных технических решений. Лишь при таком подходе можно верно сориентироваться в том, какие характеристики и материалы являются действительно необходимыми, определяющими работоспособность и качество будущего изделия, и какие без вреда могут быть заменены на другие.

Создавая новый прибор, нередко приходится выполнять некоторые расчеты, чаще всего это требуется при решении вопроса о возможной замене недостающей детали, при определении технических характеристик изделия, выборе оптимального рабочего режима.

В большинстве случаев достаточно проведение оценочного расчета, определяющего порядок той или иной физической величины. Но иногда требуется и точное вычисление значения какого-то параметра. Избежать возможных ошибок при этом легче, если четко представлять себе суть физических явлений, на которых основан принцип действия прибора. Расчеты проводить будет легче, если под рукой окажутся необходимые справочные данные.

Подход к оценке параметров изделия можно пояснить на примере расчетов, выполняемых при создании прибора для демонстрации действия силы Ампера. Возможный вариант его конструкции представлен на рис. 6.1.

К одной опоре прикреплены подковообразный магнит и проводник, подвешенный на тонких проволоках. При подключении к выпрямителю в проводнике возникает электрический ток и, в зависимости от его направления, под действием магнитного поля проводник отклоняется в ту или другую сторону. Для установления соотношения между величиной силы Ампера и силой тока в проводнике на одной из сторон магнита прикреплена шкала, а на конце проводника – стрелка.

Рис. 6.1. Возможный вариант конструкции прибора для демонстрации действия силы Ампера

При создании прибора необходимо установить: какой магнит использовать, характеристики проводника (материал и размеры), какой провод применить для подвеса, оптимальное значение силы тока для прибора, величину смещения проводника в магнитном поле.

Для решения этих вопросов необходимо получить расчетную формулу, связывающую параметры установки. Записывают соотношение между силами, действующими на проводник с током, подвешенный в поле постоянного магнита. Проводник будет отклоняться до тех пор, пока силы, действующие на него со стороны магнитного поля Земли и подвеса, не окажутся скомпенсированными (рис. 6.2). Этому условию соответствует равенство:

 (1). После записи в скалярной форме, подстановки выражений для сил и учета малости угла отклонения (tg? ? sin? =

) получим расчетную формулу:

где X – отклонение проводника; В – индукция магнитного поля; I – сила тока в проводнике; l – длина проводника; L – длина подвеса; m – масса проводника; g – ускорение свободного падения.

Рис. 6.2

В первую очередь задают величины, значения которых учитель не может варьировать. В рассматриваемом примере кроме ускорения свободного падения таких величин еще две: Х и В. Величина отклонения проводника Х задается условиями видимости результата опыта с расстояния в 10 м (удаление от демонстрационного стола последних мест учащихся) и не должна быть меньше 25 мм. Величина индукции магнитного поля в приборе определяется тем магнитом, который будет использован. В кабинете физики имеется лишь один подковообразный магнит, индукция магнитного поля которого, судя по технической документации, составляет порядка 10 (в 3-й степени) Тл.

Величины I, l, L и m могут быть произвольными, лишь бы выполнялось соотношение (2).

Определяя характеристики проводника, целесообразно руководствоваться следующими соображениями. Масса проводника должна быть, по возможности, меньше, так как из формулы (2) видно, что она отрицательно сказывается на результате опыта (чем больше масса, тем меньше отклонение проводника). Она зависит от геометрических размеров проводника и его плотности. Сам проводник, являясь объектом наблюдения, должен быть виден с расстояния 10 м, то есть его диаметр не может быть меньше 1,5–2 мм. Длина проводника как будто непосредственно на работу прибора не влияет, поскольку в расчетной формуле ее величина присутствует как в числителе, так и в знаменателе (станет наглядным, если выразить значение массы через плотность и объем). Но это справедливо до тех пор, пока проводник находится внутри однородного магнитного поля. Если же проводник будет больше, то часть его окажется вне зоны действия силы Ампера. Следовательно, чрезмерное увеличение длины проводника приведет к неоправданному увеличению его массы и отрицательно скажется на величине отклонения. Размер области, в которой магнитное поле можно считать однородным, оценивают экспериментально. Для этого с помощью металлических опилок достаточно получить спектр силовых линий того магнита, который предполагается использовать в установке. Для школьного подковообразного магнита эта величина составит порядка 5–10 см.

Материал, из которого будет сделан проводник, должен иметь возможно меньшую плотность и удельное сопротивление. Очевидно, из доступных материалов этим требованиям удовлетворяет алюминий.

Таким образом, из проведенных рассуждений определилось, что в качестве проводника для прибора подойдет кусок алюминиевого провода диаметром 1,5–2 мм и длиной не более 10 см. Масса проводника при этом будет порядка одного грамма.

Параметры подвеса определяются с учетом удобства работы с прибором и его надежности. Из формулы (2) следует, что длина подвеса положительно сказывается на величине отклонения проводника, но, с другой стороны, чрезмерное увеличение этого параметра приведет к тому, что возрастает его масса и ухудшаются эргономические качества прибора (из-за слишком большой высоты его неудобно будет использовать и хранить). С учетом высоты демонстрационного стола и среднего роста человека, длина подвеса не должна превосходить 1 м.

Чем тоньше будет провод подвеса, тем меньше его масса и, следовательно, меньше влияние на результат опыта. Однако слишком тонкий провод снизит надежность работы установки (подвес будет часто рваться, возможно его перегорание из-за превышения допустимого значения плотности тока).

С учетом изложенного, для подвеса подойдут два куска провода длиной около 1 м, диаметром 0,15–0,2 мм.

Выбирая оптимальное значение силы тока, принимают во внимание, что, с одной стороны, чем больше ток в проводнике, тем интенсивнее воздействие на него со стороны магнитного поля. Но, с другой стороны, слишком большой ток может вывести из строя провода подвеса. Кроме того, нужно учесть допустимую токовую нагрузку выпрямителя, с которым предполагается использовать прибор. Для демонстрационных опытов в настоящее время выпускают источник питания ИПД, максимальный выходной ток которого не должен превышать 2 А. Задавшись этим значением, следует проверить, смогут ли провода подвеса выдержать такую токовую нагрузку. В этом поможет справочник по электротехнике. Из таблицы допустимых значений токов для медных проводов следует, что медный провод диаметром 0,15 мм расплавится при силе тока около 5 А. Таким образом, для создаваемого прибора можно считать оптимальным значение тока 1,5–2 А.

Однако, принимая во внимание школьные условия и специфику теоретической подготовки учителя физики, можно утверждать, что проведение даже оценочных расчетов возможно не всегда. Наиболее часто от них отказываются при разработке конструкций различных гидрои аэродинамических устройств, радиотехнических приборов. В этих случаях преподаватель вынужден либо жестко следовать требованиям по изготовлению, приведенным в описаниях конструкций таких устройств, либо определять необходимые параметры экспериментально, подобно тому, как это было сделано в рассмотренном выше примере с оценкой размеров поля подковообразного магнита.

В целях получения наибольшего педагогического эффекта от применения на уроках самодельных приборов, разработку их конструкций необходимо проводить с учетом общих требований к учебному оборудованию. Принимая во внимание условия, в которых создаются приборы, и возможности учителя, эти требования можно сформулировать следующим образом: самодельные приборы должны способствовать изучению физики на современном научном уровне, знакомить учащихся с приемами и методами научного познания. Особое значение имеет создание учебных приборов, помогающих формированию основополагающих современных научных знаний, законов и теорий.

Самодельные приборы должны создаваться в соответствии с дидактическими и методическими задачами, которые решаются при использовании прибора.

Необходимо, чтобы содержание и способы передачи информации, заложенные в учебном приборе, соответствовали возможностям и уровню работоспособности учащихся, их подготовке и возрастным особенностям.

Самодельные учебные приборы должны быть просты по конструкции, удобны и надежны в эксплуатации.

Самодельные приборы должны отвечать всем требованиям техники безопасности, гигиены труда и технической эстетики.

При конструировании учебных приборов следует, по возможности, шире применять стандартные и унифицированные детали и узлы. При этом желательно, чтобы вновь разрабатываемые приборы и пособия отвечали принципу комплектности, то есть находили бы себе применение не в одном, а в ряде опытов, позволяя получить максимальный эффект от минимального количества оборудования.

Устройство самодельного прибора должно обеспечивать минимальные затраты времени на его подготовку к работе и одинаковые результаты при его многократном использовании в неизменных условиях.

Приборы, созданные для проведения лабораторных работ, должны быть рассчитаны на работу в неопытных руках учащихся. Размеры этих приборов должны быть такими, чтобы собранная установка в целом не занимала более половины площади поверхности стола учащихся.

Приведенные выше требования к самодельным приборам сформулированы с учетом опыта учителей, активно занимающихся разработкой конструкций оригинальных устройств для своих кабинетов, анализа научно-методической и нормативно-технической литературы, затрагивающей вопросы разработки учебного оборудования. Их выполнение позволит направить творческий поиск учителя на создание действительно полезных, удобных и надежных приборов, применение которых на уроках повысит эффективность учебно-воспитательного процесса.

6.2. Изготовление учебных приборов для оснащения физического кабинета

Приступая к изготовлению самодельного устройства, учителю предстоит решить ряд технических и организационных вопросов. Исходя из конструкции прибора, необходимо выбрать технологию изготовления его отдельных частей и деталей. Это значит, что определению подлежат способы и последовательность изготовления, инструмент, материал и оснастка, которые для этого потребуются. Далее определяют, где и какими силами прибор будет изготавливаться. Эти работы могут проводиться непосредственно в кабинете физики, в школьных мастерских или на шефском предприятии.

Помещение, занимаемое кабинетом физики, инструменты, имеющиеся обычно в распоряжении учителя, направленность его практических умений позволяют на базе физического кабинета проводить виды работ, связанные с обработкой подручных материалов, таких, например, как стекло, пенопласт, резина, полиэтилен, выполнять монтаж и настройку электрических и электронных схем, производить отдельные операции по доработке деталей из металла и дерева.

Полнее представить характер действий с подручными материалами, названными выше, можно из анализа конструкций трех устройств, описание которых часто встречается в методической литературе.

Первое устройство (рис. 6.3а) представляет собой капельницу, причем частота капель не зависит от высоты столба воды в сосуде до тех пор, пока уровень воды не сравняется с нижним концом вертикальной трубки. Для изготовления капельницы берут двугорлую банку. Оба ее отверстия затыкают пробками со вставленными трубками, причем правая трубка изогнута и конец ее оттянут.

Второе устройство (рис. 6.3б) используется как сливной сосуд в опыте с ведерком Архимеда. Его делают из прозрачной пластиковой бутылки из-под шампуня с удаленным дном. В горловину вставлена пробка с трубкой, изогнутой по профилю бутылки.

Третий прибор (рис. 6.3в) используют для демонстрации зависимости атмосферного давления от высоты. Его делают из большой банки или колбы, горло которой закрывают пробкой с двумя трубками. Одна из них имеет Г-образную форму, на другую надет кусочек шланга с зажимом. Для того чтобы в горизонтальную часть трубки ввести каплю подкрашенной жидкости, через шланг отсасывают воздух. Как только капля дойдет до середины колена, шланг зажимают. Если прибор поднять на 1–1,5 м, то можно заметить смещение капли из-за разницы давлений вне и внутри банки.

Рассмотренные примеры убеждают в том, что, собирая простейшие самодельные устройства, довольно часто приходится сталкиваться с резкой, изгибанием и оттяжкой концов стеклянных трубок.

Рис. 6.3. Устройства из подручных материалов: а) капельница, б) сливной сосуд для опыта с ведерком Архимеда, в) прибор для демонстрации зависимости атмосферного давления от высоты

Перед тем как от стеклянной трубки отрезать нужный кусок, с помощью напильника или надфилем наносят в нужном месте метку. От этой метки процарапывают по кругу несколько рисок. Причем, чем больше диаметр трубки, тем плотнее должны наноситься риски. Затем трубку берут двумя руками по обе стороны от надреза и, разламывая ее в месте надреза, стараются еще как бы разорвать. Если края линии излома получились неровными, то выступающие части подравнивают плоскогубцами. Осторожно и понемногу крошат неровный край, касаясь его самыми кончиками плоских губ. Для более тонкой обработки края используют напильник или точильный брусок. После того как край станет ровным, его оплавляют в пламени горелки.

Выбирая трубку для того, чтобы изогнуть, обращают внимание, из какого материала она изготовлена. Качество стекла определяют по цвету торца трубки, направленной на источник света. Если цвет голубоватый, то трубка годится для обработки, если желтоватый – нет, поскольку такой цвет характерен для тугоплавких сортов стекла.

Чтобы согнуть стеклянную трубку, то место, где должен появиться изгиб, прогревают в верхней части пламени горелки, непрерывно вращая ее вокруг оси. Когда стекло размягчится, начинают осторожно сближать концы, стараясь удерживать оба колена в одной плоскости. После придания нужной формы, трубку прекращают нагревать, однако продолжают удерживать некоторое время в руках до затвердевания стекла.

Встречающиеся дефекты изгибов связаны с неравномерным нагревом заготовки. Так, например, в результате более сильного разогрева вогнутой стороны внутри изгиба может образоваться складка. Более сильный разогрев выгнутой стороны приведет к тому, что при изгибании она сплющивается, уменьшая сечение отверстия трубки. Иногда к таким же дефектам приводит слишком быстрый изгиб.

Трубку с оттянутым концом изготовляют в три приема. Сначала в нужном месте ее разогревают и, после размягчения, медленно растягивают за концы вдоль продольной оси до получения перешейка с нужным внутренним диаметром. Когда трубка остынет, перешеек в нужном месте перерезают, а затем немного оплавляют.

Как видно из приведенных примеров конструкций, для закрепления трубок в сосудах применяют пробки. Для кабинетов физики выпускаются наборы корковых и резиновых пробок. Корковые пробки легче обрабатываются, но в силу своей пористой структуры не могут использоваться для герметизации сосудов. Резиновые пробки обрабатывать труднее, но они надежно закупоривают сосуд и более устойчивы к действию агрессивных сред. Работая с пробками, часто приходится проделывать в них отверстия. Для выполнения этой операции лучше приобрести в учколлекторе набор пробочных сверл, которые представляют собой тонкостенные металлические трубки, отточенные с одного конца и насаженные на рукоятки.

Для заточки сверл используется специальный нож, изображенный на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Нож для заточки сверл

Сверло, подлежащее заточке, плотно надевают на конус. Большим пальцем прижимают нож и вращают сверло. Заточенный край должен иметь ровную поверхность в виде правильного усеченного конуса.