Text
ФИЗИЧЕСКИЙ
ЭКСПЕРИМЕНТ
В ШКОЛЕ
Пособие для учителей
ВЫПУСК 5
Из опыта работы
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1981
ББК 74.265.1
Ф50
Составители: Г. 77. Мансветова, В. Ф. Гудкова
Рецензенты:
Кандидат педагогических наук, доцент С. А. Хорошавин,
редколлегия журнала «Физика в школе».
Физический эксперимент в школе: Из опыта работы.
Ф50 Пособие для учителей. Вып. 6/Сост. Г. П. Мансветова,
В. Ф. Гудкова.— М.: Просвещение, 1981.— 192 с., ил.
В книге обобщен опыт передовых учителей и методистов по конструированию и
совершенствованию самодельных физических приборов. В сборник включены статьи
с описанием оригинальных опытов и лабораторных работ, которые помогут учителю
расширить школьный эксперимент в процессе преподавания физики в средней шко¬
ле и во внеклассной работе. В ряде статей изложены методические рекомендации
к постановке опытов и проведению демонстраций.
В книге есть материал, который может быть полезен руководителю физико-тех¬
нического кружка.
60501-485
Ф 103(03)—81
134—81
4306011100 ББК 74.265.1
53(07)
© Издательство «Просвещение», 1981 г.
ОТ СОСТАВИТЕЛЕЙ
В настоящее время в связи с совершенствованием обучения и
воспитания школьников, подготовкой их к трудовой деятельности
особое значение приобретает развитие школьного физического
эксперимента. Широкое использование демонстрационных опы¬
тов, умелое привлечение учащихся к выполнению на уроке
несложных экспериментов, рациональная организация лаборатор¬
ных работ и занятий физического практикума — все это позво¬
ляет учителю сделать свои уроки интересными, содержательны¬
ми, воспитывающими. Нередко, обдумывая материал урока,
учитель создает свою конструкцию прибора, установку для опы¬
та, чтобы демонстрация стала еще нагляднее, понятнее ученикам.
Много творческих сил вкладывает учитель физики обычно и в
организацию хорошего, удобного физического кабинета. Опыт
передовых учителей и методистов, энтузиастов, занимающихся
совершенствованием школьного физического эксперимента, и
представлен в данной книге.
* Предлагаемый сборник является очередным (шестым) выпу¬
ском и предназначен для учителей физики. Как и предыдущие
выпуски, он составлен из статей, присланных редакции журнала
«Физика в школе», которые получили положительную оценку
редколлегии, но не могли быть напечатаны в журнале из-за ог¬
раниченности его объема.
Цель данного сборника — помочь учителю физики в органи¬
зации школьного физического эксперимента, проведении с уча¬
щимися лабораторных работ, постановке демонстрационных
опытов.
В статьях, включенных в этот выпуск, описываются новые
конструкции приборов по физике и астрономии или дополнитель¬
ные приспособления к имеющемуся школьному оборудованию,
предлагаются оригинальные или методически полезные демонст¬
рации. В ряде статей даются методические рекомендации к по¬
становке опытов на уроках физики и внеклассных занятиях,
В книге имеется также материал, который может быть полезен
учителю, ведущему физико-технический кружок.
Сборник содержит следующие разделы: «Общее оборудова¬
ние кабинета физики», «Механика», «Молекулярная физика»,
«Электродинамика», «Колебания и волны», «Оптика», «Физика
3
атома и атомного ядра», «Внеклассная работа», «Астрономия»,
«Полезные советы».
Составители сборника благодарят всех товарищей, приняв¬
ших участие в рецензировании статей, включенных в эту книгу,
внесших ценные замечания по ее совершенствованию, особую
признательность выражают Б. С. Зворыкину, С. А. Хорошавину,
А. Ф. Шибаеву.
Замечания и предложения относительно сборника просим на¬
правлять в редакцию физики и астрономии издательства «Про¬
свещение» по адресу: Москва, 129846, 3-й проезд Марьиной ро¬
щи, д. 41,
ОБЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ
КАБИНЕТА ФИЗИКИ
М. И. Козаков, А. Н. Гаваза
(г. Владимир)
КОМПЛЕКС ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБУЧЕНИЯ
В КАБИНЕТЕ ФИЗИКИ
В физических кабинетах средних школ растет число техниче¬
ских средств обучения (ТСО). В этих условиях возникает проб¬
лема их стационарной установки и управления с общего пульта.
Некоторые учителя физики самостоятельно (или с помощью
шефствующих предприятий) оборудуют такие комплексы ТСО.
Конструкторский коллектив кафедры теоретической физики
Владимирского педагогического института разработал несколько
вариантов такого комплекса для школьного кабинета физики.
Ниже приводится вариант оборудования комплекса ТСО в ка¬
бинете физики, доступный для школ.
Центральным узлом комплекса является «пульт учителя», ко¬
торый конструктивно оформляется в виде двухтумбового стола,
на котором находятся магнитофон и электрофон. В центре рас¬
положена панель управления всей аппаратурой и механизмами
комплекса. В нижней части помещаются блок питания двигате¬
лей механизмов зашторивания окон и двигателя экрана, регуля¬
тор напряжения и соединительные провода.
Рассмотрим подробнее устройство отдельных узлов комп¬
лекса.
От конструкции экрана, его технического состояния и места
расположения во многом зависит качество проецируемого изо¬
бражения, значит, и тот эмоциональный настрой учащихся, ко¬
торый способствует лучшему усвоению иллюстративного мате¬
риала.
Желательно применить экран типа ЭПД-С2, входящий в ком¬
плект киноустановки «Украина-5».
В процессе эксплуатации поверхность экрана необходимо обе¬
регать от загрязнения. В нерабочем состоянии его убирают в за¬
щитный кожух. При установке экрана нужно учитывать, чтобы
высота нижней кромки проецируемого на него изображения бы¬
ла не ниже 1,5 м от пола (нижний его край должен быть виден
ученикам, сидящим в последнем ряду).
Чтобы с пульта .можно было управлять выдвижением экрана,
последний подвергают некоторым конструктивным переделкам и
дополнениям (механизм управления экраном изображен на
рис. 1).
5
С левой стороны кожуха 1 (если смотреть на рабочую по¬
верхность экрана) надо снять крышку 2, вынуть пружину и де¬
ревянный стержень, а вал экрана соединить с осью редуктора
двигателя механизма управления экраном. Это соединение про¬
изводят с помощью цилиндра с отверстием квадратной формы 3,
закрепленного на конце вала экрана, и оси редуктора двигателя
квадратной формы, свободно входящей в отверстие цилиндра.
Сам двигатель крепят на крышке экрана. Вал 4 крепят на ше¬
стерне редуктора двигателя; он имеет резьбу М8, М10. Число
витков резьбы определяют числом оборотов вала экрана, доста-
J г
6
Рис. 3
Рис. 2
Рис. 1
точным для полного выдвижения экра¬
на. На валу 4 навинчивают гайки 5 из
текстолита (или из другого изоляцион¬
ного материала). Чтобы гайки 5 могли
перемещаться вдоль оси вращающегося
вала 4, имеются стопорные винты 6,
проходящие через паз скобы 7. Таким
образом, при своем перемещении гайки
разрывают цепь контактов 8 или 9.
Электрическая схема блока управле¬
ния экраном приведена на рисунке 2.
Здесь Ди Дъ— полупроводниковые дио-
ды типа Д242 (Д214, Д215); Д3, Д4—
типа Д226 (Д7 с любой буквой). Ре¬
ле Р\ нужно взять на напряжение сра¬
батывания не более 12 В с нормально
разомкнутыми контактами Р\/и рассчи¬
танными на ток переключения не ме¬
нее 2 А. Пригодны реле РМУ (паспорт
РС4, 523, 303; РС4, 523, 304). Контак¬
ты Ки К2 нормально замкнутые (см. <3,
9 на рис. 1). (В механизме экрана при¬
менен двигатель МЭ241А от стеклоочистителя автомашины.)
Крепление экрана с механизмом управления и системой от¬
ключения осуществляется с помощью кронштейнов 1 (рис. 3),
изготовленных из стального уголка. Кожух экрана 2 к кронштей¬
нам крепят при помощи хомутов 3.
Для получения на экране четкого, контрастного изображения
необходимо предохранить его от внешней засветки источниками
света. С этой целью затемняют помещение. Для затемнения ка¬
бинета мы применяем систему горизонтального зашторивания
окон.
Механизм зашторивания собран на пластине из дюралюми¬
ния или стали толщиной не менее 4 мм. На оси редуктора дви¬
гателя закреплен барабан. При изготовлении барабана, изобра¬
женного на рисунке 4, а, нужно учесть, что число витков винто¬
вой нарезки определяют шириной оконного проема при заданном
диаметре барабана, а размер канавки — диаметром шнура
(рис. 4,6).
Электрическая схема блока управления механизмом зашто¬
ривания окон приведена на рисунке 5. Здесь Ди Д2— полупро¬
водниковые диоды типа Д226 (Д7 с любой буквой); Ри Р2—
реле РМУ (паспорт РС4, 523, 303 или РС4, 523, 304); Ki и /\2—■
нормально замкнутые контакты системы отключения двигателя.
Последняя показана на рисунке 6. Конструкция ее такова.
Через барабан / и ролик 2 перекинут капроновый шнур 5,
на котором закреплены два кулачка 4, имеющие с одной сторо¬
ны форму конуса. При движении шнура кулачок входит в отвер¬
стие трубки 5 и с помощью штифта 6 разрывает цепь контак¬
Рыс. 4
7
тов 7 (Ки К2 на рис. 5). Ролик 2 изготовлен из стали, кулачки 4
и трубки 5 — из винипласта, контакты 7 можно использовать от
реле. (В механизме зашторивания применен двигатель МЭ227.
Подключение двигателей к блокам управления производят со¬
гласно прилагаемым к нему инструкциям.)
Для обеспечения занятий демонстрацией информационно-на¬
глядных материалов в кабинете физики мы рекомендуем сле¬
дующую проекционную аппаратуру: диапроектор ЛЭТИ-60, диа¬
проектор «Протон», киноустановку «Украина-5».
Проекционные аппараты устанавливают на стационарных под¬
ставках. Аппаратуру нужно разместить на такой высоте, чтобы
она не мешала сидящим за ней ученикам и не закрывала экран
(1,5 м). Расстояние от экрана до аппаратуры определяется фо¬
кусным расстоянием объектива при заданных размерах экрана.
Для установки диапроектора «Протон» (i7 = 75) расстояние до
экрана равно 5 м, для диапроектора ЛЭТИ-60 (F=92)—8 м,
для киноустановки «Украина-5» (F = 50)—около 12 м.
к дбигателю
Рис. 5
8
Рис. 6
2
Вид А
Диапроекторы ЛЭТИ-60 и «Протон» можно поместить в спе¬
циальные колонки с подвижными каркасами и с подъемными ме¬
ханизмами. Кинематическая схема подъемного механизма пока¬
зана на рисунке 7. Здесь 1, 3 — стальной уголок колонки; 2 —
опорные ролики; 4 — стальной трос; 5, 7— направляющие роли¬
ки; б — барабан, закрепленный на оси редуктора двигателя подъ¬
емного механизма; 8 — стержень, закрепленный на подвижном
каркасе (каркас на рисунке не показан). Трос одним концом
прикреплен к стержню 8, другим — к барабану 6. При вращении
барабана в ту или другую сторону осуществляется перемещение
каркаса вверх или вниз.
Звуковые колонки закрепляют на стене по обе стороны экра¬
на. Колонки с диапроекторами имеют электромагнитные замки,
защищающие их от небрежного обращения.
Электромагнитный замок (рис. 8) состоит из катушки 8
электромагнита, стального сердечника 2, сухаря 6, закрепленно¬
го на оси 5, возвратной пружины 7, тяги 3 и пластины 1 с пазом,
закрепленной на подвижном каркасе.
Электрическая схема блока управления подъемным механиз¬
мом приведена на рисунке 9. Здесь Дг—Дъ — полупроводнико¬
вые диоды типа Д242 (Д214, Д215); Д4, Дъ — типа Д226 (Д7 с
любой буквой); Р1 — реле РМУ; ЭМ — катушка электромагнит¬
ного замка; Pj/i — нормально разомкнутые контакты реле; /Сэм—*
9
К двигатепю
нормально разомкнутые контак¬
ты электромагнитного замка; Ки
K<i—нормально замкнутые кон¬
такты, расположенные в нижней
и в верхней частях колонки и
предназначенные для автомати¬
ческого отключения двигателя
подъемного механизма в край¬
них нижнем и верхнем положе¬
ниях подвижного каркаса.
При подаче напряжения на
клеммы 2 блока управления
подъемным механизмом с поляр¬
ностью, соответствующей направ¬
лению вращения барабана (6 на
рис. 7), перемещающего под¬
вижной „ каркас вверх, срабаты¬
вает электромагнит замка. Тя¬
гой 3 (см. рис. 8) сухарь 6 выво¬
дится из паза пластины 1 и при
помощи шайбы 4 из изоляцион¬
ного материала, закрепленной на
стальном сердечнике 2, замыка¬
ются контакты /Сэм. При под¬
ключении двигателя подъемного
механизма подвижной каркас
перемещается вверх. При подаче
1 2 5 6 738 9 4
Рис. 9
Рис. 10
К трансформатору
кинопроектора
«У5 *W *т «Ц7 I АТ \ к У5 х%
*-4
*-ч
3
О,
л пульту дистанционного
управления
на клеммы 1, 2 напряжения про¬
тивоположной полярности кар¬
кас перемещается вниз, электро¬
магнитный замок при этом не
включается и пластина 1 сколь¬
зит по скошенной части сухаря 5,
который в крайнем нижнем по¬
ложении каркаса входит в паз
пластины. Колонка оказывается
запертой. (В подъемном меха¬
низме применен двигатель типа
МЭ227 или МЭ227Б.)
Все аппараты и механизмы
соединяются с пультом управле¬
ния проводами, уложенными в
стене и под полом.
Электрическая схема блока
дистанционного управления ки¬
ноустановкой «Украина-5» при¬
ведена на рисунке 10. Здесь Рх и
Р2—реле типа МКУ-48 на напря¬
жение ~220 В. На клеммы /,
2 при помощи включателя (В4 на рис. 11), расположенного на
панели пульта управления, подается напряжение 220 В. При по¬
мощи клемм 3 и 4 и соответствующих включателей (В2, Въ на
рис. 11), расположенных на панели пульта, подводится напряже¬
ние на обмотки реле Рх и Р2. Контактами Рх/2 и Р2/2 (клеммы
5—7) осуществляется включение соответственно двигателя ки¬
ноустановки и проекции. Контакты Р2/\ разрывают цепь пуско¬
вого конденсатора двигателя (клеммы 8, 9).
На.рисунке 11 приведена электрическая схема панели управ¬
ления всеми механизмами, блоками и аппаратами комплекса ТСО.
Здесь Вх—В6 — переключатели типов ТП1-2, ТП2-1, предназна¬
ченные для включения проекций и двигателей проекционных ап¬
паратов и электрофона; В7—Вп — переключатели типаП2ТШ-21
(или П2ТШ-23), включающие двигатели механизмов зашторива¬
ния и экрана. Блок питания двигателей состоит из трансформа¬
тора Тр и мостового выпрямителя на диодах типа Д242, Д214.
Автотрансформатор АТ служит для регулировки напряжения
питания киноустановки, а индикатор (вольтметр) — для контро¬
ля напряжения. Розетки предназначены для подключения пуль¬
тов дистанционного управления диапроекторами ЛЭТИ-60 и
«Протон».
На рисунке 12 приведена блок-схема комплекса ТСО. Здесь
у{—пульт управления аппаратурой и механизмами комплекса
ТСО; У 2, У а—звуковые колонки; У3— механизм управления эк¬
раном; У5—диапроектор «Протон»; У6 — диапроектор ЛЭТИ-60;
У7 — киноустановка «Украина-5» с блоком дистанционного уп¬
равления; У8, Уд — механизмы зашторивания окон с блоками
12
управления; можно подключить магнитофон «Яуза-206»; панель
управления пульта; электрофон «Вега-101».
Понятно, что описанный вариант оборудования комплекса
ТСО це единственный и он может быть видоизменен с учетом
конкретных условий. Например, можно изготовить и установить
на пульте блок программного управления диапроекторами «Про^
тон» и ЛЭТИ-60.
Ю. П. Марфин
(Чувашская АССР, г. Чебоксары)
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ СТОЛОВ
В КАБИНЕТЕ ФИЗИКИ
По правилам техники безопасности на лабораторные столы
учащихся подается переменное напряжение не более 36 В.
В статье А. А. Покровского1 предлагается один из подходов в
решении проблемы электроснабжения рабочих мест учащихся,
смысл которого заключается в разработке общей схемы подвод¬
ки электрического тока к рабочим местам. Разрабатывая ее, мы
руководствовались следующими принципами снабжения элект¬
роэнергией ученических столов:
1. Мощность подключенной нагрузки практически не должна
влиять на величину напряжения, подаваемого к столам. Поэто¬
му для подачи электроэнергии необходимо использовать пре¬
дельно допустимое напряжение, т. е. 36 В.
2. Линия должна быть рассчитана на общую мощность около
4 кВт, чтобы обеспечить одновременную работу наибольшей на¬
грузки, используемой на уроках физики,— 20 электроплиток по
200 Вт каждая. Для обеспечения такой мощности, сохранения
низкого напряжения и уменьшения величины тока можно исполь¬
зовать трехфазное напряжение.
3. В схеме надо предусмотреть надежное аварийное выключе¬
ние электроэнергии в случае перегрузки линии, что, в частности,
может быть осуществлено с помощью магнитного пускателя и си¬
стемы плавких предохранителей.
4. Необходимо обеспечить быстрый поиск неисправности и
восстановление работоспособности схемы. Если снабдить схему
стационарными сигнальными лампами, то найти неисправность
можно сравнительно быстро. Бесперебойную работу учащихся
на уроке может обеспечить трехфазное снабжение электроэнер¬
гией столов, так как в случае выхода из строя одной из фаз уча¬
щиеся могут воспользоваться другой. 11 См.: Покровский А. А. Тематика исследований в области учебного
физического эксперимента и оборудования физического кабинета,— Физика в
школе, 1975, № 4, с. 61.
13
5. Выбранная система электроснабжения для меньших эконо¬
мических затрат должна свести к минимуму конструктивные из¬
менения имеющегося школьного оборудования для лаборатор¬
ных работ и физического практикума или вообще избежать их.
Ниже описано, как эти принципы реализованы в кабинете
физики 1-й средней школы г. Чебоксары.
От силового ящика трехфазное напряжение 380/220 В пода¬
ется на зажимы 1—4 пускателя ПМЕ-222 защитного исполнения
с пусковой катушкой на 380 В (рис. 1). Магнитный пускатель
включен по типовой схеме. Его обмотка МП через исполнитель¬
ные контакты тепловых реле РТХ и РТ2, а также контакты кноп¬
ки «Стоп» Кнх и кнопки «Пуск» Кн2 включается на 380 В. Бло¬
кирующие контакты МП2 и МПЬ присоединены параллельно
кнопке «Пуск». Блокирующий контакт МПХ использован для
включения сигнальной лампы Л, которая будет светиться только
при наличии трехфазного напряжения. (Тип сигнальной лам¬
пы КМ на 60 В и силу тока 0,04 А.) Последовательно с ней в
качестве гасящего сопротивления включен конденсатор С (ем¬
костью 0,25 мкФ типа МБГП-2, рассчитанный на напряжение
600 В). Применение конденсатора вместо резистора значительно
уменьшает тепловые потери электроэнергии.
При включении магнитного пускателя напряжение через кон¬
такты МП4—МПв и обмотки тепловых реле РТХ—РТ2 подается
на трехфазный трансформатор Тр 380/36 В, каждая вторичная
обмотка которого рассчитана на силу тока до 40 А. Пониженное
напряжение с зажимов 5—8 распределяется на лабораторные
столы. Провода электроснабжения столов проложены под полом
в стальных трубах диаметром 18 мм с надежным обеспечением
5
д
7
8
14
/>ггс. 1
д
Пр!
Рис. 2 Рис. 3
длительного исправного состояния электропроводки и изоляции.
На школьных ученических столах установлены лабораторные
щитки электропитания, принципиальная схема которых изобра¬
жена на рисунке 2.
Трехфазное напряжение 36/20,8 В подводится к зажимам
1—4. Через пакетный выключатель В (типа ПВМ-3-10) и пре¬
дохранители Пр{—Пръ (марки «Сокол» на силу тока 4 А) на¬
пряжение подается на универсальные зажимы 5—<5, располо¬
женные на лицевой стороне щитка. Расстояние между ними
подбирают таким, чтобы в них при необходимости можно было
вставить сетевую вилку. Лампы Лх—Л3 (тип КМ на напряже¬
ние 24 В и силу тока 0,1 А) обеспечивают контроль наличия
напряжения каждой фазы. Они работают под напряжением
20,8 В, что обеспечивает их долговременную эксплуатацию.
Общий вид щитка изображен на рисунке 3. Щиток изготовь
лен из листовой стали толщиной 1,5 мм и имеет размер
70X140X180 мм. На его передней стороне находятся четыре
универсальные клеммы, а сверху над ними контрольные лампы.
Пакетный выключатель расположен в верхней части щитка, там
же, под съемной крышкой,— предохранители.
Для того чтобы обеспечить проведение лабораторных работ
и практикума по всему курсу физики, нами были изготовлены
блоки питания. В основу их положена конструкция, предложен¬
ная С. Ф. Кабановым1. Чтобы обеспечить механическую проч¬
ность блоков питания, мы отказались от разъемных соединений
трансформатора и приставок с помощью двухрядной штепсель¬
ной колодки. Все блоки представляют цельную конструкцию,
принципиальная схема которой изображена на рисунке 4.
1 См.: Кабанов С. Ф. Электрическое оборудование физического каби¬
нета в средней школе.— Физика в школе, 1969, № 4, с. 66.
15
Магнитопровод трансформатора имеет сердечник сечением
5 см2. Первичная обмотка трансформатора у всех блоков пита¬
ния рассчитана на напряжение 36 В. Она выполнена проводом
Г1Э-0,59 и содержит 225 витков. Обмотки IV и V также одина¬
ковы у всех блоков питания и содержат по 32 витка провода
ПЭ-0,69. Число витков во II и III обмотках зависит от напря¬
жения, которое необходимо получить на клеммах 3—4 и 5—6.
В таблице I приведены данные II и III обмоток трансформатора
в. зависимости от величины напряжения на выходах блоков пи¬
тания.
Таблица I
I
обмотка
III обмотка
Напряже-
Напряже-
ние на
Марка
Число
ние на
Марка
Число
клеммах
3-4, В
провода
витков
клеммах
5-6, В
провода
витков
8
ПЭ-0,35
40
6,3
ПЭ-0,35
40
12
ПЭ-0,29
60
18
ПЭ-0,35
112
50
ПЭ-0,2
224
24
ПЭ-0,29
148
С помощью наконечников 1—2 блок питания присоединяют
к настольному щитку электропитания на напряжение 36 В между
двумя любыми фазами. (В качестве соединяющих элементов
выбраны наконечники, а не вилка, для того чтобы избежать
ошибочного включения блоков питания в сеть на напряжение
220 В.) Предохранитель
на силу тока 2 А. В схеме
применены диоды Дх—Д4 ти¬
па Д7Д и Дъ—Дб типаД242А.
Электролитический конденса¬
тор С имеет емкость не менее
20 мкФ. Сопротивление рези¬
стора R около 1 кОм. Сиг¬
нальная лампа рассчитана на
напряжение 12,5 В.
Чтобы обеспечить выпол¬
нение лабораторного практи¬
кума в средней школе, нужно
изготовить пять типов блоков
питания. В таблице II приве¬
дены типы блоков питания и
напряжение, которое можно
снимать на соответствующих
клеммах.
Из таблицы II видно, что
блок типа II может быть ис¬
пользован в работах практи¬
кума по определению индук¬
тивности катушки и изучению
16
Тип
блока
Напряжение
| ка клеммах
1 3-4, В
Напряжение
на клеммах
5-6, В
I
12
24
II
8
18
III
50
18
IV
50
6,3
V
8
- 24
Примечание. Число блоков
каждого типа равно четырем.
полупроводниковых радиоприем- Таблица II
ников. Блок типа V используют
при изучении резонанса в коле¬
бательном контуре и т. д. Оди¬
наковые параметры у некоторых
блоков разного типа дают воз¬
можность свободно подбирать их
к нужным работам. Кроме того,
возможности блоков значитель¬
но расширятся, если их под¬
ключить на напряжение 20,8 В
между фазовым и нулевым про¬
водами. В этом случае, напри¬
мер, у блока типа III на клеммах 7—8 можно получить напря¬
жение 2,6 В, а на клеммах 3—4 — напряжение 30 В.
Конструктивно блок питания выполнен на шасси прямоуголь¬
ной формы. Сверху установлены трансформатор, конденсатор и
диоды Дъ—Д6, по бокам — предохранитель, выключатель, сиг¬
нальная лампа и клеммы.
Таким образом, применив данную систему электроснабжения,
можно на ученических столах получить переменное трехфазное
напряжение 36/20,8 В, которое дает возможность подключить
значительную нагрузку мощностью до 200 Вт. Если дополни¬
тельно использовать блоки питания, то на каждом столе полу¬
чим выпрямленное напряжение 4 В, необходимое для выполне¬
ния лабораторных работ, а также напряжение для многих ра¬
бот физического практикума.
Безусловно, блоки питания можно было бы совместить с на¬
стольными щитками, но это увеличивает их размеры и усложня¬
ет ремонт.
Заслуженный учитель школы РСФСР
С. А. Колобов
(г. Магнитогорск)
САМОДЕЛЬНАЯ ПРИСТАВКА К АППАРАТУ ЛЭТИ-60
ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДИАПОЗИТИВОВ
Аппарат ЛЭТИ-60 можно использовать не только для пока¬
за диафильмов, но и для демонстрации диапозитивов. Для этого
достаточно сделать к нему приставку, общий вид которой при¬
веден на рисунке 1, а размеры — на рисунке 2. Насадку для диа¬
позитивов изготавлизают из листового алюминия или белой
жести. Ее основание А можно сделать из прибора «термокрест»,
если прорезать в нем квадратное отверстие и проточить пазы,
служащие для того, чтобы вставить насадку в кронштейн-держа¬
тель аппарата ЛЭТИ-60. Планки В (рис. 2,6) служат направ¬
ляющими для рамки с диапозитивами. Последнюю (рис. 3) из-
2 Заказ Ня 3657
17
а
Рис. 2 ft
Рис. 3
готавливают из дерева (мож¬
но использовать масштабные
линейки). В нижней части
рамки напильником нареза¬
ют зубцы (рис. 3, а) . Диапо¬
зитивы вставляют в направ¬
ляющие пазы П (рис. 3, б)
вплотную один к другому. Во
время демонстрации диапо¬
зитивов зубцы цепляются за
металлические пластинки М,
расположенные на специаль¬
ной насадке Я (ее вытачивают на станке), которую предваритель¬
но вплотную надевают на.ведущую шестерню электродвигате¬
ля Ш. Форма и размеры насадки Я понятны из рисунка 4.
При включении двигателя насадка Я вращается, а рамка с
диапозитивами перемещается в~ту или иную сторону.
П. П. Селиванов
(УССР, г. Одесса)
СИНХРОНИЗИРУЮЩАЯ ПРИСТАВКА
К АВТОМАТИЧЕСКОМУ ДИАПРОЕКТОРУ
При проецировании на экран диапозитивов с помощью авто¬
матических диапроекторов типа «Протон» часто возникает необ¬
ходимость синхронизации смены кадров со звуковым сопровож¬
дением, записанным на магнитофонную ленту. Применение
программных устройств в виде наборного поля контактов на
кассете, число и взаимное положение которых определяет время
экспозиции диапозитивов, требует кропотливой настройки прог¬
раммы к каждому отдельному сопроводительному тексту.
Предлагаемая приставка позволяет достаточно просто и на¬
дежно синхронизировать автоматическую смену кадров со звуко¬
вым сопровождением, записанным на магнитофоне, причем са¬
ма программа смены кадров задается паузами в звуковом соп¬
ровождении длительностью не менее 5 с.
Принципиальная электрическая схема приставки изображе¬
на на рисунке, где транзисторы Т\ и Т2 типа МП42Б, диоды Д{
типа Д226, Д2 типа Д814А, конденсаторы Сх и С2 соответствен¬
но емкостью 10 мкФ (15 В) и 200 мкФ (25 В), резисторы /?ь R2,
Яз соответственно сопротивлением 8,2; 680 и 3,9 кОм. Рассмотрим
работу приставки.
Выходные клеммы /, 2 приставки подключают к разъему
«мощный выход» магнитофона, при этом сигнал звукового со¬
провождения через согласующий трансформатор Трх поступает
на вход детектора Д\ и заряжает конденсатор Сх до напряжения,
ограниченного опорным диодом Д2. Таким образом, при нали-
2*
19
чии звукового сопровождения транзисторы Тх п Т2 оказываются
запертыми, ток через реле Р\ не идет, и напряжение на кон¬
денсаторе С2 равно напряжению источника питания.
Когда наступает пауза звукового сопровождения, конденса¬
тор Сх перезаряжается от источника питания через резистор Р2.
(Длительность этого перезаряда выбирают равной 5 с и настра¬
ивают подбором сопротивления резистора R2.) Благодаря при¬
менению опорного диода Д2 время перезаряда конденсатора Сх
практически не зависит от уровня воспроизведения сигнала маг¬
нитофона. В процессе перезарядки конденсатора Сх транзисторы
Тх и Т2 отпираются. Как только сила тока в коллекторной цепи
транзистора Т2 станет достаточной для срабатывания реле Рь
происходит переброс контакта 1 реле, при этом транзисторы
Ти Т2 отключаются от источника питания, и с замкнутых контак¬
тов 3, 1 на реле Рх подается команда об автоматической смене
диапозитива. По мере того как разряжается конденсатор С2,
уменьшается сила тока в коллекторных, цепях транзисторов, как
только сила тока в коллекторной цепи транзистора Т2 достигнет
значения силы тока отпускания реле Рх, замкнутся контакты 2, 1
и транзисторный усилитель окажется подключенным через ре¬
зистор i?3 к источнику питания. Сопротивление резистора /?з под¬
бирают таким, чтобы коллекторный ток транзистора Т2 был
меньше тока срабатывания реле Рх. Таким образом, хотя тран¬
зисторы Тх и Т2 остаются открытыми на все время паузы звуко¬
вого сопровождения, реле Рх срабатывает за этот промежуток
времени только один раз и выдает команду фиксированной дли¬
тельности на перемещение лишь одного кадра.
В синхронизирующей приставке нами использовались резис¬
торы МЛТ-0,5, электролитические конденсаторы К50-6, реле
РЭС10 (паспорт PC 4.524.303), а в качестве согласующего транс¬
форматора Трх — выходной трансформатор от транзисторного
приемника «Селга», Постоянное напряжение подавалось от
20
выпрямительного мостика унифицированного блока питания маг¬
нитофона «Романтик».
Описываемая схема синхронизирующей приставки была ис¬
пользована вместе с магнитофоном «Романтик» и диапроектором
«Протон» при конструиррвании «консультирующей» машины.
Такая машина дает возможность показать заранее подготовлен¬
ную программу диапозитивов и воспроизводить звуковой текст к
ней без вмешательства оператора. Для пуска ее достаточно ус¬
тановить первый кадр и включить магнитофон на воспроизведе¬
ние текста к этому кадру, после чего каждый новый кадр будет
сопровождаться соответствующим ему звуковым текстом лю¬
бой продолжительности.
А. Н. Кузибецкий, А. П. Попов
(г. Волгоград)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
В ФИЗИЧЕСКИХ ДЕМОНСТРАЦИЯХ
При проведении целого ряда учебных опытов, требующих на¬
личия приборов для измерения, например силы (или веса тела)
в пределах 10~3—1,0 Н, целесообразно типовое оборудование
дополнить специальными потенциометрическими датчиками.
Необходимые измерения при этом производят путем преобразо¬
вания исходной величины в смещение контакта потенциометра
относительно положения, соответствующего равновесию моста
постоянного тока. Показывающим прибором является гальвано¬
метр. В данной статье опи¬
сываются датчики, достаточ¬
но удобные в работе и обес¬
печивающие широкий диапа¬
зон их использования в
практике обучения физике.
Они изготавливаются на ба¬
зе переменных непроволочных
резисторов группы А (с ли¬
нейной зависимостью регули¬
руемой величины от угла
поворота подвижного контак¬
та), например, типа СП1,
СПИ, ВК, СПО сопротивле¬
нием 4,7 кОм (допустимые
значения от 1,5 до 10 кОм).
Датчики включают в цепь
постоянного тока, питаемого
напряжением 3—30 В, по схе¬
ме, показанной на рисунке 1.
Чувствительность установки
21
J-303
пропорциональна питающему
напряжению. При нарушении
контакта движка потенцио¬
метра /?4 (служащего датчи¬
ком) гальванометр оказыва¬
ется отключенным от цепи,
что исключает возможность
его порчи. Наибольшая чув¬
ствительность установки до¬
стигается применением в ка¬
честве гальванометра прибо-
. ра, возможно более чувстви¬
тельного по току.
1. Использование датчи¬
ков измерения малых значе¬
ний сил. У резистора типа
СП удаляют ось с подвиж¬
ным контактом. (При этом
проволочный токосъемник
следует сохранить, так как
он потребуется в дальней¬
шем.) К лепестку 1 (рис 2.)
припаивают стальную плас¬
тину 2 (толщиной 0,2—1мм),
являющуюся пружиной дат¬
чика, к последней (также
пайкой) присоединяют подвижной контакт 3 (одну из проволок
токосъемника). На пластине 2 укрепляют трубчатый алюминие¬
вый рычаг 4 (диаметром 2,5—5 мм), к которому при измерение
22
Рис, 3
Рис. 2
ях и прикладывают действующую силу. На место ранее удален¬
ной оси резистора устанавливают металлический штырь диамет¬
ром 6 мм, зажимаемый лапкой универсального штатива и обес¬
печивающий крепление всего датчика в определенном положении.
(Желательно изготовить три датчика, жесткости пружин которых
относятся как 1:10:100; такой комплект позволит измерять силы
в широком диапазоне значений — от 10~3 до 1,0 Н.) При подго¬
товке прибора к работе гальванометр и датчик включают в схему
моста, который после подачи питающего напряжения балансиру¬
ется. Покажем, как используют датчики для измерения малых
сил. В качестве примера рассмотрим установку для демонстрации
закона Кулона (рис. 3).
Заряжаемые тела представляют собой пластмассовые шары
для игры в «пинг-понг», покрытые проводящей краской (напри¬
мер, приготовленной из алюминиевой пудры, разведенной оли¬
фой). К шарам эпоксидным клеем приклеивают стержни из стек¬
лотекстолита или органического стекла. Диаметр одного из них
подбирают таким, чтобы стержень мог входить в трубчатый ры¬
чаг датчика с небольшим трением. Стержень второго тела за¬
жимают в штативе. (Возможны и другие способы крепления,
обеспечивающие надежную электрическую изоляцию.)
Оба шара при проведении опытов заряжаются от высоко¬
вольтного преобразователя, обеспечивающего напряжение на вы¬
ходе до 30 кВ. Описанный датчик целесообразно также исполь¬
зовать при изучении действия магнитного поля на ток, взаимо¬
действия параллельных токов, в опытах по аэродинамике и др.
2. Применение датчика для дистанционных измерений. В этом
случае измерительный прибор (гальванометр) может быть уста¬
новлен стационарно, а чувствительные датчики — на движущихся
объектах. Последнее особенно удобно при изучении динамики,
в частности при исследовании явлений невесомости и перегрузки.
Рассмотрим схему установки, используемую для этой цели
(рис. 4). Плоское основание 1 размером 200X150X10 мм под¬
вешивают к машине Атвуда в качестве одного из грузов. На ос¬
новании укрепляют пружину 2, к которой привязывают нить,
охватывающую блок 3 (диаметром 40—50 мм). Блок насажива¬
ют на ось потенциометра 4. К противоположному концу нити
подвешивают груз 5. Массу груза и жесткость пружины подби¬
рают такими, чтобы при отсутствии ускорения пружина растя¬
гивалась под действием груза примерно на 10 мм.
При проведении опытов потенциометр 4 подключают к изме¬
рительному мосту (см. рис. 1) гибкими тонкими проводниками.
После включения установки производят градуировку шкалы, за¬
ключающуюся в следующем:
1) снимают груз 5 и производят балансировку до установки
стрелки гальванометра на нуль шкалы (используют одну из
стандартных шкал гальванометра);
2) подвешивают один за другим грузы известной массы и фик¬
сируют показания гальванометра;
23
3) показания гальваномет¬
ра по шкале приводят в соот¬
ветствие со значениями сил тя¬
жести, действующими на грузы
(считают вес грузов при от¬
сутствии ускорения численно
равным силе тяжести).
Выбор удобного предела
измерения можно осущест¬
вить либо изменением напря¬
жения питания моста, либо
путем подбора добавочного
сопротивления к гальвано¬
метру.
Заметим, что при проведе¬
нии ' демонстрационных опы¬
тов по изучению явлений не¬
весомости и перегрузки гра¬
дуировку можно и не прово¬
дить. Достаточно добиться
установки нуля и выбрать та¬
кой груз, чтобы стрелка гальванометра при измерении веса откло¬
нилась по крайней мере наполовину шкалы в том случае, когда
система находится в покое. После этого основание 1 приводят в
ускоренное движение, а по показаниям гальванометра оценива¬
ют характер изменения веса тела (груза).
Потенциометрические датчики могут быть использованы так¬
же в конструкциях акселерометров, устроенных аналогично опи¬
санной установке.
Приборы и установки, разработанные на базе потенциомет¬
рических датчиков, после предварительной градуировки обеспе¬
чивают получение количественных данных, удовлетворительных
не только для демонстрационных опытов, но и при выполнении
некоторых работ физического практикума в VIII—X классах.
Комплект датчиков позволяет существенно разнообразить учеб¬
ный эксперимент.
А. Н. Кузибецкий, А. П. Попов
(г. Волгоград)
ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СЕКУНДОМЕР
При выполнении ряда лабораторных работ и работ физиче¬
ского практикума возникает необходимость измерения проме¬
жутков времени 0,1—100 с. Наличие секундомера с пределами
измерения ‘ 10~3—102 с позволяет существенно расширить круг
изучаемых явлений.
Для этих целей на занятиях физико-технического кружка с
учащимися можно изготовить электронные секундомеры, отли¬
24
чающиеся простотой схемы (рис. 1), которая представляет собой
вольтметр на полевом транзисторе Ти измеряющий напряжение
на обкладках конденсатора С\. Последний заряжается через од¬
но из сопротивлений Ri—i?5 от батареи Бг (типа «Крона») так,
что заряд, а следовательно, и напряжение пропорциональны вре¬
мени либо нажатия кнопки Кнх «Пуск», либо замыкания контак¬
тов, присоединяемых к гнездам Гни Гн2. После снятия отсчета
по микроамперметру со шкалой, проградуированной непосредст¬
венно в единицах времени, конденсатор* может быть разряжен
нажатием кнопки Кн2 «Сброс». Для удобства снятия отсчета
конденсатор Сх должен обладать малой утечкой; это условие
выполняется автоматически для конденсаторов типа КПГ и КСГ
(утечкой через затвор транзистора Тi можно пренебречь, так
как входное сопротивление последнего не менее 1010 Ом).
Компоновка деталей и вид на переднюю панель секундомера
показаны на рисунке 2; при монтаже важно обеспечить надеж¬
ную изоляцию всех частей во избежание как утечки, так и порчи
транзистора (желательно применение проводов во фторопласто¬
вой изоляции).
При ознакомлении с работой прибора учащимся рекоменду¬
ется установить переключатель пределов измерения в положе¬
ния «до 10» и «до 100» с и нажать*кнопку «Пуск». Стрелка при¬
ходит в сравнительно медленное движение, а затем останавли¬
вается— в этот момент снимается отсчет. При нажатии кнопки
«Сброс» стрелка возвращается в начальное положение. Таким
образом наглядно показывается работа прибора.
В качестве примера рассмотрим применение прибора в опыте
по определению времени соударения тел.
Два стальных шара подвешивают на тонких проводниках к
универсальному штативу так, чтобы проводники были электри¬
чески изолированы друг от друга и от штатива. Концы провод¬
ников подключают к гнездам Гщ п Гн2 секундомера. Шары раз¬
водят в стороны, и секундомер включается. После нажатия кноп¬
ки «Сброс» его стрелка должна находиться на «нуле» (при
необходимости учитель производит установку стрелки на нуль вра-
26
щением оси резистора /?7). Затем шары отпускают, а после со¬
ударения удерживают от соприкосновения введением между ни¬
ми изолирующей пластины. Показания прибора записывают
(обычно они составляют 0,005—0,020 с, так что секундомер ис¬
пользуют на первых двух пределах измерения).
Прибор экономичен в работе — одной батареи хватает на
60 ч непрерывной работы (время нормальной эксплуатации в
течение года). Дрейф «нуля» весьма мал — только за счет,из¬
менения напряжения батареи. Электробезопасность секундомера
обеспечена низковольтным питанием, а автономность последнего
представляет несомненное удобство.
А. Ф. Шибаев
(г. Москва)
датчики для включения
И ВЫКЛЮЧЕНИЯ СЕКУНДОМЕРА
В статье описаны йростые конструкции различных электриче¬
ских датчиков, позволяющие совместно с имеющимся в школе
оборудованием производить измерения любых промежутков вре¬
мени при движении тела как в вертикальной, так и в горизон¬
тальной плоскости. Предлагаемые датчики могут быть использо¬
ваны при проведении демонстрационных опытов по механике, а
также работ физического практикума.
Индукционные датчики
В качестве датчиков используют две катушки с сердечниками
от разборного электромагнита из фронтального набора. Совмест¬
но с радиореле из комплекта приборов по радиотелемеханике и
переменного резистора на 1—5 кОм собирают установку по схе¬
ме, приведенной на рисунке 1.
Принцип работы схемы заключается в том, что если на обмот¬
ку поляризованного реле, например РП-5, подать постоянное под-
Рис. 2
27
магничивание (т. е. реле дер¬
жать на пороге срабатывания), а
потом воздействовать импульсом
тока, реле «запомнит» это воз¬
действие: включит исполнитель¬
ную цепь, если импульс совпа¬
дает с направлением тока под-
магничивания, или выключит,
если импульс тока в обмотке
реле направлен противоположно
току подмагничивания. В данном
случае импульс тока создается
с помощью постоянного магнита,
который движется мимо катушки датчика. Как видно из схемы,
катушки включены навстречу друг другу. Если, например, мимо
первого датчика (Ь{) пронести постоянный магнит, то возникает
импульс тока и, усиленный транзистором МП41 (который пред¬
ставляет собой усилитель постоянного тока), воздействует на ка¬
тушку. Реле сработает и включит секундомер. Продолжая дви¬
жение магнита (перемещая его вперед тем же полюсом), воздей¬
ствуют на вторую катушку — датчик (L2), включенный навстречу
первому. В нем также возникает импульс индукционного тока, но
обратной полярности, который, воздействуя на катушку, отклю¬
чает секундомер.
Подмагничивание подается с помощью потенциометра Ri
Рис. 3
Рис. 4
28
(1,5 кОм). Это осуществляется так.
Вначале поворачивают ручку потен¬
циометра до тех пор, пока не вклю¬
чится секундомер, затем ее вращают
в обратном направлении до момента
отключения секундомера, после чего
установку можно считать готовой к
проведению опыта. В качестве* потен¬
циометра используют переменный ре¬
зистор типа СП-2 сопротивлением 1—
5 кОм, в качестве магнита — керами¬
ческий магнит из школьного набора.
Магнит прикрепляют к тележке с по¬
мощью пластилина (рис. 2; роль те¬
лежки здесь выполняет игрушечный
автомобиль).
Небольшой переделке подвергают
катушку с сердечником. В центре ее
пластмассового корпуса сверлят от¬
верстие под резьбу Мб, в которую
ввинчивают штатив и закрепляют гай¬
кой (рис. 3). Для удобства пользова¬
ния датчиками зажимы на катушке
с сердечником могут быть заменены
на универсальные.
На рисунке 4 показана установка,
собранная для определения времени
движения тележки.
В качестве индукционных датчи¬
ков могут быть использованы обмот¬
ки с сердечниками от малогабарит¬
ных реле (например, типа РСМ, РЭС
и др.). Для них следует сделать ла¬
тунные или алюминиевые держатели,
которые позволят крепить датчики к
демонстрационному метру, к стойке
с делениями от машины Атвуда
(рис. 5), а также устанавливать в
штативе (рис. 6).
Конструктивно держатель
может быть выполнен в виде фигур¬
ной скобы. Для установки в штативе
в нижней части скобы сверлят отвер¬
стие под резьбу Мб. Концы обмотки
катушки выводят под зажимы с обо¬
значением начала и конца обмот¬
ки., Небольшая стрелка указывает
деление, от которого производят от¬
счет.
Рис. 5
29
Рис. 6
Фотодатчики
Рис. 8
Применение фотодат¬
чиков также предлагает
использование «запоми¬
нающих» возможностей
поляризованного реле.
Однако в этом случае ре¬
ле включают по более
простой схеме (рис. 7),
Схема представляет со¬
бой равноместный мост, в
плечи которого включены
фоторезисторы, а в диа¬
гонали моста — катушка
реле и источник питания.
Освещают фоторезисто¬
ры, и ручкой потенцио¬
метра (/?3=1,5 кОм) ус¬
танавливают реле на по¬
рог срабатывания.
При затемнении одно¬
го из фоторезисторов его
сопротивление резко ме¬
няется, нарушая балан¬
сировку моста, и через
реле потечет ток. Если
направление этого тока
совпадает с направлени¬
ем тока подмагничива-
ния, реле включит секун?
домер, который будет счи¬
тать до тех пор, пока не
перекроется второй дат¬
чик и ток потечет уже в
другом направлении. В
последнем случае секун¬
домер выключается.
Собранная установка
для проведения работы
практикума по опреде¬
лению ускорения при сво¬
бодном падении показа¬
на на рисунке 8.
Конструкция освети¬
теля и .фотодатчика по¬
нятна из рисунка 9, где
а — осветитель с лампой
накаливания 36 В, 0,26 А
ЗА
и линзой +8 ... + 12 дптр, б — приемное устройство, R — фото-
резистор или фотодиод.
~ В качестве фотоприемника могут быть использованы любые
фоторезисторы, фотодиоды, кремниевые фотоэлементы.
Для удобства пользования установкой (см. рис. 8) осветитель
и фотоприемник целесообразно разместить на одной П-образной
скобе. Такая конструкция не требует дополнительной настройки
оптической системы при перемещении фотодатчиков. Скоба мо¬
жет быть выполнена из стального прутика диаметром не менее
5 мм. На концах ее делают резьбу для крепления осветителя и
фотодатчика.
А. В. Конев
(Тувинская АССР, а. Кызыл)
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТЕКЛЯННОЙ ДОСКИ
В КАБИНЕТЕ ФИЗИКИ
В ряде физических кабинетов нашли, применение классные
доски, выполненные из специально обработанного стекла. При¬
менять стеклянную доску целесообразно в том случае, если часть
ее будет служить одновременно экраном. Это возможно тогда,
когда препараторская находится за передней стеной класса.
Применение такой доски понятно из рисунка: справа изобра¬
жен план препараторской, слева — класса.
В стене 1 пробивают отверстие 2 размером 900X1200 мм.
Стеклянную доску 3 крепят непосредственно к стене с помощью
двух брусков (верхнего и нижнего). Последние прочно кре¬
пят на стене, а в их пазы вдвигают два стекла размером
3]
Рис.
1300X1500 мм. Рабочую по¬
верхность доски нужно за¬
матовать порошком для при¬
тирки клапанов, красить внут¬
реннюю поверхность следует
нитрокраской с помощью
краскопульта. Доску красят
не полностью, оставляя неза¬
крашенной ту часть, которая
находится против отверстия в
стене.
У задней стены препара¬
торской помещают диапроек¬
тор 4, к которому присоединен
провод 5 дистанционного уп¬
равления. Пульт дистанцион¬
ного управления аппаратом 6
находится в демонстрацион¬
ном столе 7 вместе с пульта¬
ми дистанционного управления
аппаратами «Украина-4» и
«ЛЭТИ-60» (последние располагают в классе против обычного
экрана).
Использование вышеописанного экрана не требует затемне¬
ния класса.
МЕХАНИКА
Л. И. Анциферов
(г. Курск)
КОМПЛЕКТ ПРИБОРОВ ПО МЕХАНИКЕ
В статье описан комплект приборов, предназначенный для
демонстрации школьных опытов по кинематике и динамике рав¬
номерного и равнопеременного движения, по законам сохранения
импульса и энергии, а также изложено содержание и методика
проведения этих опытов.
В состав комплекта входят следующие приборы и принад¬
лежности: дорога со шкалой, легкоподвижная тележка (2 шт.),
блок управления, автоматическое и ручное пусковое устройство,
электромеханическая капельница, динамометр, герконный дат¬
чик, контактный датчик, грузы (3 шт.), перегрузки (2 шт.), маг¬
нит (2 шт.), полочка, резинка (2 шт.), блок, тормоз, штекер
(3 шт.), перемычка.
Дорога со шкалой на стальном уголке размером 30X30 мм,
длиной 1,2 м (рис. 1). На концах уголка винтами закреплены
текстолитовые бортики размером 110X60 мм, толщиной 15 мм.
Между бортиками натянуты стальные прутки 1 диаметром 5 мм,
расположенные друг от друга на расстоянии 56 мм. Прутки опи¬
раются . на регулировочные фасонные гайки из пластмассы 2.
Винты под фасонные гайки укреплены на кронштейнах, привин¬
ченных к уголку.
В бортики ввинчены стальные наконечники 3, с помощью ко¬
торых дорога укреплена в штативах. На одном из бортиков
смонтированы два гнезда 4 для пускового устройства и штеп¬
сельный разъем 5. К последнему подводят провода от двух прут¬
ков и от двух гнезд. Рядом с другим бортиком (рис. 2) распо¬
ложена тормозная колодка /, представляющая собой два пласт¬
массовых бруска размером 40X15X15 мм, прикрепленные к
пластине рессорной подвеской с помощью пружин. Тормозная ко¬
лодка съемная. Чтобы снять колодку, необходимо отвернуть
снизу фасонную гайку.
С лицевой стороны дороги смонтирована метровая шкала с
ценой деления 5 см. Над шкалой имеется светлая полоска (эк¬
ран), наклоненная под углом 45°, для нанесения меток при дви¬
жении тележки.
Легкоподвижная тележка сконструирована из двух стальных
уголков размером 30X20 мм, длиной 110 мм, пластмассовой
крышки 100X75X5 мм и четырех латунных колес с впрессован-
3 Заказ № 3657
33
ными в них шарикоподшипниками (рис. 3). По ободу каждого
колеса сделан желоб прямоугольной формы. Каждая пара колес
имеет электрический контакт с уголком, к которому она при¬
винчена.
В ряде опытов тележке необходимо сообщить определенную
начальную скорость. Для этой цели служит резинка длиной
5 см с петлями на концах. Петли набрасывают на винты, ввер¬
нутые в уголки тележки. При перемещении тележки до сцепле¬
ния с пусковым устройством резинка натягивается, упираясь в
стойку 6 (см. рис. 1), смонтированную на уголке дороги.
В крышке тележки сделаны два гнезда, имеющие электриче¬
ский контакт с уголками. В гнезда вставляют штекеры, капель¬
ницы и Вилку герконного датчика. Кроме того, в крышке име¬
ются отверстия для крепления динамометра и штекера.
Когда тележка подъезжает к концу дороги, то тормозная
колодка с достаточным трением входит между уголками и быст¬
ро гасит скорость тележки.
С одной стороны тележки на текстолитовом бортике смонти¬
рован стальной цилиндрик, служащий для сцепления ее с элект¬
ромагнитом пускового устройства и для удержания керамиче¬
ских магнитов.
Общий вид блока управления показан на рисунке 4. Блок
питается от сетевого напряжения 220 В и предназначен для со¬
здания электрических импульсов, следующих через 1 и 0,5 с, а
также для преобразования сигналов, . идущих от датчиков. На
лицевой панели блока управления смонтированы переключатель,
34
Рис. 3
клеммы подключения гальвано¬
метра, служащего для измерения
скорости и ускорения, клеммы
(/) подключения секундомера,
сигнальная лампочка, кнопка
«Пуск», винты регулировки вы¬
ходных сигналов скорости (V)
и ускорения (а). От блока уп¬
равления отходят провода, сое¬
диненные с разъемом (который
можно подключать к разъему
дороги или к разъему датчика
скорости), а также провод с вил¬
кой для включения в сеть.
При установке переключате¬
ля в положение 1 с (или 0,5 с)
и нажатии на кнопку «Пуск» сигнальная лампочка мигает че¬
рез 1с (или 0,5 с), при этом импульсы 25 В подаются на прутки
дороги. Одновременно с началом первого импульса с гнезд пу¬
скового устройства снимается сигнал 25 В, чтобы электромагнит
отпускал тележку.
При измерении скоростей и ускорений разъем блока управ¬
ления соединяют с разъемом датчика скорости, а переключа¬
тель устанавливают в положение V или а. Сигнал от датчика
соответствующим образом преобразуется в блоке управления.
Принципиальная схема блока управления приведена на ри¬
сунке 5. Основными узлами являются блок питания со стабили¬
затором напряжения, датчик импульсов, собранный на транзисто¬
рах Т{—Г3, преобразователь с . усилителем на транзисторах
Т4—Т8 и коммутационная часть, содержащая переключатель,
кнопку и контакты реле.
Датчик импульсов работает либо в режиме датчика прямо¬
угольных импульсов через 0,5 и 1 с, либо в режиме ключа. Ка¬
либровка промежутков осуществляется подбором резисторов
R?—Rg. Когда переключатель находится в положении «0,5» или
«1 с» и при этом контакты кнопки «Пуск» замкнуты, датчик
импульсов работает в режиме мультивибратора, контакты реле
замыкаются и размыкаются через равные промежутки времени.
Нестабилизированное напряжение подается на сигнальную лам¬
почку, которая то загорается, то гаснет. Кроме того, напряжение
подается или на прутки дороги через штекеры 1, 3 разъема, или
на электромагнит пускового устройства через штекеры 3, 5. Та¬
ким образом, когда нажата кнопка, импульсы напряжения че¬
рез прутки дороги, колеса и уголки подаются на гнезда тележки,
а следовательно, и на те приборы, которые включены в эти
гнезда.
Если переключатель стоит в положении t, датчик импульсов
работает в режиме триггера. Переключение триггера возможно
либо кнопкой «Пуск», либо путем замыкания штекеров 1, 3
3*
35
Рис. 5
разъема, при этом контакты реле замыкаются или размыкают¬
ся. Подключив к клеммам «/» секундомер, можно отсчитывать
время, в течение которого были замкнуты контакты реле.
Когда переключатель находится в положении «К» или «а»,
стабилизированное напряжение подается на преобразователь с
усилителем. В этом случае разъем блока управления должен
быть соединен с разъемом датчика скорости. Датчик преобра¬
зует постоянный ток в пульсирующий с частотой, пропорциональ¬
ной скорости тележки. Пульсирующий сигнал подается на вход
усилителя, собранного на транзисторах ТА и Г5, на выходе кото¬
рого получается усиленный прерывистый сигнал. Этот сигнал
подается на транзистор Т6. Когда на последний подано напря¬
жение, транзистор запирается, а конденсатор С7 заряжается
через диод Д9. При снятии напряжения транзистор Т6 отпира¬
ется, а конденсатор С7 разряжается через транзистор, рези¬
стор R17 и катушку Lx. Напряжение на потенциометре RX7 про¬
порционально числу размыканий в единицу времени. Выходное
напряжение можно регулировать потенциометром R\7. Это по¬
зволяет подобрать соответствующую шкалу демонстрационного
амперметра для отсчета скорости тележки (шкалу 0—10).
На конденсаторе С8 и катушке Lx собран электрический
фильтр. Трансформатор . Тр2 (сердечник 4 см2, Lx—3500 витков
провода. ПЭЛ-0,1, Ь2—2600 витков провода ПЭЛ-0,1) фиксиру¬
ет всякое изменение силы тока через резистор RX7, причем на¬
пряжение на катушке L2 пропорционально изменению тока че¬
рез резистор R\7i т. е. пропорционально изменению скорости, а
следовательно, пропорционально ускорению тележки. Сигнал с
катушки L2 через усилитель постоянного тока, собранный на
транзисторах Т7у Т8, подается на гальванометр. Потенциометр
R22 служит для регулировки выходного напряжения. Это позво¬
ляет подобрать соответствующую шкалу ускорений.
Ручное пусковое устройство (рис. 6, а) выполнено в виде
защелки с плоской пружиной; автоматическое пусковое устрой¬
ство (рис. 6, б) представляет собой электромагнит и служит
для электрического запуска тележки. С помощью штекеров пу¬
сковое устройство устанавливают в гнездах - бортика дороги.
Электромеханическая капельница служит для нанесения ка¬
пель на экран дороги через
равные промежутки времени
(1 и 0,5 с). С помощью штеке¬
ров капельницу устанавлива¬
ют в гнезда тележки. Капель¬
ница состоит из электромагни¬
та и пипётки (рис. 7, а). По¬
следняя представляет собой
резиновый колпачок, надетый
на металлическую трубку.
Внутренний диаметр канала
трубки 0,8 мм. С внешней сто-
37
а
S
Рис. 7
роны трубка имеет резьбу, с помощью которой пипетка ввинчива¬
ется в брусок из оргстекла, последний в свою очередь привинчен
к корпусу электромагнита. Шток подвижного сердечника электро¬
магнита, проходя через брусок из оргстекла, упирается в пипетку.
В момент срабатывания электромагнита шток нажимает на пи¬
петку. Это приводит к выбросу капли туши (тушь предваритель¬
но разбавляют спиртом в соотношении 1 :2).
Датчик скорости (рис. 7, б) преобразует вращательное дви¬
жение в пульсирующий ток. На стержне датчика смонтирован
блок с диском, в котором просверлены отверстия, что позволяет
при вращении диска прерывать световой поток, идущий от лам¬
пы к фотодиоду ФД-2. Это вызывает* изменение тока через фо¬
тодиод. Электрическая схема датчика дана на рисунке 8,6 (на
рис. 8, а показана схема дороги и электромагнита пускового уст¬
ройства) .
При электрическом измерении скорости (или ускорения) те¬
лежки датчик укрепляют в штативе у конца дороги. Соединяют
разъемы блока управления и
датчика скорости: У противо¬
положного бортика в штативе
укрепляют блок (рис. 9). Че¬
рез этот блок и блок датчика
перебрасывают нить,, концы
которой связывают так, чтобы
образовавшееся кольцо было
слегка натянуто. Если в лю¬
бом месте кольца нить навер¬
нуть на штекер (один-два вит¬
ка), то при перемещении ште¬
кера вдоль дороги блоки бу¬
дут вращаться. Штекер мож¬
но вставить в любое гнездо
38
Рис. 9
тележки. Следовательно, блок датчика будет вращаться со ско¬
ростью, зависящей от скорости тележки.
Динамометр. Внешний вид динамометра показан на рисун¬
ке 10. Прибор смонтирован на алюминиевом основании полу¬
круглой формы диаметром 85 мм. Кинематическая схема дана
на рисунке 8, в.
Герконный датчик (рис. 11, сг) вставляют штекерами в гнезда
тележки; он служит для замыкания й размыкания цепи секун¬
домера при прохождении тележки мимо магнитов.
Контактный датчик (рис. 11, в) устанавливают на прутках
дороги, он служит для замыкания цепи в опытах по свободно¬
му падению.
Грузы показаны на рис. 11,6. Два груза имеют массу, рав¬
ную массе тележки (0,45 кг) и один — массе динамометра
(0)25 кг).
Перегрузки (рис. 11, к; 2 шт. по 25 г) служат для сообщения
тележке скорости; их располагают на полочке.
Магниты (рис. И, г) уста¬
навливают на экран дороги в
точках, при движении между
которыми необходимо отсчи¬
тывать время.
Полочка (рис. 11,5) слу¬
жит для удерживания пере¬
грузок. На стержне полочки
имеется отверстие для креп¬
ления нити.
Резинка (рис. 11, в) дли¬
ной 5 см с петлями на концах
служит для придания тележ¬
ке необходимой скорости в
Рис. 10
39
начале пути "(резинки применяют также в опытах по взаимодей¬
ствию тел).
Блок (рис. 11, ж) служит для изменения направления дви¬
жения нити.
Тормоз (рис. 11,з.) создает трение во время движения те¬
лежки.
За штекер (рис. 11, и) цепляют кольцо нити, перекинутой че¬
рез блоки.
Перемычка (рис. 11, л) изготовлена из алюминиевого или
медного провода и служит для сцепления тележек в опытах по
взаимодействию тел. Концы перемычки вставляют в отверстия
тележек.
Комплект позволяет демонстрировать опыты в VI и VIII
классах. В VI классе целесообразно показать учащимся опыты
1, 2, 3. Для VIII класса пригодны все опыты.
Опыт 1. Относительность движения. Система отсчета.
Оборудование: дорога, тележка, катки трибометра (или каранда¬
ши), штатив.
Опыт 2. Равномерное движение.
Оборудование: тележка, дорога, капельница, ручное пусковое уст¬
ройство, блок управления, разбавленная тушь, кусок ткани.
Для компенсации трения дорогу устанавливают с небольшим
уклоном. Это обеспечивает равномерное движение тележки. (На¬
чальный участок должен быть приблизительно на 0,5 см выше
конечного.) Разъем дороги соединяют с разъемом блока управ¬
ления. В гнезда бортика дороги устанавливают ручное пусковое
устройство. На винты в уголках тележки набрасывают резинку.
Рис. 11
40
Пипетку с тушью ввинчивают в капельницу, которую устанав¬
ливают на тележке (рис. 12).
При перемещении тележки к пусковому устройству резинка,
цепляясь за стойку, натягивается, а бортик тележки входит в
зацепление с защелкой. Поскольку на ручном пусковом устрой¬
стве имеются две защелки, силу натяжения резинки можно ре¬
гулировать различно (т. е. после пуска можно менять началь¬
ную скорость тележки).
Для проведения опыта блок управления включают в сеть, а
переключатель устанавливают в положение «1 с». Тележку со¬
единяют с пусковым устройством. Пальцем одной руки нажи¬
мают на пружину ручного пуска и, когда тележка пройдет путь
«10—20 см, пальцем другой руки надавливают на кнопку
«Пуск» (в таком положении ее удерживают в течение всего
времени движения тележки); на экране будут оставаться капли
туши. (Нужно подобрать такой угол наклона дороги, чтобы
расстояния между каплями на экране были одинаковыми, на¬
пример 26 см.) Далее, устанавливают переключатель в положе¬
ние «0,5» и демонстрируют опыт, в котором капли располагают¬
ся на расстояниях, в 2 раза меньших, по сравнению с предыду¬
щим вариантом. (Чтобы продемонстрировать движение с другой
скоростью, тележку приводят в зацепление с другой защелкбй.)
Опыт 3, Скорость равномерного движения.
Оборудование: дорога, тележка, ручное пусковое - устройство, блок
управления, датчик скорости, гальванометр от демонстрационного амперметра
со шкалой 0—10, секундомер, герконный датчик, магниты.
а) Наклон дороги и пуск тележки такие же, как и в опыте 2.
Вдоль дороги на экран устанавливают магниты на расстоянии
20—30 см друг от друга. Штекеры герконного датчика вставля¬
ют в гнезда тележки (рис. 13). К клеммам «t» блока управле¬
ние, 12
41
ния подключают секундомер. Переключатель устанавливают в
положение «(».
При выполнении опыта (после пуска) тележка движется
равномерно. Когда она проходит мимо магнитов, срабатывает
герконный датчик. Первый импульс датчика включает секундо¬
мер, а второй — выключает. Скорость тележки вычисляют по рас¬
стоянию между магнитами и времени прохождения этого рас¬
стояния. Опыт повторяют при разных расстояниях между маг¬
нитами и на различных участках дороги.
б) Наклон дороги и пуск тележки такие же, как и в опыте 2.
В начале дороги в муфте штатива укрепляют блок, а в кон¬
це дороги — датчик скорости. Через блоки перебрасывают коль¬
цо из нити. На штекер наматывают 1—2 витка нити и устанав¬
ливают его в гнездо тележки (см. рис. 9). Соединяют разъем
датчика скорости и блока управления. К клеммам «V» подклю¬
чают гальванометр со шкалой 0—10. (Переключатель ставят в
положение «У».) При демонстрации опыта тележка (после пу¬
ска) движется равномерно. Гальванометр показывает ее ско¬
рость (цена деления 0,1 м/с).
Примечание. До уроков показания гальванометра приводят в соот¬
ветствие с рассчитанной скоростью (регулировочный винт «V» отверткой по¬
ворачивают в необходимую сторону; в дальнейшем при выполнении всех
опытов винт не трогают) и вычисляют его цену деления в единицах скорости.
Опыт 4. Средняя и мгновенная скорость.
Оборудование то же, что и в опыте 3.
а) Установку собирают так же, как и в опыте 3, а; однако
наклон дороги делают большим (высота наклонной плоскости
должна быть —4 см),
42
Для выполнения опыта магниты помещают на расстоянии
60—80 см друг от друга. По секундомеру определяют время
равноускоренного движения тележки между магнитами и нахо¬
дят, среднюю скорость.
При введении понятия мгновенной скорости показывают се¬
рию подобных опытов, постепенно приближая магниты к опре¬
деленной точке (например, к делению 0,6), для которой и вы¬
числяют скорость. Целесообразно сближение магнитов довести
до такого момента, когда расстояние между ними будет ^5 см.
б) Установку собирают так же, как и в опыте 3, б, а наклон
дороги такой же, как в опыте 4, а. После пуска тележки галь¬
ванометр будет показывать мгновенную скорость равноускорен¬
ного движения.
Опыт 5. Равноускоренное движение.
Оборудование: дорога, тележка, капельница, блок управления, ав¬
томатическое пусковое устройство, тушь, кусок ткани, гальванометр, датчик,
скорости, блок.
а) Дорогу устанавливают под углом к горизонту. Угол на¬
клона следует выбрать таким, чтобы тележка проходила рас¬
стояние 0,9 м за 3 с. (Высота наклонной плоскости ^3 см.)
Пуск тележки автоматический. На тележку помещают напол¬
ненную тушью капельницу. Соединяют разъем блока управления
с дорогой. Переключатель ставят в положение «1с» (рйС. 14).
Для демонстрации опыта тележку подводят к электромагниту
пускового устройства. Нажимают на кнопку «Пуск» и удержи¬
вают ее в течение всего времени движения тележки. При этом
капли туши остаются в точках 0; 0,01; 0,4; 0,9 м. Повторяют
опыт: капли падают на те же места.
Из данных опыта легко убедиться, что пути, пройденные те¬
лежкой последовательно за 1-ю, 2-ю и 3-ю секунду, относятся
43
■0
RH7k R5
как 1:3:5. Опыт повторяют
при интервалах 0,5 с.
б) Установку собирают так
же, как и в опыте 4, б. Вы¬
числяют мгновенную скорость
Рис. 2
в точках 0,1; 0,4; 0,9 м (через равные промежутки времени).
Убеждаются, что скорость через равные промежутки времени воз¬
растает на одно и тоже значение.
В. Н. Чувашов
(Удмуртская АССР, г. Глазов)
КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗАКОНОВ КИНЕМАТИКИ
Предлагаемый комплект оборудования используется нами
уже несколько лет для изучения законов кинематики в практи¬
куме по физике VIII класса и для демонстраций на уроках фи¬
зики. В его состав входят следующие приборы: самодвижущаяся
тележка для' опытов по механике, световой электронный метро¬
ном, диск на оси с укрепленным на нем световым электронным
метрономом, наклонные направляющие для диска и измеритель¬
ная лента.
Существенной частью комплекта служит световой электрон¬
ный метроном (рис. 1), испускающий световые импульсы через
равные промежутки времени. Продолжительность таких про¬
межутков можно регулировать (от 2 до 0,3 с).
Электрическая схема метронома приведена на рисунке 2.
В ней используются два транзистора Т\ и Т2 различной прово¬
димости (Тх типа МП37, Т2 типа МП39). Возбуждение усилите-
Рис. 3
44
ля осуществляется с помощью положительной обратной связи
через конденсатор Амплитуду тока в цепи можно регулиро¬
вать подстрочным резистором R$ (470 кОм), а продолжитель¬
ность промежутков времени между последовательными световы¬
ми импульсами — переменным резистором R2 (250 кОм). Питание
прибора осуществляется от батареи «Крона». Монтажную пла¬
ту и «Крону» размещают в коробочке размером 55X45X35 мм,
в одну из стенок которой вмонтирована лампочка, дающая све¬
товые вспышки. Покажем, как используется данный комплект
оборудования в опытах по кинематике.
Равномерное прямолинейное движение. На самодвижущуюся
тележку, подготовленную к прямолинейному движению, ставят
электронный световой метроном, настроенный на частоту
~30 вспышек в минуту. Тележку помещают на демонстрацион¬
ный стол, рядом кладут измерительную ленту или линейку
(рис. 3). Держа в руке кусок мела, включают двигатель тележки.
Она начинает перемещаться вдоль линейки. В момент вспышки
лампочки под ней на линейке делают отметку мелом. Расстояния
между соседними отметками, нанесенными в процессе движения
тележки, будут примерно равны между собой. Делают вывод о
том, что перемещения тележки за равные промежутки времени
одинаковы.
Опыт повторяют, изменив частоту .вспышек прибора. Переме¬
щения тележки становятся другими, но равными между собой.
Опыт можно продолжить, изменив скорость движения тележки.
Равномерное движение по окружности. Передние колеса
тележки устанавливают так, чтобы она могла совершать на столе
полный оборот. Включают электронный метроном и двигатель
тележки. По отаеткам находят перемещения; тележки за равные
промежутки времени, сравнивают их с пройденными путями (ду¬
гами). Делают вывод.
/ В. Б. Мулевский
(г. Вологда)
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ПРИБОР ПО МЕХАНИКЕ
Прибор предназначен для проведения демонстрационных опы¬
тов по механике в VI и VIII классах. В нем использованы сле¬
дующие элементы:
1. Подвижным телом служит одноосная тележка (стальная
и алюминиевая), перемещающаяся по рельсам. Она выполнена
в виде колесной пары, на оси которой на подшипниках установ¬
лен цилиндр со смещенным центром тяжести. Колесная пара
имеет конические поверхности качения, что при жестко закреп¬
ленных на оси колесах обеспечивает устойчивое движение по
рельсам с малыми (не изменяющимися в процессе движения)
потерями на трение. Устойчивость создается благодаря тому,
что оба колеса имеют одинаковую угловую скорость и при не-
45
большом перекосе, возникшем при установке тележки на рельсы
или в процессе ее движения по ним, отстающее колесо начинает
качение по окружности большого радиуса (вследствие конусо¬
образной поверхности качения)*
2. Фиксация положения тележек через равные промежутки
времени (запись движения) производится за счет качающегося
с заданной частотой экрана и кисточки, закрепленной на оси те¬
лежки. Данный метод фиксации положения вследствие малого
времени взаимодействия кисточки с экраном не отражается на
характере движения тележки.
3. Для определения мгновенной скорости применяют спидо¬
метр, состоящий из стального стержня с обмоткой из медного
провода, школьного демонстрационного амперметра и кольцево¬
го керамического магнита, который устанавливают на обращен¬
ном к стержню колесе тележки. Такой спидометр позволяет оп¬
ределить мгновенную скорость одной тележки, а также алгебра¬
ическую сумму скоростей системы, состоящей из двух тележек.
Спидометр не имеет механического контакта с подвижным те¬
лом и практически не оказывает влияния на его движение.
4. Для сообщения начальных скоростей тележкам применя¬
ют наклонные плоскости (гравитационные горки), а ускоренное
движение тележек достигается за счет продольного наклона
рельсов. Таким же образом может быть компенсировано трение.
Прибор (рис. 1) состоит из двух деревянных опор 1, на кото¬
рых крепят рельсы 2, выполненные из стального углового прока¬
та. Шарнирно с опорами соединяется плоский экран 3, который
может быть приведен в колебательное движение от руки син¬
хронно с ударами метронома (для этого служит рычаг 4). Воз¬
врат экрана в отклоненное положение обеспечивается пружи¬
ной 5. Амплитуда колебаний экрана регулируется винтами 6
и 7. По рельсам 2 с малым трением могут катиться тележки <§,
их в коплекте три: две стальные и одна алюминиевая.
В одном из торцов имеется отверстие для крепления мягкой
кисточки 9, смоченной в туши. При коротком нажатии на рычаг
4 экран 2 касается кисточки и оставляет метку, фиксирующую
положение в данный момент времени.
При работе с прибором возникает необходимость в строго
горизонтальной установке рельсов или в получении определен¬
ного наклона. Для этой цели опоры снабжены ножками 10, ко¬
торые имеют резьбу.
Сообщение начальной скорости при равномерном движении
достигается за счет гравитационных горок 11, их в комплекте
две, а для неоднократного получения определенной скорости для
одной тележки или одновременно одинаковых скоростей для
двух тележек на горки накладывают ограничительные пласти¬
ны 12. Они не только фиксируют скорость, но и исключают воз¬
можность перекосов тележек при установке их на горки.
Для предотвращения падения тележек на концах рельсов ус¬
танавливают съемные удерживающие крючки 13, оклеенные
поролоном. Взаимодействие тележек осуществляется при помо¬
щи упругого кольца 14, изготовленного из часовой пружины,
жесткость которой не должна превышать 0,5 Н/м.
Для определения мгновенной скорости тележек 8 использует¬
ся спидометр 15, который состоит из сердечника диаметром
4 мм, по длине равного длине рельсов прибора. На сердечник на¬
матывают один ряд медного провода ПЭВ-0,6. Сердечник выпол¬
няют из магнитомягкой стали (иначе его показания могут быть
нестабильны вследствие остаточного магнетизма). В комплект
спидометра входят также кольцевой керамический магнит 16 с
внешним диаметром 34 мм и школьный демонстрационный
вольтметр, шкалу которого градуируют в единицах скорости с
нулем посередине. Стержень 15 навешивается на экран 3 при
помощи крючков 17 из немагнитного материала, а его обмотка
подключается к гнездам гальванометра; Тележку устанавливают
на рельсы и на колесе, обращенном к стержню 15, на одной оси
с последним’ крепят магнит 16.
На рисунке 2 изображена одноосная тележка, у которой ко¬
лесная пара разъемная. Колеса 1 вместе с шарикоподшипника¬
ми 2 крепятся гайками 4 на шейках оси 3. Для уменьшения мо¬
мента инерции колеса 1 выполнены тонкостенными. Ступицы ко¬
леса 5 удлинены, чтобы уменьшить возможность перекоса при
недостаточно высокой точности изготовления подступичной час¬
ти оси и отверстия в ступице колеса, а также для заглубления
47
98 4
подшипников 2 в тело цилиндра 6 (чтобы предохранить их от
загрязнения в процессе эксплуатации). Посадка колес и подшип¬
ников на оси плотная. Оси алюминиевой тележки для обеспечения
необходимой прочности изготавливают из стали. Чтобы предот¬
вратить вращение цилиндра 6 вместе с колесной парой в торцах
цилиндра выполнены дисбалансные отверстия 7 для смещения
центра тяжести. Дисбалансное и центровое отверстия у алюми¬
ниевой тележки должны иметь больший диаметр, чем у сталь¬
ной, чтобы получить соотношение масс алюминиевой и стальной
тележек 1 :3. Выступ 8 на торцевой части колеса нужен для фик¬
сации положения кольцевого керамического магнита. Удлинен¬
ная гайка 9 служит одновременно для крепления колеса на оси
и для установки в ней кисточки. Приведем примеры демонстра¬
ций, которые можно поставить, используя этот прибор.
Средняя скорость неравномерного движения. Устанавливают
рельсы с небольшим наклоном. На верхнем их конце помещают
стальную тележку (в средней части которой кладут лист писчей
бумаги), а на нижнем — толстую ткань или несколько рядов бу¬
маги. Нажав пальцем на рычаг 4У приводят в колебательное дви¬
жение экран (синхронно с ударами метронома). В момент одно¬
го из ударов отпускают тележку, и она начинает двигаться.
В процессе движения тележки кисточка, смоченная тушью, остав¬
ляет на качающемся экране метки, по которым судят о характе¬
ре движения тележки на различных участках. Определяют вре¬
мя движения и среднюю скорость тележки. Для упрощения рас¬
четов метроном целесообразно установить на 0,5 или 1 с.
Взаимодействие тел. Прибор устанавливают горизонтально.
В средней части на бифилярном подвесе подвешивают упругое
48
стальное кольцо 14 (см. риС. 1). Кольцо в средней части перетя¬
гивают нитью. По обе стороны от кольца вплотную с ним поме¬
щают стальную и алюминиевую тележки. Экран приводят в ко¬
лебательное движение. Нить пережигают. В результате взаимо¬
действия тележки движутся ускоренно. Поскольку начальные
скорости тележек были равны нулю, то отношение их конечных
скоростей равно отношению их ускорений.
Измерив расстояния между метками на экране, оставлен¬
ными стальной и алюминиевой тележками, в зонах, где прекра¬
тилось действие кольца, определяют отношение путей, пройден¬
ных за одно и то же время. Это отношение равно отношению ко¬
нечных скоростей.
А. Н. Кузибецкий, А. П. Попов
(г. Волгоград)
ПРИБОР ПО КИНЕМАТИКЕ
В методической литературе описаны конструкции и работа
разнообразных демонстрационных спидометров и акселеромет¬
ров. Практика применения установок с этими приборами по¬
казала, что наиболее удобным является способ, предложенный
И. М. Румянцевым К Принцип электрического измерения неэлект¬
рических величин, положенный в основу этого способа, и был
использован нами в приборе по кинематике, позволяющем в ус¬
ловиях демонстрационного эксперимента определить перемеще¬
ние (координаты), скорость и ускорение тела в процессе его
движения по показаниям стрелочных приборов (демонстрацион¬
ных гальванометров).
Отличительными особенностями предлагаемого прибора яв¬
ляются исключительно малое сопротивление движения тела (ша¬
рика)— только за счет трения качения и сопротивления возду¬
ха; возможность постановки опытов, иллюстрирующих относи¬
тельность движения, в частности правило сложения скоростей;
возможность измерения не только скорости и ускорения, но и
перемещения; возможность записи движений в виде графиков
на экране осциллографа (автоматически).
Для изготовления предлагаемого прибора не требуется мно¬
го времени и дефицитных деталей; большинство элементов со¬
ставляет типовое оборудование. Самодельной деталью является
желоб, трубки которого оклеены электропроводной бумагой и
электрически изолированы, между собой (рис. 1, где 1 — балло¬
ны ламп дневного света, 2 — электропроводная бумага, 3 — хо-
мутики-токосъемщики, 4 — клеммы, 5 — изолятор (кусок рези¬
ны), 6 — крепление (изолента), 7 — движущееся тело (стальной
шарик). При отсутствии электропроводной бумаги одну из тру¬
бок оклеивают алюминиевой фольгой, а другую — плотной бума- 11 См.: Рошовская X. Д. Некоторые вопросы преподавания кинема¬
тики в VIII классе.— Физика в школе, 1970, № 3, с. 49.
4 Заказ № 3657
49
7
гой (например, чертежной). Бумагу либо тщательно натирают
графитом, либо пропитывают 30-процентным раствором поварен¬
ной соли (в последнем случае перед проведением опытов соот¬
ветствующую трубку необходимо слегка смачивать водой).
Находящийся на желобе шарик замыкает между собой труб¬
ки в некоторой точке. Если на концы электропроводного слоя
одной из трубок подать напряжение, а клеммы другой соединить
«накоротко» (последнее несущественно в случае использования
фольги), то получим своеобразный потенциометр, электрическая
схе‘ма которого показана на рисунке 2. При движении шарика
по желобу разность потенциалов между выводами А я В про¬
порциональна расстоянию шарика от левых (по схеме) токосъем¬
ников желоба. Подключив к выводам А—В гальванометр с до¬
бавочным сопротивлением (демонстрационный вольтметр), полу¬
чаем возможность по шкале прибора следить за изменениями
координат шарика при его движении.
Если вместо добавочного сопротивления включить конденса¬
тор, то показания прибора будут соответствовать скорости изме¬
нения заряда обкладок ^так как /= . Поскольку заряд
при неизменной емкости пропорционален напряжению, а послед¬
нее меняется тем же образом, что и
координаты шарика, получаем спидо¬
метр. Точность измерения скорости
при достаточно большом (свыше
30 мА) токе электропроводного слоя
желоба весьма велика (ограничивает¬
ся лишь точностью используемого
гальванометра), а шкала прибора
строго линейна.
Если собрать цепь по схеме, пока¬
занной на рисунке 3, то можно изме-
Рис. 2
50
рять ускорение шарика. Протекающий через гальванометр' ток
вторичной обмотки трансформатора Трх пропорционален скорости
изменения тока первичной обмотки (тока зарядки конденсатора)
и соответственно ускорению, с которым движется шарик.
Описанные схемы включения прибора используются нами в
ряде опытов по кинематике в VIII классе средней школы. Оста¬
новимся на некоторых из них.
Координаты и скорость тела при равномерном движении.
Опыт демонстрируется при изучении равномерного движения с
целью иллюстрации учебного материала и знакомства учащихся
с косвенными методами измерения кинематических величин. При
этом существенна не столько количественная проверка вводи¬
мых соотношений, сколько формирование у учащихся наглядных
представлений о связи между координатами и скоростью тела
во время его движения.
Собирают установку по схеме (рис. 4). (Внешний вид уста¬
новки показан на рис. 5.) Источником питания служит, напри¬
мер, выпрямитель типа ВС-24М, измерительным прибором ИПг—
демонстрационный вольтметр с пределом измерения, соответст¬
вующим установленному напряжению источника питания (на¬
пример, 15 В). Шкалу прибора желательно иметь с числом де¬
лений, равным длине рабочей части желоба (в дециметрах), так
как при этом цена деления показывающего прибора составит
0,1 м (что удобно); имеем конденсатор Сх (O-f-8 мкФ), демонст¬
рационный гальванометр ЯЯ2, чувствительный к току (снабжен
шкалой с нулем посередине).
Желоб устанавливают горизонтально на демонстрационном
столе (или закрепляют на подставке), перед ним располагают
4*
51
Рис. 5
масштабную линейку, нуль которой служит началом отсчета.
Шарик легким толчком приводят в равномерное (практически)
движение. Обращают внимание учащихся на то, что показания
прибора ИПг, фиксирующего координату тела, изменяются, уве¬
личиваются или уменьшаются плавно (в зависимости от направ¬
ления движения). При этом скорость движения (показания при¬
бора ЯЯ2) остается неизменной. Она тем больше, чем быстрее
меняется координата шарика при движении по желобу/ Учащие¬
ся видят, что при увеличении координаты шарика (показания
ИП\) его скорость (показания ЯЯ2) положительна и наоборот.
Опыт заканчивают решением
водят расчет скорости движения
экспериментальном задачи: про¬
шарика по известным значени¬
ям координат и времени. За¬
метив число ударов метроно¬
ма, которому соответствует
определенное изменение коор¬
динаты шарика, находят его
скорость. При этом целесо¬
образно проградуировать шка¬
лу прибора ЯЯ2, отметив его
показания для нескольких дви¬
жений шарика. Проградуиро¬
ванный в абсолютных значени¬
ях скорости спидометр удобно
использовать в дальнейшем.
Сложение скоростей. Опыт
проводят на первом этапе вве¬
дения формулы сложения ско¬
ростей.
В установке из двух жело¬
бов Ri и R2 с шариками а и б
соответственно (рис. 6) ис¬
пользуются демонстрационные
гальванометры ИП\—ЯЯ3? об¬
52
щий источник питания ВС-24М и три одинаковых конденсатора
Ci—С3, емкость которых выбирают в пределах 14-10 мкФ так, что¬
бы избежать «зашкаливания» прибора при движении шариков.
Желобы устанавливают горизонтально и параллельно друг
другу; шарики приводят в равномерное (благодаря малому тре¬
нию) движение толчком руки. Силы толчков должны быть таки¬
ми, чтобы движение шариков по желобам длилось от 5 до 20 с.
Показание прибора ИП{ соответствует скорости шарика а
относительно системы отсчета, связанной с Землей, ИП2 пока¬
зывает скорость шарика б относительно шарика а, прибор ЯЯ3—
скорость шарика б относительно Земли (это необходимо проде¬
монстрировать, перемещая шарики по желобам). Если гальва¬
нометры и желоба идентичны, то цена деления шкал всех при¬
боров (спидометров) одна и та же. Установить ее можно так же,
как и в предыдущем опыте.
Учащимся показывают, что при любых движениях шариков
выполняется формула сложения скоростей: показания третьего
прибора равны алгебраической сумме показаний первых двух.
Для большей убедительности шарики пускают то в одном, то в
противоположном направлениях; то с равными, то с отличающи¬
мися по модулю скоростями.
Скорость и ускорение (при движении по наклонной плоско¬
сти). Общий вид установки показан на рисунке 7, а ее схема
приведена на рисунке 8 (источник питания — выпрямитель или
батарея аккумуляторов напряжением не менее 12 В); ток на¬
грузки до 250 мА. Показывающие приборы ИП{ и ИП2 (спидо¬
метр и акселерометр) — демонстрационные гальванометры, чув¬
ствительные соответственно по току и напряжению, С{ — бата¬
рея конденсаторов 04-8 мкФ, универсальный трансформатор Тр\
снабжен катушками на 220 В (первичная) и 120 (вторичная).
Перед демонстрацией опыта производят подбор значений ем¬
кости С{ и шунта к прибору ИПХ (если это необходимо) так,
чтобы при небольших наклонах желоба стрелки спидометра и
акселерометра отклонялись достаточно, но не выходили за пре¬
делы шкал. (Отметим, что при небольших углах наклона же¬
лоба время движения шарика увеличивается и условия на¬
блюдения опыта улучшаются.)
Градуировку проводят последовательно для спидометра и ак¬
селерометра по результатам измерений перемещения шарика (с
помощью линейки) и времени движения (с помощью метронома)
на основании определений скорости и ускорения. Градуировку
можно выполнить на уроке как решение экспериментальных за¬
дач.
При проведении опыта желоб устанавливают наклонно, и по¬
мещенный на него шарик приходит в движение. Внимание уча¬
щихся фиксируют на том, что скорость шарика равномерно воз¬
растает, а ускорение остается постоянным и положительным.
Толкнув шарик снизу вверх, отмечают, что его скорость стано¬
вится отрицательной по направлению и уменьшающейся по аб¬
53
Рис. 7
солютному значению, затем равной нулю, а при скатывании из¬
меняет знак на противоположный и далее начинает расти по
модулю. Ускорение же во все время движения практически не
меняется, а его знак и значение определяются лишь наклоном
желоба.
Обоснование графиков движения. Демонстрация записи рав¬
номерных движений в виде графиков зависимости x=f(t) на эк¬
ране осциллографа важна для усвоения учащимися сущности
графического метода изучения механического движения, разви¬
тия понятий о функциональной связи между физическими вели¬
чинами.
Для постановки опыта на пластины горизонтального откло¬
нения электроннолучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа типа
ОЭШ-63 подают напряжение, пропорциональное времени движе¬
ния, а на пластины вертикального отклонения — пропорциональ¬
ное координате движущегося тела (рис. 9). Желоб с токопрово¬
дящими покрытиями (Ri) работает так же, как и в схеме
рисунка 2, а отклонение луча ЭЛТ по вертикали соответствует рас¬
стоянию шарика от правого (см. рис. 9) края -желоба. Горизон¬
тальное отклонение луча про¬
порционально напряжению на
конденсаторе Сх (батарея
БК-58, 04-58 мкФ). Последний
заряжается при замыкании
ключа Ki через постоянный
непроволочный резистор R2
(типа МЛТЛ, 2,2 МОм) от
источника питания, причем за¬
ряд пропорционален времени
замыкания ключа (поскольку
напряжение источника пита¬
ния много больше максималь¬
ной разности потенциалов
54
между обкладками конденсатора во время опыта). Ключ К2 слу¬
жит для возвращения луча ЭЛТ в исходное положение (в левой
части экрана) путем перезарядки конденсатора небольшим ре¬
гулируемым напряжением. Питание всей установки осуществля¬
ется от универсального выпрямителя ВУП-1.
а) Желоб устанавливают горизонтально и одновременно с
нажатием ключа К\ шарик приводят в равномерное движение
легким толчком. Луч осциллографа «пишет» на экране прямую
линию — график функции x—\v\t. Показывают, что большим
—>
значениям j^j (более сильный толчок — шарик движется быст¬
рее) соответствуют большие углы наклона графика к оси t.
Демонстрируют вид графика для отрицательных скоростей.
б) Желоб устанавливают наклонно, шарик отпускают одно¬
временно с нажатием ключа К\. На экране осциллографа наблю¬
дают положительную ветвь параболы-
■график функции
Меняя наклон желоба, убеждаются, что ускорение шарика так¬
же изменяется, Пускают шарик снизу вверх. Теперь вершина
параболы на экрану не находится в начале координат, ее ветви
направлены вниз, что и соответствует графику функции вида
х= |о0|/— — t2. Останавливая шарик и одновременно отпуская
ключ Ки фиксируют на экране любую произвольную точку гра¬
фика.
55
В. Б. Мулевский
(г. Вологда)
УСТАНОВКА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
ПРИ СТРОБОСКОПИЧЕСКОМ ОСВЕЩЕНИИ
Одним из современных методов исследования в механике .яв¬
ляется стробоскопический метод. Существуют два варианта это¬
го метода: фотографический и визуальный.
При фотографическом варианте движущееся тело фотографи¬
руют при открытом объективе фотоаппарата в стробоскопиче¬
ском освещении или при обычном освещении через щели враща¬
ющегося диска электромеханического стробоскопа. В том и дру¬
гом случае на снимке фиксируют положения тела через равные,
задаваемые стробоскопом промежутки времени. Этим способом
можно пользоваться при исследовании различных видов механи¬
ческого движения.
Визуальный вариант стробоскопического метода применим
только для периодически повторяющегося движения. Он заклю¬
чается в том, что исследуемый объект непосредственно наблю¬
дается в стробоскопическом освещении или через щель вращаю¬
щегося диска. Если частота периодически повторяющегося дви¬
жения равна частоте вспышек стробоскопа либо больше (или
меньше) частоты стробоскопа в целое число раз, наблюдаемый
объект кажется неподвижным. Если же эти условия не выпол¬
няются, то в зависимости от разности частот объект может ка¬
заться замедленно движущимся в сторону истинного движения
или в противоположную сторону.
В предлагаемой установке используется визуальный метод
при условиях, когда наблюдаемый объект кажется неподвиж¬
ным.
В качестве объекта наблюдения целесообразно использовать
стальные шарики диаметром 8—12 мм. Их помещают в кассе¬
ту 1 (рис. 1). Они удерживаются в ней электромагнитом 2, в
цепь которого, помимо источника тока 3, последовательно вклю¬
чается прерыватель 4. Последний через равные промежутки вре¬
мени размыкает цепь электромагнита на время, которое необ¬
ходимо, чтобы оторвался шарик, находящийся возле сердечника,
а его место занял следующий. Прерыватель, размыкая контак¬
ты 5 цепи электромагнита, одновременно замыкает контакты 6
лампы вспышки или электронного стробоскопа 7, который в дан¬
ном случае работает в режиме лампы вспышки, что достигается
внесением незначительных изменений в его конструкцию. Так
обеспечивается жесткая синхронизация начала падения шарика
и вспышки стробоскопа.
Прерыватель (рис. 2) представляет собой текстолитовый ку¬
лачок 1 с пятью выступами, насаженный на вал синхронного
электродвигателя СД-60. Кулачок взаимодействует с контактны¬
66
Рис. 1
ми группами 2 и 3. Контактная группа 2 состоит из размыкаю¬
щей пары, работающей в цепи электромагнита, и замыкающей в
цепи стробоскопа. Контакты этой группы обеспечивают выдачу
кассетой пяти шариков в секунду при таком же количестве
вспышек стробоскопа.* Чтобы наблюдать положения шариков че¬
рез более короткие интервалы Времени, например 0,1 с, к замы¬
кающим контактам группы 2 параллельно подключают замы¬
кающие контакты о, смещенные
относительно первых на 180°.
Такая конструкция обеспечивает
надежную работу контактов, по¬
тому что при десяти вспышках
стробоскопа каждая пара кон¬
тактов совершает только пять ра¬
бочих тактов.
Кассету склеивают из плек¬
сигласа (рис. 3). По наклонным
полочкам 1 шарики скатываются
к электромагнитам 2 и 3 (по¬
следние можно использовать от
электромагнитных реле). Элект¬
ромагнит 2 установлен для того,
чтобы исключить механическое
и магнитное влияние на шарик,
выходящий из кассеты, со сто¬
роны следующих за ним шари¬
ков. Упоры 4 и 5 стальные. Они
57
Рис. 3
не только фиксируют положение шариков возле сердечников
электромагнитов, но, обладая магнитными свойствами в магнит¬
ном поле электромагнитов, предотвращают отскоки и дребезжание
шариков в процессе работы. При подготовке опытов, когда цепь
электромагнитов разомкнута, шарики в кассете удерживаются
защелкой 6. Кассета надевается на стержень универсального
штатива скобками 7 и опирается на муфту штатива (или кре¬
пится муфтой за стерженек, который ввертывается в щеку кас¬
сеты). Винты 8 и 9 служат для крепления дугообразного жело¬
ба при демонстрации движения тела, брошенного горизонтально.
В кассету помещается до 50 шариков, что обеспечивает не¬
прерывную работу установки в течение 10 с. Этого времени до¬
статочно для наблюдения и фиксации положения шариков. За¬
рядка кассеты осуществляется довольно быстро (~10 с),, следо¬
вательно, проводимая демонстрация может быть неоднократно
повторена в ходе урока.
Используя эту установку, можно показать целый ряд опытов.
Опишем некоторые из н^х.
Свободное падение. Цель опыта состоит в том, чтобы дока¬
зать, что свободное падение, когда оно наблюдается на сравни¬
тельно небольшом отрезке траектории, является равноускорен¬
ным движением, и определить численное значение его ускорения.
Кассету закрепляют на универсальном штативе на высоте
50—55 см от поверхности стола (рис. 4). Внизу устанавливают
ловушку для шариков. Ею может служить деревянный ящик или
небольшой сачок, который крепят муфтой на том же штативе.
Наблюдение осуществляют на фоне экрана высотой «45 см.
58
Опыт начинают с включения прерывателя и стробоскопа. За¬
тем выключают свет в аудитории и выдвигают защелку кассеты.
На фоне экрана видны четыре шарика (считая шарик, начинаю¬
щий движение и находящийся возле электромагнита). На экра¬
не отмечают их видимые положения. Отрезки между метками
представляют собой пути, которые шарики проходят за время
между вспышками, т. е. за равные промежутки времени. Исполь¬
зуя циркуль, легко доказать, что эти отрезки относятся как по¬
следовательный ряд нечетных чисел.
Численное значение ускорения свободного падения находят
по формуле g= где t — время, равное произведению числа
шариков (без находящегося у электромагнита) на время между
вспышками. Чтобы получить результаты, близкие к табличным,
пройденный путь следует измерять с точностью до миллиметра.
(При частоте стробоскопа, равной 10 вспышкам в секунду, пер¬
вый шарик виден вплотную с электромагнитом, а остальные на
расстояниях 4,9; 19,6; 44,1 см от первого.)
Движение тела, брошенного горизонтально. Для сообщения
шарикам скорости в горизонтальном направлении их скатывают
с дугообразного желоба. Кривизну желоба подбирают так, что¬
бы шарики проходили его за время, равное двум промежуткам
между вспышками. В этом случае каждый из шариков покида¬
ет желоб в момент вспышки стробоскопа.
Установка для опыта показана на рисунке 5. Кассету с за¬
крепленным на ней дугообразным желобом помещают так, что¬
бы нижний конец желоба оказался на высоте 55 см от поверх¬
ности стола. К концу дугообразного присоединяют прямой
Рис. 4
Рис. 5
желоб, расположенный горизонтально. На экране вычерчивают вер¬
тикальную (направленную вниз) и горизонтальную (направлен¬
ную вправо) оси. Экран помещают позади установки, причем
так, чтобы начало осей совпало с нижним концом дугообразного
желоба, а направление горизонтальной оси — с направлением
движения шариков по прямому желобу.
Опыт начинают с наблюдения движения шариков по прямо¬
му желобу при обычном освещении. Обращают внимание уча¬
щихся на силы, действующие на шарики. Силы тяжести шари¬
ков компенсируются силой упругости, возникшей в материале
желоба. Сила трения мала, и ею можно пренебречь (или компен¬
сировать ее за счет небольшого наклона желоба). Таким обра¬
зом, равнодействующая сила равна нулю, и шарик должен дви¬
гаться -равномерно со скоростью, приобретенной при движении
по дугообразному желобу. Для иллюстрации этих рассуждений
достаточно пронаблюдать движение нескольких шариков.
Наблюдение за движением оставшихся в кассете шариков
проводят при стробоскопическом освещении, при этом на экране
фиксируют их видимые положения: первый шарик находится в
начале координат, остальные — на равных расстояниях друг от
друга.
Повторяют опыт при снятом прямом желобе (рис. 6). Теперь
на шарики, покидающие дугообразный желоб с той же по мо¬
дулю и направлению скоростью, действует сила тяжести, ничем
не компенсируемая, и шарики движутся по параболе. На экра¬
не фиксируют их видимые положения. Полученные результаты
позволяют сформулировать принцип независимости движений,
60
поскольку проекции шариков на горизонтальную ось в послед¬
нем опыте совпадают с отметками, сделанными при наблюдении
движения шариков по инерции, а их проекции на вертикальную
ось расположены на таких же расстояниях от начала координат,
как и в опыте при изучении свободного падения.
Использование горизонтального желоба упрощает рассужде¬
ния и в случае анализа данного движения в двух системах от¬
счета. При этом подвижную систему отсчета следует связать с
шариком, равномерно перемещающимся цо горизонтальному же¬
лобу.
Зависимость дальности полета тела, брошенного под углом к
горизонту, от угла бросания. Кассету помещают строго над осью
вращения бруска на высоте 30 см. (Установку следует регули¬
ровать, пользуясь отвесом.) Брусок располагают так, чтобы угол
бросания был равен 45°. Дальность полета в этом случае соста¬
вит ~50 см.
Опыт проводят при обычном освещении. На экране отмечают
положение вершины траектории и точку падения шариков. Даль¬
ность полета в этом случае в 4 раза больше максимальной вы¬
соты подъема. Уменьшают угол бросания, наблюдают уменьше¬
ние и дальность полета. При углах, больших 45°, снова получа¬
ют уменьшение дальности полета.
Кассету и брусок можно поднять над уровнем стола ~10см
и показать, что при угле 45° дальность полета максимальна толь¬
ко тогда, когда точки бросания и падения находятся на одном
уровне. Если точка бросания расположена выше точки падения,
то дальность полета будет максимальной при углах бросания,
меньших 45°.
61
А. П. Попов, А. Н. Кузибецкий
(г. Волгоград)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО МЕТОДА»
ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Описываемый способ (применение тел, излучающих свет им¬
пульсами) позволяет значительно расширить использование стро¬
боскопического метода для изучения механических явлений в
практике демонстрационного эксперимента.
Предлагаемый способ обеспечивает не только фотосъемку, но
и непосредственное наблюдение стробоскопических эффектов при
движении тел, причем максимальная яркость движущегося объ¬
екта достигается при минимальной яркости фона.
При проведении опытов источник световых вспышек закреп¬
ляется на движущихся объектах — маятниках, тележках, вра¬
щающемся круге и другом типовом оборудовании. Для изучения
движения тел, брошенных различным образом, он может также
фиксироваться в защитной арматуре.
Рассмотрим подробнее некоторые варианты технической реа¬
лизации описываемого способа наблюдения стробоскопических
эффектов и получения стробоскопических фотоснимков.
Лампочку накаливания (3,5 В; 0,15 А) помещают в цилиндр
с прорезью, вокруг которого может вращаться обтюратор, вы¬
полненный также в виде цилиндра с прорезью. Обтюратор при¬
водят в действие микродвигателем (от электрифицированных
игрушек), число оборотов которого можно менять реостатом.
Источником питания служит батарея (на 4,5 В), подключаемая
тумблером. Платформу, на которой смонтированы все узлы, ус-
Рис. 1
62
танавливают на вертикально расположенных направляющих для
изучения свободного падения или закрепляют на объекте, дви¬
жение которого изучают. Именно так получают фотографию, по¬
казанную на рисунке 1. На ней представлено равноускоренное
движение тележки (из набора по кинематике и динамике).
Электрическая схема установки приведена на рисунке 2.
Установка для наблюдения стробоскопических эффектов' мо¬
жет быть собрана и таким образом. Малогабаритный тиратрон
тлеющего разряда (типа МТХ-90) устанавливают на объект
съемки. Системой гибких проводников (удобно использовать мно-.
гожильный провод ЛЭШД и ЛЭШО, например ЛЭШО-7Х0>06)
тиратрон соединяют с релаксационным генератором (рис. 3).
Вращением ручки переменного резистора R2 (100 кОм) можно
менять частоту вспышек. В качестве конденсатора Сх исполь¬
зуется батарея 0—8 мкФ. Питание схемы осуществляется от вы¬
прямителя ВУП.
Можно существенно расширить возможности метода, если
подбирать не только желаемую частоту следования, но и дли¬
тельность импульсов света. Именно выбор оптимального соотно¬
шения между длительностью импульсов света и периодом их сле¬
дования в значительной мере влияет на вид фотоснимков. Дейст¬
вительно, если длительность импульса пренебрежимо мала, то
изображение получается в виде последовательных отметок по¬
ложений объекта («точек»). При увеличении длительности им¬
пульса до 10—30% периода каждое положение на фотоснимке
смазывается ъа расстояние, пропорциональное средней скорости
движения объекта в данном месте (рис. 4). При этом наблюдают
и фотографируют как бы «векторы скорости» через последователь¬
ные интервалы времени, а это дает большие преимущества при
решении различных дидактических задач. Так, из анализа сним¬
ка, изображающего движение тела, брошенного горизонтально,
следует, что горизонтальная составляющая скорости не меня¬
ется, в то время как вертикальная возрастает от нуля до неко¬
торого значения. Таким образом, важное теоретическое положе¬
ние подтверждается экспериментом.
Аппаратура для получения импульсов необходимых частот и
длительностей предельно проста и состоит (рис. 5) из звуко¬
63
вого генератора ЗГШ, неоновой лампочки Л\ типа ТН-0,2 и вы¬
прямителя Ди Неоновую лампочку устанавливают на движу¬
щемся объекте (объекте съемки или наблюдения) и гибким про¬
водом соединяют с генератором. Длительность импульса света ре¬
гулируют изменением' амплитуды сигнала на выходе генератора
(используется выход «5000 Ом»). Для того чтобы частота сле¬
дования вспышек лампочки совпадала с частотой генератора (по
показаниям его шкалы), применяют выпрямитель. Видно, что
при изменении амплитуды напряжения изменяются и моменты
зажигания и погасания лампы, а именно при увеличении ампли¬
туды длительность импульсов возрастает.
Собрав установку по схеме, изображенной на рисунке 6,
обеспечивают значительную яркость вспышек света, не исклю¬
чая возможности широкого регулирования частоты и длительно¬
сти импульсов. Установка представляет собой несимметричный
мультивибратор на двойном триоде Лъ и питается от любого вы¬
прямителя, выходы которого удовлетворяют условиям питания
схемы. Здесь предусмотрено подключение двух неоновых лам¬
почек Л\ и Л2 (ТН-0,2) с независимой регулировкой яркости све¬
чения резисторами Ri и R2 (типа СПО-1). Резисторы R3 и
/?б (типа СПО-1, ВК и др.) предназначены для регулирования
соответственно частоты следования и длительности импульсов.
Рис. 4
64
Установка является универсальной и может быть использо¬
вана в опытах по взаимодействию тел,, при наблюдении одно¬
временно нескольких движений и в целом ряде других опытов.
Так же, как и раньше, источники света закрепляют на движущих¬
ся объектах.
В окончательном виде прибор монтируют в отдельном корпу¬
се, а шкалы резисторов R3 и R6 градуируют по осциллографу
в параметрах импульсов света.
Для наблюдения стробоскопических эффектов при движении
тел помещение затемняют полностью или частично. На классной
доске, используемой в качестве фона, предусматривают коорди¬
натную сетку (в простейшем случае ее можно начертить мелом).
Фон слегка подсвечивают. Если изучается прямолинейное дви¬
жение, то рядом (параллельно траектории тела) лучше всего
поместить демонстрационный метр (также слегка подсвеченный).
8 Заказ № 3657
65
Нескольким учащимся надо поручить запомнить место первой,
второй и т. д. вспышек света. Так при движении тела удается
без фотографирования получить необходимые количественныедан-
ные о последовательных положениях движущегося тела. Карти¬
на движения получается очень контрастной и сохраняется в гла¬
зах наблюдателя в течение нескольких десятков секунд. Таким
образом, каждый невооруженным глазом, не привлекая каких-
либо дополнительных средств, наблюдает стробоскопическую
картину движения.
Одновременно с наблюдением можно проводить и фотогра¬
фирование, причем для этой цели годится любая камера (чувст¬
вительность пленки от 32 ед. ГОСТа и выше; время экспониро¬
вания кадра определяется длительностью изучаемого процесса).
Фотографировать удобно на фотопластинки, поскольку в этом
случае негатив может быть получен (одним из учеников, помо¬
гающих учителю в проведении опытов) и через несколько минут
соответствующей обработки на том же уроке продемонстрирован
учащимся (либо непосредственно, либо в проекции на экран).
В дальнейшем по фотоснимкам (или негативам в проекции)
можно изучать зависимость координат, скорости от времени
движения (при достаточно больших длительностях импульсов
света) и рассчитать необходимые параметры, характеризующие
тот или иной вид движения. В каждом конкретном случае надо
подбирать оптимальное соотношение между частотой следования
и длительностью импульсов света.
Сочетание наблюдения стробоскопического эффекта с фото¬
графированием существенно улучшает учебный эксперимент по
механике, формирует в сознании учащихся представление о фо¬
тографическом методе экспериментальных физических исследо¬
ваний.
Г. Н. Плотников
(г. Орел)
ДЕМОНСТРАЦИЯ К ВВЕДЕНИЮ ПОНЯТИЯ ИНЕРТНОСТИ
Для демонстрации используют два лабораторных прибора по
кинематике и динамике, электронный счетчик-секундомер (или
секундомер — датчик времени), подвижной блок и самодельно из¬
готовленный хомутик с защелкой.
Лабораторные приборы по кинематике и динамике закрепля¬
ют в штативах один под другим (см. рис.). На стержне верх¬
него прибора устанавливают хомутик /, к которому крепят
защелку 2, удерживающую тележку Л. Упор 3 ограничивает
вращение защелки вокруг оси 4. Хомутик 1 изолируют от стерж¬
ня прослойкой из диэлектрика. К тележке В припаивают ско¬
бу 5. При движении этой тележки скоба 5 должна отводить впра¬
во нижний конец защелки 2, в результате чего начинает пере¬
мещаться тележка Л.
Для компенсации трения приборы устанавливают с некото¬
рым уклоном в сторону движения,
(На приведенном рисунке показаны начальные положения те¬
лежек и как подключается секундомер. Масса нижней тележки
в два раза больше верхней; на тележке В лежат два груза мас¬
сой по 150 г.)
Подключают секундомер и, одновременно нажимая на защел¬
ку нижнего прибора, приводят в движение тележку В. Секундо¬
мер- держат включенным до того момента, когда скоба тележ¬
ки В отведет в сторону защелку 2, разомкнув тем самым элект¬
рическую цепь счетчика и отметив момент начала движения те¬
лежки Л. Таким образом, секундомер зафиксирует промежуток
времени от момента начала движения тележки В до момента
начала движения тележки А. Затем обе тележки возвращают в
исходное положение, а провод, подключенный ранее к верхнему
прибору, подсоединяют к нижнему (на рисунке он показан пунк¬
тиром). Как и в первом случае, нижнюю тележку приводят в
движение, оставляя включенным секундомер до того момента,
когда скорости движения тележек станут равными. (Его опре¬
деляют по метке 6, нанесенной на подвижном блоке: при равен¬
стве скоростей обеих тележек блок вращаться не будет.) Найдя
по секундомеру промежуток времени t, в течение которого те¬
лежка В приобретает такую же скорость, как и А, сравнивают
его со временем (t—At) движения тележки Л.
Устанавливают, что —— ==2.
t-At
Таким образом, для приобретения обеими тележками равных
скоростей под действием равных сил тележке В требуется вре¬
мени В' два раза больше, чем Л. Поэтому нижняя тележка в два
раза инертнее верхней.
В дальнейшем, на примере уже рассмотренного эксперимента,
при изучении понятия массы следует показать прямую зависи¬
мость между массами тел (тележек) и временем действия на них
равных сил, изменяющих скорость‘тел на одно и то же значение.
5*
■67
В самом деле, на основании второго закона Ньютона соответ¬
ственно для верхней и нижней тележек в проекции на горизон¬
тальную координатную ось можно записать:
Fi=mlal и F2=m2a2,
где Fx и F2 — проекции сил, действующих на тележки, тх и
т2 — массы тележек, ах и а2 — проекции ускорений тележек.
Поскольку Fx — F2f то
со
т2 a i
Учитывая, что начальная скорость тележек равна нулю, а конеч¬
ная— v, значения ускорений телех^ек можно выразить так:
ах — а2—— , (2)
1 t—At * 2 t ' w
где v — проекция скорости.
Из (1) и (2) получаем:
т\ t—At
т2 t
Данный эксперимент может быть поставлен в VIII классе
в форме работы физического практикума.
Г. Ф. Воловик
(Краснодарский край,
Темрюкский р-н, ст. Голубицкая)
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСКОРЕНИЯ ТЕЛА
ПРИ РАВНОУСКОРЕННОМ ДВИЖЕНИИ
Установка для демонстрации показана на рисунке, где 1—>
стержень маятника (он выполнен из стальной проволоки дли¬
ной ~1 м и диаметром сечения ~6 мм); 2 — деревянный желоб
длиной 1—1,2 м; 3 — подставка для стержня, укрепленная на
желобе; 4 — стальной шарик диаметром 25 см; 5 — пускатель ша¬
рика (представляет собой спираль из мягкой проволоки с двумя
усиками 6} спираль легко вращается на скобе, укрепленной сбо¬
ку желоба; один из усиков придерживает шарик в нулевом по¬
ложении, а в другой упирается стержень-маятник при прохожде¬
нии положения вдоль желоба); 7— нить; 8 — штатив школьный.
Перед началом опыта установку нужно настроить. Длину ни¬
ти 7 желательно выбрать такой, чтобы маятник совершал одно
полное колебание за 1,2—1,5 с (например, длина нити 65 см, ма¬
ятник совершает 50 колебаний за 65 с, т. е. Г» 1,3 с).
Пускатель шарика устанавливают (это делается подгибанием
усиков пускателя) так, чтобы шарик начинал движение в тот
момент, когда стержень проходит точно вдоль желоба. Чтобы
значительно легче было фиксировать положение перемещающегося
68
по желобу шарика, стержень
маятника 1 раскрашивают в
два цвета так, чтобы полосы,
расположенные друг за дру¬
гом вдоль стержня, были тем¬
ные и белые, причем длина
каждой полосы постепенно
увеличивалась в направлении
движения шарика. Это дела¬
ется для удобства фиксации
положения шарика, скорость
которого по мере скатывания
возрастает.
Работу выполняют следую¬
щим образом. Стержень маят¬
ника отводят в сторону. Уста¬
навливают шарик в нулевое
положение на желобе, после чего отпускают стержень. Он будет
совершать колебания. В момент прохождения стержня над жело¬
бом он толкает усик 6 спирали и шарик скатывается. Через 0,5 пе¬
риода стержень-маятник вновь окажется над желобом —«встретит¬
ся» с движущимся по нему шариком. Место их встречи сначала
фиксируют зрительно, а затем в этом месте к стержню плотно при¬
клеивают сбоку пластилиновую пластинку (длиной ~10 см),
нижний край которой подогнут к оси стержня и опущен на 4 мм.
Опыт повторяют, но теперь при встрече стержня с шариком
последний оставляет на пластилиновой пластинке вмятину, по ко¬
торой и фиксируют положение шарика на желобе в момент вре¬
мени t=0,5 Т. Измерив расстояние от нулевого до фиксирован¬
ного положения, узнают пройденный шариком путь по формуле
и определяют ускорение:
2s 1 2si 2sj
1_ fi2~~ (0,5Г)2 (0,5-1,3 c)2’
Сняв пластилиновую пластинку, снова воспроизводят опыт и
аналогичным образом находят место второй встречи стержня и
шарика, которое произойдет через время t2 — T.
Измерив расстояние от нулевого положения до места второй
встречи, находят путь s2> а затем вычисляют ускорение а2. Точ¬
но так же определяют путь s3 и ускорение аг.
На этом приборе хорошо можно проверить: при равноуско-.
ренном движении без' начальной скорости пройденный путь про¬
порционален квадрату времени; пути, проходимые в последова¬
тельные равные промежутки времени, относятся как последова¬
тельный ряд нечетных чисел; при равноускоренном движении без
начальной скорости скорость пропорциональна времени,
69
П. П. Головин
(Ульяновская обл.)
ПРИБОР ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ УСКОРЕННОГО ДВИЖЕНИЯ
Для осознанного усвоения школьниками формул равнопере¬
менного движения при изучении механики наряду с обычными
демонстрациями равноускоренных движений можно показать
опыты с прибором, общий вид которого дан на рисунке 1.
Прибор состоит из желоба 1 длиной 157,5 см, рейки 2 раз¬
мером 140X2X1 >5 см, которую кренят к желобу при помощи
держателей 3. Рейку можно приподнять над желобом и опустить
поворотом вокруг точек крепления 4 на держателях. К нижней
поверхности рейки приклеивают мягкую губку 5 толщиной 1 см.
На верхнем конце желоба имеется направляющая деревян¬
ная планка 7 размером 16X5X3 см. В ней вырезают прямоуголь¬
ный паз глубиной 0,5 см и шириной 3 см. На дне его находит¬
ся другой паз для желоба. Разрез планки 7 показан на вы¬
носке а.
К прибору прилагаются четыре шарика 8 диаметром 1,6 см
и четыре деревянных бруска 9 размером 2,8X1 X0J см. В центре
верхней поверхности каждого бруска вбит металлический шты-
70
Рис. 2
рек длиной 3,0 см. На расстоянии 1,5 см от каждого конца план¬
ки по обе стороны желоба имеются выступы, предотвращаю¬
щие скольжение брусков и шариков вниз по желобу.
К прибору также приложен маятник 11 (см. выноску б) . Дли¬
на маятника 27 см, а общая масса 500 г. Нижний конец его за¬
канчивается пластинкой 12 размером 2,5X1 ХОД см. Верхним
концом маятник жестко вставлен в подшипник 13, с помощью
которого зажимается в лапку штатива. Вдоль маятника может
перемещаться цилиндр 14 массой 300 г, положение которого фик¬
сируется болтом 15. Перемещая цилиндр вверх и вниз, можно
менять период колебания маятника от 0,6 до 0,8 с. На маятнике
имеются метки, которые соответствуют положениям цилиндра
при периодах 0,6 и 0,8 с.
Для подготовки прибора к демонстрации желоб и маятник
необходимо прикрепить к штативу так, как показано на рисун¬
ке 1. Пластинку маятника надо располагать против центра же¬
лоба таким образом, чтобы она касалась штырька первого
бруска. В направляющей планке * укладываются четыре шарика
и между ними бруски. Первый брусок упирается в выступы.
Рейку одной рукой поднимают на 2—3 см. Прибор готов к де¬
монстрации. Теперь достаточно другой рукой отвести маятник в
сторону на угол 25—30° и отпустить. При прохождении положе¬
ния равновесия маятник выбивает первый брусок. При этом пер¬
вый шарик освобождается и начинает двигаться вниз вдоль
желоба, освободившееся место занимает второй брусок и шарик.
Через промежуток времени т/2 (Т — период колебания маятни¬
ка) маятник снова будет проходить положение равновесия и вы¬
бивает следующий брусок, освобождая второй шарик, и т. д. Та¬
ким образом, шарики спускаются по желобу друг за другом че¬
рез равные промежутки времени г/2. Если теперь освободить
руку, держащую рейку, последняя опускается и губка останав¬
ливает одновременно все шарики в тех местах, где они находи¬
лись в данный момент, т. е. получается наглядная стробоскопи¬
ческая картина движения шариков (рис. 2).
Прежде чем приступить к анализу опыта, я обращаю внима¬
ние учащихся на то, что третий шарик прошел участок s\, вто*
71
рой — участок s2 и первый — участок s3 за промежуток времени,
равный половине периода колебания маятника; положения
шариков 2, 3, 4 соответствуют точкам, которые шарик 1 про¬
шел в предыдущие последовательные равные г/2 промежутки
времени.
Положение стробоскопической картины на желобе зависит от
момента опускания рейки. Если шарики остановить в момент
прихода в движение четвертого шарика, то получается стробо¬
скопическая картина движения шариков с начальной скоростью
и0=0. (Чтобы этот опыт удался, предварительно следует не¬
сколько потренироваться.) Для удобства анализа данные зано¬
сим в таблицу. (Ниже приведена таблица одного из опытов.)
№ шарика
t, с
S, СМ
Дs, см
vcp,
см, с
4г,ср,
см,с
а, с м/с-
Вывод
3
0,3
8
—
26,7
—
178
Движение равноуско¬
ренное
2
0,3
24
16
80
53,3
178
С положительным
ускорением
1
0,3
40
16
133,3
53,3
178
В нашем опыте шарики 3, 2, 1 за время / = 0,3 с прошли со¬
ответственно отрезки пути 8, 24, 40 см, причем шарик 3, про¬
шедший 5! = 8 см, начинал движение со скоростью и0=0.
Сравнивая эти отрезки пути, пройденные телом за последова¬
тельные равные промежутки времени, начиная с первого, делаем
вывод, что они относятся как последовательный ряд нечетных
чисел, т. е. sx\s2: sz= 1:3:5. Следовательно, движение шариков
вдоль желоба является равноускоренным.
После этого получаем стробоскопическую картину на любом
участке равноускоренного движения, опустив рейку после при¬
хода в движение последнего четвертого шарика (см. рис. 2).
Измерив отрезки su s2, s3, делаем вывод, что хотя они не от¬
носятся как последовательный ряд нечетных чисел, но отлича¬
ются друг от друга по-прежнему на постоянное значение и сред¬
няя скорость на этих участках, проходимых первым шариком за
последовательные равные промежутки времени, увеличивается
на постоянную величину.
Примечания. 1. Значения отрёзков пути в опыте округлены с точ¬
ностью до 1 см. |
2. Маятник, обладая большой массой, при качений вызывает раскачивание
штатива. Поэтому есть смысл подвесить его на отдельный штатив.
72
В. Б. Мулевский
(г. Вологда)
ДИНАМОМЕТР
Для измерения силы, приложенной к подвижному телу (та¬
кие задачи, например, решаются при изучении II закона Ньюто¬
на), а также для измерения веса тела при ускоренном подъеме и
падении можно использовать динамометр, принцип действия ко¬
торого понятен из рисунка 1.
Блок 1 свободно перемещается по горизонтальным направ¬
ляющим. На него в вертикальном направлении действуют две
силы: вес Р груза 2, закрепленного на конце нити, и равная
по модулю, но противоположно направленная реакция опоры/V.
Эти обе силы компенсируют друг друга. В горизонтальном на¬
правлении на него действуют две силы: сила упругости Fi ни¬
ти 3 и сила упругости Р2 пружины 4. Под действием силы F\
блок перемещается влево >до тех пор, пока возрастающая в
результате деформации пружины сила упругости не уравновесит
ее. По деформации пружины можно судить о силе, действующей
на блок со стороны нити в горизонтальном направлении, а сле¬
довательно, и на подвижное тело. На результатах, полученных
при использовании данного динамометра, может сказаться толь¬
ко действие силы трения, возникшей при движении блока по
направляющим (влияние силы трения в подшипнике блока и
момента инерции блока исключается). Однако благодаря исполь¬
зованию радиальных шарикоподшипников малых размеров (с
диаметром внешней обоймы не более 13 мм) перемещение бло¬
ка по направляющим осуществляется с малым трением, практи¬
чески не влияющим на результаты измерений.
Конструктивно динамометр может быть выполнен так, как
показано на рисунке 2. Направляющие склеены из плексигласа
Рис. I
73
в виде коробки 1 со сквозными пазами в верхней и нижней
крышках. По, направляющим на шарикоподшипниках, внешние
обоймы которых выполняют функции колес, может перемещать¬
ся ось 2 с блоком 3, который с помощью третьего шарикопод¬
шипника установлен на этой оси. Ось 2 скобой 4 соединяют с
тягой 5, которую, в свою очередь, — с пружиной 6. К направляю¬
щим сверху крепят стальную полоску 7. На последней устанав¬
ливают шкалу 8 со стрелкой, которую прикрепляют к концу
пружины 6. С целью коррекции нуля и исключения из рассмот¬
рения силы трения в демонстрациях по II закону Ньютона шка¬
лу можно перемещать в пазах 9. Для установки динамометра в
штативе служит стержень 10.
Жесткость пружины подбирают в соответствии с массой ис¬
пользуемой тележки. Поскольку в опытах по II закону Ньютона
ускорения обычно не превышают I м/с2, из выражения а = —
следует, что модуль приложенной силы в СИ не будет превы-
шать по численному значению массы тележки. Для обеспечения
хорошей видимости шкалы расстояние от нуля до максимально¬
го деления должно быть около 0,04—0,05 м. Следовательно,
жесткость пружины определяется из формулы k =
где F-
максимальное значение силы, I — расстояние от нуля до макси¬
мального деления шкалы.
Используя динамометр, можно поставить, например, такие де¬
монстрации.
1. Для иллюстрации II закона Ньютона динамометр закреп¬
ляют в штативе с помощью двух муфт и короткого стержня и
устанавливают на краю демонстрационного стола так, чтобы сво¬
бодный конец нити, соединенной с подвижным телом (тележкой)
и перекинутой через блок, свисал возле его крышки (рис. 3). На
свисающем конце нити укрепляют груз (для компенсации тре¬
ния). Стрелки шкалы устанавливают на нуль при равномерном
движении тележки; Затем увеличивают груз, висящий на нити,
измеряют силу и ускорение. Определение ускорения может быть
прямым (поскольку платформа тележки свободна от динамомет¬
ра и на ней можно установить акселерометр) или косвенным но
формуле а— — (s — пройденный тележкой путь, t — соответст-
/2
вующее время). Время движения в этом случае находят по се¬
кундомеру-датчику с использованием «НО» и «НЗ» контактов.
При изменении массы тележки трение каждый раз компенсиру¬
ется заново.
2. Для показа изменения веса тела при ускоренном подъеме
и падении на*одном из универсальных штативов закрепляют ди¬
намометр (рис. 4), а на втором — блок со стержнем. Штативы
устанавливают на расстоянии 1,5—2 м друг от друга. За счет
передвижения шкалы стрелку динамометра совмещают с нулем.
Рис. 3
Через блок динамометра и
блок на втором штативе пере¬
кидывают нить с привязанны¬
ми к ней грузами Л и В на
концах. Массы обоих грузов
подбирают такими, чтобы сме¬
щение стрелки от нуля состав¬
ляло примерно 3/4 шкалы ди¬
намометра. (Удобно исполь¬
зовать наборные грузы, вы¬
пускаемые промышленностью.)
Нить между блоками должна
быть расположена горизон¬
тально. (Сравнительно боль¬
шое расстояние между блока¬
ми позволяет сосредоточить
внимание только на грузе А и
исключить влияние на резуль¬
таты опытов отклонения нити
от горизонтального положения.)
За счет изменения массы грузов В демонстрируют изменение
веса груза А при его движении с положительным ускорением
как вверх, так и вниз, а также неизменности веса в случае от¬
носительного покоя либо равномерного движения груза.
Можно показать и движение с отрицательным ускорением.
Для этого предварительно уравновешенную систему грузов при¬
водят в движение (рукой), которое затем тормозится (путем
придерживания блока на втором штативе) до полной остановки.
Перегрузки, компенсирующие трение в блоках и позволяющие
получить равномерное движение груза, подвешивают только на
груз В. Для увеличения времени наблюдения за показаниями
динамометра используют не только высоту штатива, но и вы¬
соту демонстрационного стола.
Рис. 4
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Е. Б. Мягков
(г. Судак)
ОПЫТЫ С ДЕМОНСТРАЦИОННЫМ МИКРОМАНОМЕТРОМ
С демонстрационным микроманометром, выпускаемым про¬
мышленностью (цена деления 2 мм вод. ст.), кроме опытов, опи¬
санных в методической литературе, можно провести следующие
демонстрации.
Измерение давления под искривленной поверхностью жид¬
кости. Микроманометр соединяют резиновой трубкой с одним
из концов стеклянного тройника, на другой конец которого на¬
девают резиновую грушу, к третьему (с помощью короткого от¬
резка резиновой трубки) присоединяют стекляйную трубку с за¬
уженным концом (до 2—3 мм в диаметре). Тройник закрепляют
на штативе так, чтобы стеклянная трубка расположилась вер¬
тикально, узким концом вниз (см. рис.).
Перед демонстрацией необходимо проверить герметизацию в
местах соединения. К трубке подносят стакан с водой и в него
погружают узкий конец трубки так, чтобы в ее канале образо¬
вался столбик воды высотой 2—3 мм, после чего стакан уби¬
рают. (Если столбик получится выше, лишнюю воду легко уб¬
рать промокательной бумагой. Опыт можно проводить и при
иной высоте столбика воды, но он будет менее наглядным.) Слег¬
ка нажимая на грушу, капельку воды вытесняют из трубки. до
образования у конца последней выпуклого мениска. Давление в
системе при этом повышается, это наблюдается по отклонению
стрелки манометра. Можно получить максимальное (до
20 мм вод. ст.) отклонение стрелки. Желательно на резино¬
вую трубку между тройником и грушей наложить зажим (при
максимальном отклонении стрелки прибора), чтобы при необхо¬
димости использовать статистическое состояние системы для
проекции на экран.
Зависимость давления от радиуса кривизны поверхности
жидкости. Опыт проводится на той же установке, что и преды¬
дущий. Перед демонстрацией внимание учащихся обращают на
фиксацию давления по прибору при разрыве поверхностного слоя.
Опыт проводят дважды: сначала, как и первый, а затем узкий
конец стеклянной трубки заменяют на более широкий (проще
всего это сделать, поменяв местами концы пипетки).
Сравнивая показания прибора при разрывах поверхностного
слоя в первом и во втором случаях, учащиеся убеждаются, что
при большем радиусе кривизны давление под изогнутой поверх¬
ностью жидкости меньше. Столбики воды в обоих случаях долж¬
ны быть примерно одинаковыми.
77
Рис.
Зависимость коэффициента поверхности натяжения воды от
температуры. Опыт является повторением первого, но проводят
его с холодной (комнатной температуры) и горячей (50—60°)
водой. Сравнение показаний прибора при разрыве поверхност¬
ного слоя позволяет сделать вывод. Прежде чем наливать в труб¬
ку горячую воду, трубку нужно прогреть (т. е. конец ее подер¬
жать несколько секунд в горячей воде).
Зависимость давления газа от концентрации молекул и тем¬
пературы. При изучении давления идеального газа формулу
p = nkT можно наглядно проиллюстрировать таким опытом.
Используют шар для взвешивания воздуха со сня1ъгм матер¬
чатым чехлом. Сначала шар демонстрируют как сосуд, содер¬
жащий воздух при атмосферном давлении. Затем для увеличе¬
ния концентрации молекул внутрь шара пипеткой впрыскивают
капельку бензина или ацетона, а шар соединяют резиновой труб¬
кой с микроманометром, который и показывает рост давления.
(При объяснении опыта не следует вводить понятия о давлении
ненасыщенного пара, лучше сделать упор на увеличение кон¬
центрации молекул.) При выполнении опыта не следует касаться
шара руками, так как даже незначительное количество теплоты,
сообщенное шару (от рук), ведет к росту давления.
После продувки шара воздухом можно показать опыт, ил¬
люстрирующий зависимость давления газа от температуры. Чув¬
ствительность прибора позволяет измерить давление газа при
незначительном повышении температуры.
Вместо шара можно использовать колбу с плотной резиновой
пробкой, сквозь которую пропущена стеклянная трубка.
78
Л. Н. Кузнецова, М. Е. Кузнецов
(Коми АССР, г. Сыктывкар)
РАБОТА ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА В IX КЛАССЕ
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ
ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ»
Предлагаемый в данной работе метод определения удельной
теплоты парообразования основан на следующем. Имеется элект¬
рический нагреватель мощностью Р, опущенный в сосуд с ис¬
следуемой жидкостью. Если в течение времени t все количество
теплоты, выделяющееся в нагревателе, расходуется только на
парообразование, то удельная теплота парообразования опреде¬
ляется по формуле
Р4
L=—, (Ц
пг
где пг — масса испарившейся жидкости за время t.
Основная трудность этого метода заключается в надежной
тепловой изоляции сосуда с жидкостью. Применение в школьной
практике для этой цели сосудов Дьюара по ряду причин вряд
ли. возможно и целесообразно. Теплоизоляция сосуда с помощью
обычных теплоизоляционных материалов также не оправдала
себя на практике: для выпол¬
нения работы требуется очень
много времени, основные ча¬
сти прибора остаются закры¬
тыми теплоизоляцией, и уча¬
щимся трудно ознакомиться
с ними детально.
Этот интересный в мето¬
дическом отношении способ
определения удельной тепло¬
ты парообразования может
быть использован в школьном
практикуме с помощью опи¬
санного ниже прибора, схема
которого показана на рисун¬
ке 1. (Выполнение работы за¬
нимает у учащихся не более
20—35 мин.)
Прибор состоит из трех со¬
судов 1, 2, 3/ вставленных
один в другой, резинового
паропровода 4 и сосуда 5 для
сбора конденсирующего пара.
Исследуемую жидкость (воду)
наливают в сосуд /, пред¬
ставляющий собой внутренний
79
Рис. 2
стакан школьного калориметра. Выпаривание воды производит¬
ся с помощью электрического нагревателя 6 (бытовой электро¬
кипятильник).
Для устранения утечки пара через отверстия в крышке сосу¬
да 1, проделанные для вывода проводов от электрического на¬
гревателя, применяют резиновые уплотнения. Чтобы в паропровод
попадал только сухой пар, перед ним поставлен наклонный эк¬
ран 7 (пластина с тонким * отверстием), который задерживает
мельчайшие капельки воды, увлекаемые паром.
Сосуд 2, являющийся внешним стаканом калориметра, и со¬
суд 3 служат для тепловой изоляции сосуда 1. Это достигает¬
ся следующим образом: кипящая в сосуде 3 вода, нагреваемая
электроплиткой 8, поддерживает температуру стенки сосуда 2
при температуре кипения. При кипении воды в сосуде 1 (с по¬
мощью нагревателя 6) стенка этого сосуда тоже приобретает
температуру кипения, и благодаря этому теплообмена между
первым и вторым сосудом не происходит.
Электрическая схема ясна из рисунка 1. Прибор легко раз¬
бирается и собирается, что позволяет учащимся детально "озна¬
комиться с его устройством. На рисунке 2 дан вид всей уста¬
новки.
Работу выполняют так. В сосуды 1 я 3 наливают воду, соби¬
рают прибор и ставят его на электроплитку. Нагреватель под¬
ключают к автотрансформатору типа РНШ, причем для измере¬
ния мощности нагревателя включают амперметр и вольтметр.
Пока вода в сосуде 3 нагревается до кипения, в сосуд 5 налива¬
ют воду и взвешивают. Включают автотрансформатор в сеть
переменного тока и устанавливают определенный ток (0,5—1А).
Когда вода в сосуде 1 закипит, опускают конец паропровода 4
в сосуд 5 и собирают конденсат в течение определенного времени
(3—4 мин). После этого вновь взвешивают сосуд 5 и опреде¬
ляют массу испарившейся жидкости. По формуле (1) вычисля¬
ют удельную, теплоту парообразования.
80
С. М. Дураев, Н. Г. Ширчков
(Мордовская АССР, г. Саранск)
ДЕМОНСТРАЦИЯ ПЕРЕХОДА НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ
В НЕНАСЫЩЕННЫЕ И ОБРАТНО
Оборудование: резиновая трубка длиной около 2 м и диаметром
[ см, стеклянная трубка с одним запаянным кондом длиной 20—25 см и диа¬
метром 0,8—1 см, металлический стержень длиной 35—40 см, хлористый этил,
кювета с водой (теплофильтр).
Демонстрация опыта. Перед конденсором проектора
ставят вертикальную кювету с водой (теплофильтр), а передней
помещают стеклянную трубку запаянным концом вниз. Получив
на экране резкое изображение трубки, в нее вводят 2—3 капли
хлористого этила. Резиновую трубку плотно наматывают на стер¬
жень так, чтобы в ней не осталось воздуха, и один ее конец на¬
девают на стеклянную трубку. Разматывая резиновую трубку со
стержня до половины (увеличивая объем внутренней части труб¬
ки), замечают, что хлористый этил испаряется: объем жидкости
уменьшается, а насыщенного пара увеличивается. Разматывают
резиновую трубку со стержня; до тех пор, пока хлористый этил
не испарится полностью, т. е. насыщенный пар превратится в
ненасыщенный.
Для демонстрации обратного перехода начинают плотно на¬
матывать на стержень резиновую трубку, заполненную парами
хлористого этила, тем самым уменьшая объем этих паров. За¬
мечают появление капелек жидкости в стеклянной трубке.
А. С. Холод
(г. Ленинград)
МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
Действие предлагаемой модели тепловой машины основано
на применении явления сокращения растянутого резинового шну¬
ра при нагревании, которое было открыто Джоулем. Модель про¬
ста в изготовлении и безотказна в работе. Она позволяет пока¬
зать, что, помимо тепловых машин, работающих на принципе
использования теплового расширения газов, могут быть созданы
машины, в основе действия которых лежит тепловое расширение
или сжатие твердых тел. Такие машины не получили техническо¬
го применения ввиду большой продолжительности цикла работы
и значительных габаритов. Однако простота их устройства до
сих пор привлекает внимание изобретателей.
Устройство модели показано на рисунке. Она состоит из ос¬
нования 1, двух стоек 2, колеса 3 и электронагревателя 4. Осно¬
вание и стойки могут быть выполнены из любого материала
(дерева, пластика, дюраля). Колесо делают следующим обра-
6 Заказ № 3657
81
зом. Из оргстекла, пластика или фа¬
неры выпиливают кольцо, имеющее
внешний диаметр 250 мм, внутренний
210 мм и толщину 4—6 мм. На внеш¬
ней окружности через каждые 10° на¬
пильником делают канавки. Осью ко¬
леса' служит винт М4 с заостренными
концами. В середине винта ставят две
шайбы, которые могут сжиматься дву¬
мя гайками. Кольцо с осью соединяют
резиновой нитью (которую обычно ис¬
пользуют для запуска авиамоделей).
Последнюю наматывают таким обра¬
зом, чтобы она оказалась растянутой
и проходящей между шайбами и через
канавки на внешней окружности коль¬
ца (ось при этом должна оказаться примерно в центре кольца).
Затем балансируют колесо.
Электронагреватель собирают из отрезка нагревательной спи¬
рали и цилиндрического рефлектора из листового алюминия,
которые крепят к подставке 5. Нагреватель включают в элект¬
росеть через ЛАТР.
Если нагреватель включить и расположить справа от оси ко¬
леса (как показано на рисунке), то последнее начнет медленно
(делая примерно 10—15 об/мин) вращаться против часовой
стрелки. Это объясняется следующим образом. Резиновые нити,
расположенные против нагревателя 4, нагреваются и сокраща¬
ются; при этом центр тяжести кольца смещается относительно
оси влево на некоторую величину I (диаметрально расположен¬
ные холодные резиновые нити дополнительно растягиваются),
что приводит к возникновению отрицательного момента — mgl,
(где т — масса кольца), под действием которого колесо пово¬
рачивается. В результате против нагревателя оказываются новые
резиновые нити, а ранее нагретые охлаждаются, и их первона¬
чальное натяжение восстанавливается. Если нагреватель распо¬
ложить слева от оси, то колесо будет вращаться по часовой
стрелке.
Описанная модель может быть использована как на уроках,
так и на внеклассных занятиях. Ученикам можно дать задание
подумать, как усовершенствовать эту модель или как создать
другую модель машины, действующую на принципе использова¬
ния теплового расширения или сжатия твердых тел.
%2
В. Ф. Шилов
(г. Москва)
МОДЕЛИ
Для объяснения сущности физических процессов в демонст¬
рационном эксперименте используют модели.
Все модели по физике можно разделить на статические, на¬
пример модель водопровода, и динамические, например модель
давления газа.
В статье описаны некоторые динамические модели.
Модель молекулярного движения газа (рис. 1). Она состоит
из динамического громкоговорителя, на котором с помощью вин¬
тов закреплено кольцо из фанеры (толщиной 10 мм). В кольцо
вставляют полый цилиндр из прозрачной пленки для кододиа-
позитивов.' (После свертывания пленки в цилиндр ее края за¬
крепляют скрепками от ученических тетрадей.)
Молекулы газа имитируют мелкие кусочки пробки (или пе¬
нопласта), а также свинцовая дробь. Чтобы кусочки не закли¬
нивали колебательную систему динамика, отверстие в диффузо¬
ре заклеивают калькой. Последнюю в нескольких местах про¬
калывают иглой для обеспечения подвижности колебательной
системы динамика.
Динамик подключают к зажимам «Общ.» и «5 Ом» звукового
школьного генератора ГЗШ-63. При отсутствии в кабинете фи¬
зики последнего питание на модель можно подавать от двухпо-
лупериодного выпрямителя (ВС-4-12, ВСШ-6 или другого типа).
Двухполупериодные выпрямители без фильтра дают на выходе
постоянный по направлению и пульсирующий по значению ток.
Частота пульсаций тока равна
100 Гц. Если питание модели осу¬
ществляется от выпрямителя, то в
ней можно использовать динамиче¬
ский диффузорный громкоговори¬
тель с резонансной частотой под¬
вижной системы в 100 ГцДТакую
частоту имеют громкоговорители
типа 1ГД-6, 1 ГД-18, 2ГД-3, 2ГД-4,
2ГД-7, 2ГД-8).
После присоединения модели к
источнику питания диффузор ди¬
намика приходит в колебательное
движение. Наблюдают хаотическое
движение молекул. Зависимость
скорости их движения от темпера¬
туры иллюстрируют путем измене¬
ния частоты ГЗШ-63 (или измене¬
ния тока, например, реостатом на
выходе выпрямителя), pUc. 1
6*
83
Модель иллюстрирует зависимость
скорости движения молекул от темпера¬
туры, распределение молекул в атмосфе¬
ре, испарение и конденсацию жидкостей,
зависимость скорости испарения от тем¬
пературы, площади поверхности и дви¬
жения- воздушных масс, равновесие про¬
цессов испарения и конденсации жидко¬
сти в закрытом сосуде. С помощью моде¬
ли можно также показать зависимость
давления газа от температуры. В этом
случае на диффузор динамика вместо ку¬
сочков пробки (пенопласта) помещают
два-три десятка свинцовых дробинок.
Температуру изменяют вышеуказанным
путем, а изменение давления обнаружи¬
вают с помощью открытого демонстраци¬
онного манометра, соединенного с при¬
бором для демонстрации давления в
жидкости. Капсуль последнего помеща¬
ют в полый цилиндр модели молекуляр¬
ного движения газа.
Модели гидро-, паро-, ветроэлектро¬
станции. Все они выполняются на базе
микроэлектродвигателя. Малые размеры такого двигателя не про¬
тиворечат требованиям, предъявляемым к демонстрационному
оборудованию, поскольку чаще всего он является приводом или
генератором, а не объектом изучения.
Широкое распространение получили микроэлектродвигатели
МДП-1 (без редуктора) и МДП-2 (с редуктором). Первый мик¬
роэлектродвигатель при напряжении 4,5 В дает 3000—3500f вто¬
рой— 530 об/мин. Для эксплуатации микроэлектродвигателя в
указанных моделях необходимо на хвостовик его вала насадить
втулку универсального зажима (рис. 2). Вначале в той части
втулки зажима, которая служит для закрепления, делают отвер¬
стие диаметром 2 мм*, затем лудят эту часть и с помощью паяль¬
ника втулку насаживают на хвостовик вала двигателя. После ос¬
тывания втулки она будет припаяна к валу. При пользовании
таким реконструированным двигателем различные приспособле¬
ния крепят на его валу с помощью гайки и клеммы или же плот¬
но вставляют во втулку вала.
Двигатель закрепляют с помощью обоймы из жести и двух
винтов М4 на деревянном бруске размером 30X40X70 мм. На
этом же бруске устанавливают двй зажима и соединяют их с
электрическими выводами двигателя.
Модель гидроэлектростанции. На вал электродвигателя на¬
саживают ротор гидротурбины. Последний (рис. 3) состоит из
двух дисков белой жести диаметром 120 мм (рис. 4, а, б), соеди¬
ненных между собой шестью дугообразными полосками листо¬
Рис. 3
84
вого алюминия или жести (рис. 4, в, г, д) длиной 300 мм. Оба
диска в центре имеют отверстия: первый — диаметром 6,2 мм
для насадки на вал микроэлектродвигателя, второй — диаметром
48 мм для стекания воды. К зажимам полученного гидрогенера¬
тора присоединяют гальванометр от демонстрационного вольт¬
метра (рис. 5). Падающий поток воды создают с помощью
склянки Вульфа, установленной на подъемном столике. Предва¬
рительно на тубус склянки надевают резиновую трубку с за¬
жимом. Наполняют склянку водой, открывают зажим и направля¬
ют струю воды на ротор гидротурбины. Последний приходит во
вращение и вращает вал двигателя. Показания гальванометра,
соединенного с зажимами генератора через реостат, свидетель^
ствуют о работе гидроэлектростанции. (Данная модель особенно
полезна в тех кабинетах физики, где нет центрального водопро¬
вода.)
Модель теплоэлектростанции. На вал микроэлектродвигате¬
ля насаживают ротор паровой турбины (рис. 6), изготовленный
Рис. 4
85
Рис. 7
Рис. 8
из жести или оргстекла. Полученную модель турбогенератора че¬
рез реостат соединяют с демонстрационным вольтметром на 5 В.
Затем в лапке штатива закрепляют колбу Вюрца, наливают , в
нее воды и затыкают пробкой. На отросток колбы надевают
резиновую трубку с соплом (стеклянная трубка от пипетки) на«
конце (рис. 7). Получают паровой котел. При нагревании кол¬
бы вода закипает, и пар с силой вырывается через сопло. Струю
пара направляют на лопатки турбины, и она начинает вращать¬
ся. О работе турбогенератора судят по показаниям вольтметра.
(При постановке опыта необходимо следить за тем, чтобы вся
вода не выкипала, иначе колба лопнет.)
Модель ветроэлектростанции. Ее получают путем насажива¬
ния на вал микроэлектродвигателя трехлопаст'ного винта
от модели ракеты и присоединения к зажимам двигателя демон¬
страционного вольтметра на 5 В (рис. 8).
Поток воздуха направляют на винт от воздуходувки. Вал
микроэлектродвигателя приходит во вращение. Двигатель стано¬
вится генератором, вырабатывающим постоянный ток. Напря¬
жение с генератора подается на демонстрационный вольтметр,
по показаниям которого судят о работе ветроэлектростанции.
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
В. И. Тараненко
(УССР, г. Ворошиловград)
ДЕМОНСТРАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Соединяют последовательно две лампы напряжением 220 В
и мощностью 75 Вт и лампу для карманного фонаря напряже¬
нием 3,5 В. При включении в сеть (220 В) маленькая лампа
вспыхивает. Если включения и выключения производить часто,
то вспышек не наблюдают.
Этот опыт можно предложить учащимся в качестве проблем¬
ного задания перед изучением вопроса о зависимости сопротив¬
ления проводников от температуры. После того как ученики за¬
думались о причинах явления й были сделаны попытки его объ¬
яснить, им демонстрируют следующий опыт.
Предварительно берут спираль длиной 15 см (из оплетки ста¬
рого мотоциклетного тросика), обжигают, сворачивают в три
витка и концами прикрепляют к двум проводникам диаметром
3—4 мм и длиной 20—25 см, на один из которых надевают труб¬
ку из изоляции. Оба проводника прикрепляют к подставке для
лампы карманного фонаря. (Отверстие в подставке рассверли¬
вают, продевают проводники и прикрепляют к клеммам с нижней
стороны.)
Полученный прибор последовательно соединяют с ампермет¬
ром переменного тока на 10 А и катушкой от универсального
трансформатора на 6 В (см. рис.). При подаче напряжения в
Рис.
88
цепь амперметр покажет силу тока ~10 А, но по мере нагре¬
вания спирали сила тока уменьшается до 6 А.
Учащимся снова предлагают объяснить наблюдаемое явле¬
ние, а затем учитель задает вопрос: «Изменится ли сила тока,
если поднести к спирали зажженную спиртовку?»
Ученики приходят к выводу о зависимости сопротивления ме¬
таллических проводников от температуры и объясняют проблем¬
ный опыт: спирали больших ламп прогреваются дольше, чем ма¬
лой, и большой начальный ток дает вспышку малой лампы.
А. П. Кузьмин
(г. Москва),
3. Н. Матвеева
(г. Калуга)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МЕТОДА
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Знакомство с основными принципами электрического метода
измерения неэлектрических величин содействует углублению по¬
литехнических знаний учащихся, а также значительно расширяет
число величин, доступных для измерения в школьном физиче¬
ском эксперименте.
Полезно пользоваться действующими демонстрационными мо¬
делями, которые, как правило, нетрудно изготовить в школьных
условиях.
Покажем, например, как можно ознакомить учащихся с прин¬
ципом тензометрии.
Учащиеся знают зависимость сопротивления проводника от
длины, площади поперечного сечения и рода материала. Полезно,
повторив этот материал, подвести их к выводу о возможности
измерения сопротивления при линейных деформациях проводни¬
ка. Этот вывод подкрепляют следующей демонстрацией.
Между двумя штативами с изолирующими наконечниками
натягивают проводник длиной 2—3 м и диаметром 0,1 мм с не¬
большим удельным сопротивлением (можно использовать об¬
мотку от старого электропаяльника мощностью 50 Вт). Этот
проводник (его сопротивление должно быть — 150—200 Ом) в
опыте выполняет роль тензодатчика ТД. Его включают в схему
моста (рис. 1), собранного из магазина сопротивлений. В каче¬
стве измерительного прибора целесообразно использовать демон¬
страционный гальванометр с усилителем постоянного тока. Ис¬
точником тока может служить выпрямитель (10—12 В).
Балансируют мост (при недеформированном проводнике).
К середине проводника подвешивают груз массой 50 г, вызываю¬
щий растяжение (провисание) проволоки. Стрелка гальваномет¬
ра отклонится на некоторый угол. Используя больший груз,
наблюдают увеличение угла отклонения стрелки прибора; на
89
©том основании делают вывод, что сопротивление проводника
при растяжении изменяется. Чтобы показать, как изменяется со¬
противление проводника, нужно в мостовую схему включить ма¬
газин сопротивлений. Увеличивая сопротивление магазина, на¬
блюдают отклонение стрелки прибора, совпадающее, по направ¬
лению с тем, которое было в первой части опыта.
Далее рассказывают об устройстве и применении тензодат¬
чиков и показывают действующую модель, изготовленную сле¬
дующим образом.
В куске фанеры размером 400X150 мм и толщиной 8—10 мм
на расстоянии 50 мм от меньших сторон прямоугольника с про¬
межутком 10 мм вбиты два ряда мелких гвоздей. Между ними
уложена зигзагообразно проволока (рис. 2) такая же, как и в
предыдущем опыте. К концам проволоки присоединяют вывод¬
ные проводники, служащие для включения устройства в элект¬
рическую цепь. (Места соединения нужно обжать жестяными
полосками и прикрепить к доске.) Чтобы обеспечить плотное
прилегание проволоки к доске, всю уложенную «решетку» про¬
мазывают клеем БФ.
После высыхания клея по краям фанеры прибивают бру¬
сочки. Если теперь конструкцию перевернуть на другую .сторону,
то получится скамейка, на которую можно положить груз.
Полученную таким образом модель тензодатчика включают
в мостовую схему, применявшуюся в первом опыте. Сбалансиро¬
вав мост, ставят на «тензодатчик» гирю массой 10 кг и замеча¬
ют некоторое отклонение стрелки гальванометра.
В заключение желательно показать учащимся тензодатчик,
применяемый в технике.
Полезно, на наш взгляд, использовать и другой способ элект¬
рического метода измерения неэлектрических величин, предпо¬
лагающий применение различных самодельных датчиков в ка¬
честве. вспомогательных приборов.
Опишем два таких прибора.
1, Прибор по гидродинамике предназначен для демонстрации
связи между площадью поперечного сечения трубы, давлением
в ротоке и скоростью течения, причем последняя непосредствен¬
но измеряется.
Рис. 1
Рис. 2
90
Внешний вид прибора показан
на рисунке 3. Стеклянная трубка 1
длиной 350 мм, состоящая из двух
частей разного сечения (в нашем
случае диаметры сечений соответ¬
ственно 40 и 20 мм), укреплена на
подставке 2. В стенках широкой и
узкой частей трубки сделаны отвер¬
стия 3 диаметром 15 мм, в которые
вставляют пропущенные через ре¬
зиновые трубки термисторы КМТ-14,
служащие датчиками скорости потока. Диаметрально противопо*
ложно этим отверстиям в стенку большой трубки впаяны тонкие
трубочки 4 диаметром 4 мм и длиной 40—50 мм, предназначенные
для регистрации статического давления в потоке.
Принцип действия термисторного измерителя скорости пото¬
ка заключается в следующем. При прохождении тока через тер¬
мистор его рабочее,тело нагревается и сопротивление несколько
уменьшается. Если теперь поместить термистор в поток, то ко¬
личество теплоты, рассеиваемой его телом, увеличивается, в
результате чего он охлаждается, а сопротивление возрастает.
Сначала термистор, включенный в схему моста, погружают
в спокойную среду. Мост балансируют. Затем датчик помещают
в поток, балансировка моста нарушается, и гальванометр, вклю¬
ченный в измерительную диагональ, покажет некоторый ток.
Следовательно, по показаниям гальванометра можно судить о
скорости потока.
Выбор термистора КМТ-14 в качестве датчика обусловлен
главным образом двумя обстоятельствами: во-первых, он обла¬
дает незначительной тепловой инерцией, во-вторых, будучи по¬
груженным в поток, практически не искажает формы последнего.
Для того чтобы термистор реагировал на изменение скорости
потока, он должен работать в форсированном режиме, т. е. с пе¬
регрузкой тока в несколько десятков раз по сравнению с пас¬
портными данными. В описываемой демонстрации к измеритель¬
ному мосту подключают внешний источник питания напряжени¬
ем 15 В (выпрямитель ВУП-1). Необходимо помнить, что пере¬
грузки термистора в воздухе недопустимы. Напряжение питания
увеличивают только при погружении термистора в воду.
В описанном приборе предусмотрено одновременное исполь¬
зование двух одинаковых датчиков, помещенных в разных частях
трубки, что позволяет уменьшить время, необходимое для про¬
ведения опыта. Ввиду того что можно ограничиться качествен¬
ным уровнем демонстрации связи скорости потока, давления и
площади поперечного сечения трубы,'градуировать прибор необя¬
зательно.
Установка для проведения опыта изображена на рисунке 4.
Трубку 1 (см. рис. 3) с помещенными в нее датчиками укреп¬
ляют в держателях подставки 2 так, чтобы манометрические
94
трубки 4 расположились вертикально. Последние соединяют по¬
средством резиновых шлангов с двумя коленами жидкостного
манометра (на рис. 4 он не показан). Зажав сливной и маномет¬
рические шланги, наполняют систему водой. Включают напря¬
жение питания и балансируют мост. Сняв затем зажимы с ма¬
нометрических шлангов, показывают, что давление в обеих
частях трубки одинаковое; После этого ослабляют зажим на слив¬
ном шланге, открывают водопроводный кран и по показаниям
приборов отмечают, что в узкой части трубки давление меньше,
чем в широкой, а скорость больше.
2. Полупроводниковый болометр предназначен для исследо¬
вания распределения энергии в сплошном спектре.
В качестве чувствительного элемента в болометре применен
термистор типа ТП 6/2. Он представляет собой цилиндр из по¬
лупроводника длиной 10 мм и диаметром 0,2 мм, помещенный в
стеклянный баллон. Выводные проводники приварены к ножкам
цоколя, включаемого в радиоламповую панель. Для устройства
болометра используют два одинаковых датчика. Они включают¬
ся в соседние плечи измерительного моста (рис. 5). Один из
них (ТС{) служит приемником излучения, а другой (ТС2) ис¬
пользуется для компенсации температурного влияния окружаю¬
щей среды. Стеклянные баллоны спиливают и поверхность тер¬
мисторов для лучшего теплопоглощения покрывают копотью.
(С этой целью их нужно несколько раз пронести над сильно
коптящим пламенем.) Внешний вид датчика показан на ри¬
сунке 6.
Оба термистора вставляют ножками в ламповые панели, ук¬
репленные на вертикальном щитке. Последний крепят к основа-
92
Рис. 4
нию, представляющему собой пластинку текстолита толщиной
10 мм. Снизу в основание ввинчивают металлический стержень
диаметром 9 мм для закрепления датчика в подставке. Терми¬
сторы закрывают кожухом, в котором имеется вертикальная
щель шириной 4 мм, служащая для того, чтобы излучение по¬
падало только на один из датчиков.
В качестве измерительного прибора используют демонстраци¬
онный гальванометр с усилителем постоянного тока. Питание
моста осуществляется либо от плоской батарейки карманного
фонаря, либо от выпрямителя. Максимальное допустимое напря¬
жение питания 6 В.
Установка для демонстраций в основном не отличается от
описанной в методических руководствах. Измерительный мост
балансируется при затемненном датчике, а затем последний вно¬
сят в различные части спектра и по показаниям гальванометра
судят об энергии излучения.
Н. Ф. Хлыбов
(Марийская АССР, г. Йошкар-Ола)
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Схема опытной установки для измерения индукции магнит¬
ного поля приведена на рисунке 1, где 1 — электрОхМагнит, 2 —
рамка с током, 3 — трубка-рычаг, 4 — шкала, 5 — реостат на
30 Ом, 6 — батарея аккумуляторов на 5 В, 7 — демонстрацион¬
ный амперметр. Рамка 2 состоит из 40 витков медного провода
диаметром 0,3 мм. Она имеет форму квадрата со стороной 2 см
и расположена посередине трубки-рычага 3, изготовленного из
куска плотной бумаги размером 10X30 см. Концы обмотки вы-
93
Еедены так, что одновременно служат осью вращения трубки-ры¬
чага 3 и рамки 2 вокруг их общего центра тяжести. (Как сде¬
лать из концов провода обмотки ось вращения трубки-рычага,
показано на рис. 2.) Для получения оси вращения провод натя¬
гивают между двумя изолирующими стержнями. Трубку-рычаг
уравновешивают с помощью кусочков пластилина. В трубку-ры¬
чаг 3 вставлена легкая стрелка из бумаги. Она направлена по
нормали к рамке. Одновременно стрелка позволяет определить
по шкале положение трубки-рычага.
При пропускании тока через рамку момент сил, действую¬
щи^ на нее со стороны магнитного поля электромагнита, выво¬
дит трубку-рычаг из положения равновесия. Чтобы удержать
рамку в начальном положении, на трубку-рычаг кладут пере¬
грузок П массой 200 или 500 мг' (рис. 3). Перемещая последний
к концу трубки-рычага, добиваются ее равновесия, т. е. находят
такое положение перегрузка, при котором момент силы Р чи¬
сленно равен максимальному моменту сил, действующих на рам¬
ку с током, т. е.
F^OA+F-OB^P-OE.
Модуль вектора магнитной индукции В в том месте, где рас¬
положена рамка, можно рассчитать по формуле
в=
ISn
0)
где М0=Р-OEf 1 — сила тока, протекающего в рамке, п — число
витков, S — площадь.
Все входящие в эту формулу физические величины легко оп¬
ределить путем прямых измерений.
Описываемый вариант опытной установки позволяет показать
учащимся, что значение модуля В в данной точке пространства
не зависит от свойств рамки и силы тока в ней.
91
В одной из демонстраций
по измерению магнитной ин¬
дукции кольцеобразного элект¬
ромагнита в точке, находящей¬
ся на расстоянии около 2 см
от его центра, нами были по¬
лучены следующие результа¬
ты: 1= 1,0 А; я=40; S =
=4’ 10~4 м2; Р = 2-10_4*9,8 Н;
ОЕ= 12 -10—2 м. После подста¬
новки их в формулу (1) мо¬
дуль вектора магнитной ин¬
дукции Б«15*10_3 Тл.
При измерении магнитной
индукции поля постоянного ке¬
рамического магнита в точке,
которая находилась в воздухе
на расстоянии около 3 см от
одного1 из полюсов магнита, результаты оказались такими: /= 1,0 А;
п=40; S=4• 10~4 м2; Р=5-10“4-9,8 Н; 0£’ = 6*Ю~2 м. Модуль век¬
тора магнитной индукции В» 19-10~3 Тл.
Е. И. Бланк
(Молдавская ССР, г. Бельцы)
ДЕМОНСТРАЦИЯ НЕКОТОРЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ В ТЕХНИКЕ
В школьном курсе физики учащиеся знакомятся с основными
свойствами ферромагнетиков и с их использованием* в электро¬
магнитах, трансформаторах и электрических машинах.
На факультативных занятиях, кружках можно показать дру¬
гие применения ферромагнетиков, позволяющие глубже раскрыть
физическую сущность процессов, происходящих в катушках со
стальными сердечниками.
Во всех экспериментах используют стандартное оборудование
школьного физического кабинета.
Опыт 1. Катушку (на 120 В), надетую на замкнутый сердеч¬
ник школьного разборного трансформатора, соединяют последо¬
вательно с батареей конденсаторов емкостью 32 мкФ, с ампер¬
метром (3 А) и подключают к регулятору напряжения РНШ.
Постепенно повышая напряжение £/, замечают, что сила тока /
в цепи сначала растет медленно (увеличиваясь почти пропор¬
ционально U), а затем (при напряжении около 90 В) делает
резкий скачок вверх от 1,2 до 3 А.
Объясняют: при слабых токах индуктивное сопротивление ка-
т
тушки Хь было велико (гораздо больше постоянного емкостно¬
го сопротивления Хс). Когда же -в результате насыщения стали
индуктивное сопротивление катушки, уменьшаясь, стало равным
емкостному сопротивлению батареи конденсаторов/' с
\ со С)
полное сопротивление цепи г резко уменьшилось, наступил ре¬
зонанс. Сила тока при этом выросла скачком до значения /= —
R
(где R — активное сопротивление цепи). Если и дальше увели¬
чивать силу' тока, напряжение на катушке UL при изменении
напряжения на выходе в пределах 90—250 В останется почти по¬
стоянным (210—230 В), поскольку увеличение силы тока ком¬
пенсируется соответствующим уменьшением индуктивного со¬
противления (UL=IXL — const). На этом принципе основана ра¬
бота феррорезрнанскых стабилизаторов напряжения, исполь¬
зующихся, например, в быту.
Подсоединив параллельно катушке маломощную осветитель¬
ную лампу (220 В, 25 Вт), демонстрируют постоянство ее на¬
кала при изменении входного напряжения в широких пре¬
делах.
Опыт 2. На сердечники двух школьных трансформаторов
надевают по две одинаковые катушки с обмотками 120 и 220 В.
Две катушки от разных трансформаторов соединяют между со¬
бой последовательно обмотками на 12(У В и подают на них пере¬
менное напряжение (например, от РНШ). Тогда в другой паре
катушек возникает ЭДС индукции. Однако если эту другую па¬
ру катушек соединить между собой последовательно (встречно),
то результирующая ЭДС окажется равной нулю (две равные, но
противофазные синусоидальные ЭДС).
Для демонстрации опыта собирают установку, общий вид ко-
Рис. 1
96
Рис. 2
торой показан на рисунке 1. В цепь первых двух катушек вклю¬
чают нагрузку — осветительные лампы напряжением 220 В об¬
щей мощностью 300 Вт и подают напряжение « 250 В, при ко¬
тором нити лампы едва накаляются (/^0,4 А). К зажимам
двух других (управляющих) катушек (обмотки на 220 В) от
выпрямителя, например, ВС-24М подается напряжение, посте¬
пенно увеличиваемое до ~25 В. При этом накал ламп быстро
растет. Мощность в цепи нагрузки меняется примерно от 30
до 300 Вт, в то время как в цепи управления она не превышает
25 Вт.
Увеличение тока в управляющих катушках уменьшает индук¬
тивное сопротивление двух других и сопровождается ростом
силы тока в цепи нагрузки при одном и том же напряжений сети.
Такое управление сильными токами удобно и экономично. Если
в цепь управления поступают медленно изменяющиеся сигналы от
какого-либо датчика или программного устройства, мощность в
цепи нагрузки изменяется по такому же закону, но значительно
сильнее. Это явление используют в тех случаях, когда требуется
плавная регулировка действия установок крупных электропечей,
осветительных устройств.
Опыт 3. Установка для демонстрации опыта показана на ри¬
сунке 2. Повернув П-образный сердечник школьного разборного
трансформатора «ножками» вниз (без перемычки) и надев на од¬
ну «ножку» катушку (на 220 В), подключенную гибкими прово¬
дами к выпрямителю, повышают напряжение, следя за показа¬
нием амперметра. При силе тока ~2 А катушка приподнимается
со стола, повисая в воздухе. При этом подъемная электромаг¬
нитная сила F, действующая на катушку, равна ее весу Р. От¬
тянув рукой катушку вниз, отмечают, что подъемная сила при
этом растет, хотя сила тока в катушке остается прежней. При
увеличении напряжения катушка поднимается немного выше,
сила тока увеличивается.
Затем подключив установку через амперметр (ЗА) к регуля¬
тору переменного напряжения (РШН, ЛАТР), повышают нап-
7 Заказ № 3657
97
Рис. 3
ряжение и снова добиваются повисания катушки. Это наблюда¬
ется при силе тока 2,2—2,5 А. Однако дальнейшее увеличение
напряжения почти не меняет силу тока, лишь катушка припод¬
нимается на большую высоту. Нетрудно найти диапазон напря¬
жения (140—250 В), в пределах которого сила тока остается пос¬
тоянной.
Рассмотренная установка представляет собой одно из прос¬
тейших электромагнитных автоматических устройств, которое
может быть названо индуктивным стабилизатором переменного
тока. Любое увеличение тока Ёедет к немедленному росту подъ¬
емной силы, а следовательно, к смещению катушки вверх. Под¬
нятие катушки увеличивает ее индуктивность, растет индуктив¬
ное сопротивление XL, сила тока уменьшается практически до
прежнего значения. Катушка совершает несколько колебаний
перед тем, как установится в положении, где снова F—P. По
сравнению с прежним это положение будет где-то выше в таком
месте, для которого выполняется условие:
U2 V, г ,
—- = — =/=const.
г2 Т1
(Здесь г2 и Г\ — конечное и начальное полное сопротивление цепи,
a U2 и U1 — соответствующие значения напряжений.)
Описанный выше простейший стабилизатор тока обладает
заметной инерционностью (т. е. не успевает реагировать на быст¬
рое изменение напряжения), качество стабилизации невысокое
из-за наличия трения между катушкой и сердечником. Можно
продемонстрировать эффект стабилизации тока, оставляя напря¬
жение постоянным, изменяя сопротивление реостата (30 Ом,
5 А), включенного в цепь последовательно (рис. 3).
Включив в _ цепь осветительную нагрузку, например парал¬
лельно соединенные 4 лампы на 220 В, 200 Вт, показывают, что
при изменении напряжения в известных пределах (когда катуш¬
ка «парит») накал ламп почти не изменяется, т. е. установка ра¬
ботает и как стабилизатор напряжения (но только для выбран¬
ной постоянной нагрузки).
98
Г. И. Жерехов
(Башкирская АССР, г. Уфа)
ДЕМОНСТРАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
И РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ
Ламповый вольтметр. Простейший ламповый вольтметр соби¬
рают на вертикальной панели по мостовой схеме (рис. 1). При
этом используют постоянные резисторы Rx и R2 сопротивлени¬
ем 12 кОм, переменный резистор (реостат) /?з (максимальное
значение его сопротивления 21 кОм) и вакуумный триод 6Н7С,
Источник питания анодной цепи триода (250 В от выпрямителя
ВУП) присоединяют к одной из диагоналей моста, а демонстра¬
ционный гальванометр — к другой. Сопротивление утечки в цепи
сетки лампы R4—0,5 МОм. Ползунок реостата /?з устанавливают
в такое положение, чтобы ток через гальванометр не шел. Если
теперь к сетке и катоду лампы присоединить батарею напряже¬
нием 4,5 В, то внутреннее сопротивление лампы изменится, рав¬
новесие моста нарушится и стрелка гальванометра отклонится.
Присоединив такую же батарею последовательно с первой, наб¬
людают увеличение отклонения стрелки. Таким образом, по от¬
клонению стрелки гальванометра можно судить о напряжении
батареи. Полезно продемонстрировать тот факт, что показания
полученного лампового вольтметра не зависят от напряжения
ВУП, питающего мостовую систему.
Учащимся можно сообщить, что ламповые (электронные)
вольтметры обладают большим входным сопротивлением, бла¬
годаря чему они не уменьшают напряжение на том участке це¬
пи, параллельно которому подключаются.
Бесконтактное реле. Его можно собрать по одной из схем,
изображенных на рисунке 2, используя тиристор типа КУ203
(рис. 2,а) или транзистор средней мощности типа П201 (рис. 2,6).
В качестве лампы Лх применяют маломощную (1 Вт) лампочку
от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение не более
7*
2,5 В. Лампа Л2 (мощностью
~50 Вт) рассчитана на на¬
пряжение 12 В (питается от
трансформатора). Такое реле
позволяет включать приборы
большой мощности при помо¬
щи слабых токов. Работает
оно так.
При замыкании ключа К
(см. рис. 2, а), подается по¬
ложительный потенциал от ба¬
тареи карманного фонаря на управляющий электрод (УЭ) тири¬
стора, в результате чего загорается мощная лампа Л2 в цепи пе¬
ременного тока. При этом лампа Л\ горит неярко, это доказывает,
что через нее идет слабый ток. Чтобы убедиться, что лампа Л2
горит не от батареи карманного фонаря, надо выключить транс¬
форматор.
Аналогично работает и реле, собранное по схеме рисунка 2,6.
Следящая система с фотореле. На подъемный столик 1 (рис. 3)
устанавливают фотореле 2 (производства Главучтехпрома). На
фотосопротивление реле предварительно для устранения пос¬
тороннего света надевают картонную трубку, перед которой по¬
мещают электрическую лампу 3. На левые зажимы фотореле
подают напряжение из сети, а к правым через размыкающий кон¬
такт присоединяют гибкими проводами синхронный электродви¬
гатель 4, укрепленный на ножке подъемного столика 1.
В опыте используют синхронный электродвигатель типа СД
(моторчик Уоррена), содержащий зубчатую передачу, замедля¬
ющую вращение. На вал электродвигателя надевают резиновую
пробку 5 для фрикционной передачи вращения от электродвига¬
теля поворотному диску подъемного столика.
После включения фотореле в сеть электродвигатель работать
не должен, так как фотосопротивление освещено. Но если элек¬
трическую лампу 3 сдвинуть в
сторону, то фотосопротивление
оказывается затемненным, ток
через _ электромагнитное реле
прекращается и его якорь
включает синхронный электро¬
двигатель. Последний через
фрикционную передачу 5 по¬
ворачивает столик вслед за
лампой. (Предварительно на¬
до определить направление
вращения столика и переме¬
щать лампу 3 в этом направ¬
лении.)
Условия самовозбуждения
лампового генератора. Лампо¬
100
вый генератор на лампе 6Н7С
с последовательным питанием
анодной цепи по трехточёчной
схеме составляют из отдель¬
ных деталей. Принципиальная
схема генератора дана на ри¬
сунке 4.
Колебательный контур со¬
стоит из катушки Ly на" 220 В
универсального трансформато¬
ра. Среднюю точку этой ка¬
тушки соединяют с катодом лампы 6Н/С. Параллельно катуш¬
ке Li включают две батареи конденсаторов С{ и С2 общей ем¬
костью 120 мФ. Вторичную катушку трансформатора Ь2 соединя¬
ют с демонстрационным гальванометром магнитоэлектрической
системы (внутреннее сопротивление обмотки рамки 2,3 Ом). .
В начале опыта включают обе батареи конденсаторов. Гене¬
ратор при этом не возбуждается, поскольку емкость оказывается
слишком большой. При очень большой емкости концы катушки
оказываются как бы, замкнутыми накоротко. Эквивалентное соп¬
ротивление колебательного контура падает. Учащимся известно,
что наибольшая мощность на нагрузочном сопротивлении выде¬
ляется тогда, когда сопротивление генератора равно сопротивле¬
нию нагрузки. В данном случае этого нет и генератор не воз¬
буждается. Но если одну из конденсаторных батарей отключить
с помощью ключа Ку то колебания немедленно возникают (это
видно по движению стрелки гальванометра). После того как
колебанйя возникли, емкость контура можно увеличить.
«Взрыв мин» по радио. Включение электродвигателя по радио.
Для демонстрации применяют генератор СВЧ с клистроном
К-19 на длину волн 3 см с рупорной антенной. Неподалеку от
последней напротив нее помещают рупорную антенну 1 прием¬
ника с кристаллическим диодом 2 (рис. 5). (Такой приемник вы¬
пускается Главучтехпромом в комплекте с указанным генерато-
2505
101
ром.) Экранированные провода 3, отходящие от приемника, при¬
соединяют к входу усилителя 4 (от киноаппарата «Украина»)
вместо электродинамического микрофона. Выход усилителя (гнез¬
да громкоговорителя) через кристаллический диод соединяют
с обмоткой электромагнитного реле 5 типа РС4. Замыкающие
контакты реле вводят последовательно в цепь аккумулятора 6
и небольшой нихромовой спирали 7. Внутрь последней кладут
спички 8.
После включения генератора СВЧ, находящегося на «переда¬
ющей станции», на выходе усилителя «приемной станции» появ¬
ляется напряжение (~8 В) звуковой частоты. Электромагнит¬
ное реле 5 замыкает цепь аккумулятора, спираль раскаляется, и
загораются спички, имитируя взрыв мины. Вместо спирали 7
можно к контактам реле присоединить микродвигатель 9 и по¬
казать принцип включения электродвигателя по радио.
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
А. И. Базалийскнй
(УССР, г. Полонное Хмельницкой обл.)
ВОЛНОВАЯ МАШИНА
Предлагаемая волновая машина служит для воспроизведения
(имитации волновых процессов. Главные ее части: колебатель¬
ные элементы с шариками (шарики имитируют колебательные
частицы) и механизмы для сообщения элементам колебательных
движений.
На приборе можно показывать поперечные (рис, 1 , а) и про¬
дольные (рис, 1,6) волны, волны различной амплитуды и дли¬
ны, стоячие, затухающие волны и др. Он обеспечивает хорошую
наглядность, надежен и удобен в работе, имеет небольшой вее
(около 2,5 кг), прост в изготовлении.
На рисунке 2 изображено устройство прибора (вверху — вид
со стороны образования поперечных волн, внизу — со стороны
продольных; см. также выноски а—а на с. 106).
Прибор представляет собой деревянный каркас, на котором
крепят экраны 1 и 2, щитки 3 и 4, металлические или деревян¬
ные планки 5 с направляющими отверстиями (расстояния меж¬
ду отверстиями 2,5 см, расстояния крайних отверстий от кон¬
цов планки 5,5 см), брусок 6 с вырезами, две планки 7 с не¬
большим зазором между ними, рычаг 8, щель 9, втулка 10.
В корпус прибора вставлена система проволочных элементов //,
выполненных в виде П-образных скоб с шариками 12 (размер
данного прибора рассчитан на 15 скоб с шариками), столько же
элементов 13, имеющих вид маятников, спираль 14 (см.
рис. 2, в) для сообщения элементам колебательного движения.
Отверстия в планках, через которые проходят верхние части ско¬
бы, смещены друг относительно друга по горизонтали на 2 см,
а по вертикали на 4 см. (Подробное устройство элемента 11 по¬
казано на рис. 2, а.) На одной стороне скобы находится ша¬
рик, зажатый с обеих сторон резиновыми муфтами 1§ из нипель-
ной трубки, а на другом — кулиса 19, отогнутая перпендикуляр¬
но плоскости скобы (кулиса расположена по отношению к скобе
под углом 18°). Для изготовления кулисы металлические скобы
припаивают к колебательным элементам.
При вращении спирали 14 каждый элемент 11 осуществляет
колебания в вертикальной плоскости. При этом шарики 12 соз¬
дают впечатление поперечной волны. На противоположной сто¬
роне прибора возникают продольные волны. Впечатление про-
юз
дольной волны получается
в результате колебаний ма¬
ятников 13. Во время дви¬
жения элемента 11 вверх
(под действием спирали 14)
кулиса 19 поворачивает ма¬
ятник 13 в одну сторону,
при движении элемента
вниз (происходит под дей¬
ствием силы тяжести) — в
другую. Таким образом, ка¬
ждый шарик 18 маятника
осуществляет колебания в
направлении распростране¬
ния волны. Ось 16 враще¬
ния маятника закреплена с
ним жестко и вращается в
отверстиях планок 7- ‘
Экран 2 выполнен из
двух кусков фанеры, встав¬
ленных в пазы 17 (послед¬
ние сделаны в корпусе при¬
бора на таком расстоянии
от его края, чтобы шарики 18 не выступали за корпус прибора).
Меняя элементы механизма привода, можно воспроизводить
различные виды волн.
При помощи спиралей 20—22 (рис. 2, г) демонстрируют бе¬
гущие волны различной длины и разной амплитуды, спиралью
23 — затухающие волны, синусоидальной спиралью 24 — стоячие^.
(Чтобы сделать замену спиралей, прибор кладут на стол той
стороной, на которой имитируются продольные волны.) Для де¬
монстрации последовательных стадий образования волны спи¬
раль 24 наращивают стержнем 25 при помощи муфты и просо¬
вывают через щель 9 корпуса. При вращении синусоиды 24 на
экране получают картину наложения волн.
Экраны 1 и 2, а также проволочные колебательные элемен¬
ты окрашивают в черный цвет, а шарики — в белый. Одна сторо¬
на шариков 12 имеет красный цвет. Это позволяет обратить
внимание учащихся на отдельные колеблющиеся частицы. Если
нужно выделить отдельные частицы продольной волны, к соот¬
ветствующим шарикам булавкой прикалывают картонные кру¬
жочки, выкрашенные, например, в красный цвет. Предваритель¬
но в шариках высверливают тоненькие отверстия.
Прибор собирают в такой последовательности.
Сначала делают деревянный каркас. Для этого используют
одинаковые доски толщиной 16—18 мм, в них вырезают отвер¬
стия, положения и размеры которых показаны на рисунке 3, а
(паз шириной 5 мм и глубиной 6—7 мм). Затем изготовляют
брусок 6 (см. рис. 2) и планки 5 и 7. В бруске 6 размером
Рис. 1
104
2,5X7X46 см тонкой пилкой (для металла) делают направляю¬
щие вырезы глубиной 12 мм; расстояние между ними 25 мм.
Планки 5 имеют размер 1,3X2X46 см. Диаметр отверстий в
них должен быть немного больше толщины проволоки, из кото¬
рой выполнены скобы 11. Размеры щитков 4 и экрана 2 показа-
105
Рис. 2
ш на рисунке 3, б. Экран состоит из двух частей, каждая из ко¬
торых склеена с планкой, к последней крепят щитки 4.
Маятники 13 и скобы 11 изготовляют из проволоки 03 мм.
Для маятника 13 отрезают кусок длиной 14 см. (рис. 3,е), на
одном конце крепят шарик 18, а другой слегка расплющивают
и в нем сверлят отверстие диаметром 1,5—2 мм для тонкой
стальной проволоки, служащей осью вращения маятника. В план¬
ках 7 размером 1X2,5X46 см каждая делают отверстия диамет¬
ром, немного большим толщины оси маятника (расстояния между
отверстиями 25 мм). Планки соединяют так, как показано на
рисунке 3,а. Расстояние между ними немного больше 3 мм.
Шарики диаметром 14—16 мм (диаметры шариков, имити¬
рующих поперечные колебания частиц, 16 мм, продольные —
ж
г
е
Рис. 3
QQ2
14 мм) вытачивают из дерева твердой породы на станке (как
показано на рис. 3, ж), а затем разрезают, и обрабатывают на¬
пильником.
Спирали 20—22 изготовляют так: стальную проволоку тол¬
щиной 5 мм наматывают на металлическую трубу соответст¬
вующего диаметра, после снятия с трубы торцы спирали заделы¬
вают жестью (сначала из кровельной оцинкованной жести выре¬
зают треугольники, приблизительно находят их центры, кернуют,
циркулем проводят окружности диаметром, равным диаметру
спирали, высверливают отверстия, а затем вершины треугольни¬
ков огибают вокруг торцов спирали). Для изготовления скоб
(рис. 2, выноски а и б) делают шаблон.
Все детали к прибору легко могут быть выполнены учащи¬
мися в школьных мастерских. Сборку и наладку прибора прово¬
дят под непосредственным руководством учителей физики и про¬
изводственного обучения.
Если планки выполнить из стали, а направляющие отверстия
смазать машинным маслом, то прибор будет работать тихо и
легко, увеличится срок его службы.
А. Ф. Шибаев
(г. Москва)
ПРОСТОЙ ШКОЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ
В школьной практике нашел широкое применение усилитель
низкой частоты на лампах, выпускаемый промышленностью. Од¬
нако в настоящее время эксплуатационный усилитель низкой ча¬
стоты для демонстрационных опытов целесообразнее иметь на
полупроводниковых приборах. Такие усилители имеют более вы¬
сокую надежность работы* значительно меньший вес и габари¬
ты, низкое напряжение питания, простоту конструкции.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема такого
усилителя. Усилитель имеет три входа: 1) низкоомный высоко¬
чувствительный для включения динамического микрофона,
2) для подключения звукоснимателя и 3) высокоомный для под¬
ключения трансляционной линии.
Плавную регулировку громкости осуществляют с помощью
потенциометра R3 (1,5 кОм), движок которого через переходный
конденсатор С\ (10,0X15 В) соединен с входом первого каскада
на транзисторе При вращении движка изменяется напряже¬
ние сигнала, поступающего на вход этого каскада. Первый,
входной каскад выполнен на малошумящем транзисторе Т{ ти¬
па МП39Б с общим эмиттером. Эта схема обладает достаточной
температурной стабильностью.
Второй каскад усилителя собран по схеме эмиттерного пов¬
торителя на транзисторе Т2 типа МП40А.
108
Предпоследний каскад собран также на транзисторе Тг типа
МП40А. Коллекторной нагрузкой служит первичная обмотка
трансформатора Три а концы его вторичной обмотки сое¬
динены с базами транзисторов Г4 и Г5 (МП213Б) двухтактного
усилителя мощности. Усиленный транзисторами Г4 и Г5 низко¬
частотный сигнал через выходной трансформатор Тр2 подается
к выходным гнездам громкоговорителя. Нагрузкой служит ди¬
намический громкоговоритель из демонстрационного радиотехни¬
ческого набора.
Для получения возможно меньшего коэффициента нелиней¬
ных искажений схема усилителя охвачена отрицательной обрат¬
ной связью. Напряжение отрицательной обратной связи, снимае¬
мое со вторичной обмотки выходного трансформатора, через
резистор Ru (20 кОм) подается на базу транзистора 7Y Транзи¬
сторы Г4 и Г5 получают напряжение смещения от транзисто¬
ра Г3. Таким образом, при повышении температуры режим по¬
следних жестко стабилизируется без термистора.
Напряжение питания 12 В подается от стабилизатора, соб¬
ранного на транзисторе Гб (МП213Б), и диода Дх типа Д813,
питающегося от сети через выпрямитель на диодах Д2—Дб
(Д226). Схема стабилизатора стандартная и не нуждается в по¬
яснениях. Силовой трансформатор Гр3 обеспечивает необходи¬
мое понижение напряжения сети с 220 до 12 В.
Для изготовления усилителя низкой частоты используют глав¬
ным образом готовые узлы и детали. Исключение составляют до¬
полнительные теплоотводы и монтажная плата.
Транзистор Тх (МП39Б) может быть заменен транзисторами
типа МП40—МП42, однако обязательно отобранными по мини¬
муму уровня внутренних шумов. Транзисторы Т2 и Г3 могут быть
типа МП40—МП42 или МП25, МП26 с любым буквенным ин¬
дексом.
Транзисторы Г4—Т6 могут быть типа МП213 или МП214 с раз¬
личными буквенными индексами. Абсолютные значения коэффи¬
циентов усиления по току у транзисторов Г4 и особой роли не
играют, лишь бы они были не менее 20 и возможно более
близкими как при малых, так и при больших токах коллек¬
торов.
В выпрямителе могут быть использованы диоды Д226Б—
Д226Е, а также Д7В—Д7Д.
Переменный резистор /?3 (регулятор громкости) типа СП-1
сопротивлением 1Д> кОм. Постоянные резисторы типа УЛМ-0,25
или МЛ Т-0,5. В схеме используют только электролитические кон¬
денсаторы типа КЭ-2, КЭ-2М или K5G-3 на рабочее напряжение
15—25 В.
Переходный и выходной трансформаторы готовые (выпуска¬
ются промышленностью). В качестве силового трансформатора
используют накальный трансформатор промышленного изготов¬
ления. Имеющиеся в нем две понижающие обмотки на 6,3 В
включают последовательно и синфазно (так, чтобы при измере¬
но
нии напряжения на соединенных
обмотках вольтметр показывал
12,6 В).
В качестве теплоотводов мо¬
гут быть применены квадратные
пластины из латуни, дюралюми¬
ния или стали толщиной 2—4 мм,
размером 80X80 мм. Очень важ¬
но обеспечить плотный и рав¬
номерный тепловой контакт меж¬
ду соприкасающимися поверхно¬
стями транзистора и теплоотво¬
да.
Схему усилителя монтируют на плате из текстолита или ге-
тинакса толщиной 2—3 мм. Корпус усилителя может быть про¬
извольной конструкции. Один из вариантов такого усилителя
представлен на рисунке 2.
На передней стенке усилителя находятся входные гнезда и
регулятор громкости, на боковой — гнезда для подключения ис¬
точника питания 12 В с обозначением (+) и (—). Эти же гнез¬
да являются источником постоянного напряжения 12 В при пи¬
тании усилителя от сети 220 В. Шнур для включения в сеть вы¬
веден на заднюю стенку прибора. Здесь же расположены и
выходные гнезда для подключения громкоговорителя.
Описанный усилитель позволяет использовать его для низко¬
частотных сигналов: от микрофона (в этом случае его чувстви¬
тельность на частоте 1000 Гц при номинальной выходной мощ¬
ности 1 Вт порядка 10 мВ), от звукоснимателя (с чувствитель¬
ностью ~150 мВ), от линии Трансляционной сети (с чувстви¬
тельностью ~ 10 В). Полоса пропускания усилителя при нели¬
нейности частотной характеристики ±5 дБ от 100 до 12000 Гц.
Потребляемый ток при питании от батареи при номинальной
выходной мощности не более 15 мА.
G. А. Хорошавин
(г. Белгород)
ДВЕ ДЕМОНСТРАЦИИ С ГЕНЕРАТОРОМ
САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН
Демонстрации управления моделью автомобиля по радио и
радиотелефонной передачи можно поставить без использования
генератора УВЧ, а применяя генератор сантиметровых электро¬
магнитных волн. Осуществляют демонстрации следующим об¬
разом.
Радиоуправление. К основанию круглого подъемного столика
(рис. 1) деталями от универсального штатива крепят электро¬
двигатель ДСД60-П1 (моторчик Уоррена), на ось которого
ш
насажена тонкая резиновая трубка
(кусочек велосипедного ниппеля).
Электродвигатель помещают так,
чтобы осью он прижимался к боко¬
вой поверхности столика. Винт, за¬
крепляющий стержень столика, от¬
пускают. Если включить электродви¬
гатель, столик легко вращается. На
столик устанавливают приемник сан¬
тиметровых волн с рупорной антен¬
ной, который через усилитель низкой
частоты соединен с обмоткой поляри¬
зованного реле (рис. 2,а). Нормаль¬
но замкнутые контакты реле управля¬
ют работой электродвигателя. При
включении последнего "столик'с прием¬
ником поворачивается. Это происходит
до тех пор, пока сигнал от генерато¬
ра сантиметровых волн (рис. 2, б) не
попадет в рупорную антенну прием¬
ника. Поступивший сигнал вызовет срабатывание электромагнит¬
ного реле, которое отключит электродвигатель от источ¬
ника питания. В этот момент антенна приемника будет
направлена точно на генератор электромагнитных воли. Если
сместить генератор в сторону, то вновь включится электродвига¬
тель. Таким образом, антенна приемника будет «следить» за пе¬
ремещением источника электромагнитных волн, все время рас¬
полагаясь так, чтобы уровень принимаемого сигнала был мак¬
симальным. Подобным образом антенны приемных станций
системы «Орбита» следят за Спутниками, ведущими ретрансляцию
телевизионных программ, антенны дальней космической связи
настраиваются на прием сигналов с космических кораблей и
межпланетных станций.
Чтобы демонстрация протекала успешно, при подготовке к ней
следует обратить внимание на следующее.
1. Необходимо предварительно подобрать оптимальный вари¬
ант крепления двигателя: излишне сильный прижим его оси к
столику перегрузит двигатель, при слабом прижиме ось будет
проскальзывать, а столик поворачиваться рывками.
2. В этом опыте используют поляризованное «радиореле» по¬
следнего выпуска. Оно отличается от ранее выпускаемых реле
тем, что на панель выведены зажимы от всех его контактов.
(В прежних «радиореле» на панели устанавливались только два
зажима, соединявшиеся с так называемыми нормально открыты¬
ми контактами, которые замыкают цепь при прохождении тока
по обмотке реле.) На панели установлены четыре зажима, одна
пара их обозначается НЗ (нормально закрытые контакты), дру¬
гая— НО (нормально открытые контакты).
Рис. 1
i 12
CM
8 Заказ № 3657
Рис.
o'
и
В описанной выше демон¬
страции используют нормаль¬
но закрытые контакты. Элек¬
тродвигатель включают в сеть
переменного тока последова¬
тельно с зажимами НЗ. По¬
этому он работает, пока тока
в обмотке реле нет. Послед¬
няя соединена с контактными
пластинами, предназначенны¬
ми для установки диполя.
Чтобы удобно было включить
обмотку реле в управляющую
цепь, надо на панели разме¬
стить еще два зажима. Про¬
ще всего это сделать, исполь¬
зуя заклепки, которыми кон¬
тактные пластины прикреплены к панели. Для этого удаляют по
одной заклепке из левой и правой контактных пластин, на их ме¬
сто устанавливают зажимы. Соединенные с обмоткой реле, они
пригодятся при постановке многих других опытов.
3. Обмотку поляризованного «радиореле» надо включить
на выход усилителя низкой частоты к гнездам, обозначенным Л.
Диод, шунтирующий обмотку поляризованного реле, должен
быть вставлен в свои гнезда.
4. Во время предварительной подготовки опыта целесообраз¬
но одновременно с обмоткой реле на выход .усилителя включить
громкоговоритель (гнезда Гр). Установив на подъемных столи¬
ках передатчик, и приемник, проверяют их работу (электродви¬
гатель должен быть отключен от сети). Если в громкоговорителе
будет слышен достаточно громкий и чистый сигнал, то можно
приступать к демонстрации радиоуправления. Если сигнал бу¬
дет хриплым или начнет прослушиваться фон, создаваемый пе¬
ременным током, надо перевернуть вилку приемника в гнездах
усилителя.
Точность наводки антенны приемника на генератор удобно
корректировать ручкой «регулятор громкости» усилителя. При
большом уровне сигнала антенну приемника устанавливают под
углом к направлению на передатчик. Уменьшением усиления сиг¬
нала можно добиться точной ориентации антенны приемника на
передатчик.
Включенный громкоговоритель позволяет учащимся заметить,
что электродвигатель, поворачивающий антенну приемника,
включается в момент достижения наибольшей громкости при¬
нимаемого сигнала.
Радиотелефонная передача. Генератор сантиметровых элект¬
ромагнитных волн имеет встроенный модулятор. Сигнал низкой
частоты с модулятора подается через конденсатор на отража¬
тель клистрона. Таким образом, во всех демонстрациях с гене-
114
ратором сантиметровых волн ведется передача и прием модули¬
рованных электромагнитных колебаний. Но нередко учащиеся
отождествляют частоту слышимого в громкоговорителе звука вы¬
сокого тона с несущей частотой передатчика.
Демонстрация радиотелефонной передачи может стать более
выразительной, если в схему передатчика внести некоторые из¬
менения. (Они выделены на рис. 3 жирной линией.) На корпусе
генератора устанавливают переключатель на два положения —
«модулятор внешний», «модулятор внутренний» (рис. 4) и гнез¬
да для включения внешнего модулятора (рис. 5).
Когда переключатель П (см. рис. 3) соединяет переходный
конденсатор с внутренним модулятором, все демонстрации с ге¬
нератором сантиметровых электромагнитных волн проходят, как
обычно. Для демонстрации радиотелефонной передачи переклю¬
чатель П ставят в положение «внешний модулятор». ( В каче¬
стве последнего используют трехваттный усилитель низкой ча¬
стоты.) Дополнительные гнезда Гн генератора соединяют с вы¬
ходом усилителя (гнездами - Л).
. На вход модулятора может быть включен микрофон или зву¬
косниматель проигрывателя. Приемник подключают, как обыч-
8*
115
но, т. е. сигнал от него усиливается и подается на громкогово¬
ритель (рис. 6).
При подготовке демонстрации необходимо потенциометром
установить такое напряжение клистрона, при котором прини¬
маемый сигнал будет громким и неискаженным. (Ось потенцио¬
метра у генератора снабжена шлицем для регулировки отверткой.
Удобнее на эту ось надеть ручку.)
116
В. Н. Воробьев, Г. В. Оглоблин
(г. Москва)
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР САНТИМЕТРОВЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА ДИОДЕ ГАННА
В настоящее время широкое применение в радиотехнике в
качестве генераторов находят твердотельные полупроводниковые
приборы. Представляется перспективным использование такого
рода приборов при постановке школьного демонстрационного
эксперимента. Используемый в школьной практике генератор
сантиметровых электромагнитных волн на клистроне К-19 имеет
существенный недостаток — сравнительно высокое анодное на¬
пряжение.
Нами предлагается демонстрационный генератор на диоде
Ганна. В отличие от клистронного генератора он имеет низко¬
вольтное. питание, компактен, может работать от батарейного ц
сетевого питания, от звукового генератора типа ЗГШ-63 или
ГЗ-ЗЗ через диод Д7Б.
Сущность эффекта Ганна такова: при определенных услови¬
ях в тонком (0,001—0,01 см) слое арсенида галлия, находящем¬
ся под напряжением в несколько вольт, у катода зарождается
область сильного электрического поля, диффундирующая к ано¬
ду со скоростью ~107,см/с и там исчезающая. В результате пе¬
риодического появления таких областей возникают импульсы то¬
ка с частотой ~10 ГГц. Поместив полупроводниковый диод в
резонатор, настроенный на эту частоту, можно получить в нем
интенсивные вынужденные колебания. Через согласующий рупор
они могут излучаться во внешнее пространство.
Предлагаемое нами устройство демонстрационного генерато¬
ра таково (рис. 1): в волноводную секцию 1 размером 23ХЮ мм
крепят диод А703. Катод диода 2 соединен непосредственно с
волноводом. Для увеличения теплоотдачи к волноводу припаива¬
ют -радиатор 3 (бронзовую втулку). Анод диода изолирован от
волновода тефлоновой втулкой 4 и через составной шток 5 вы¬
водится на клемму питания 6, Тефлоновая втулка „вместе со што¬
ком и диодом поджимается накидной гайкой 7. Подстройку ге¬
нератора производят перемещением поршня 8, который после
этого закрепляется.
Рис. I
Рис. 2
117
Схема питания генератора от двух батарей КБС представле¬
на на рисунке 2. Батареи можно заменить питанием от сети, ис¬
пользуя подзаряжающее устройство ПУ-1 (его выпускают для
подзарядки аккумуляторов и питания транзисторных приемни¬
ков). Кроме этого, возможен любой источник питания постоян¬
ного тока, позволяющий получить 8—9 В при силе тока 400 мА.
Как видно на рисунке 2, питание диода осуществляется через
несимметричный мультивибратор. Последний собран на двух
транзисторах Тх (МП11) и Т2 (П217) с разной проводимостью,
что позволяет использовать минимум деталей в схеме. Частоту
следования модулирующих импульсов (900—1300 Гц) регули¬
руют переменным резистором R2 (470 кОм). Малая длитель¬
ность импульсов создает нормальный тепловой режим работы
диода. Следует отметить возможность питания диода от ЗГШ-бЗ
(при отключенном мультивибраторе) через диод Д (Д7Б) от
клеммы 5 Ом. При этом выходное напряжение звукового гене¬
ратора ие должно превышать 8 В. Тогда диапазон модуляции ле¬
жит в пределах 20—200 000 Гц.
Для создания направленного излучения к генераторной сек¬
ции крепят пирамидальный или квадратный рупор. Приемник
излучения электромагнитных волн берут из набора по электро¬
магнитным колебаниям, выпускаемого промышленностью.
.Генератор на диоде Ганна можно сделать на базе СВЧ-при-
емника из школьного СВЧ-набора, заменив имеющийся в прием¬
нике детекторный диод диодом Ганна. Питание генератора про¬
изводится по указанным выше схемам.
П. И. Король
(Краснодарский край, г. Белореченск)
Д ЕМОНСТРАЦИ ОНИ ЫЙ Л О КАЮР
НА БАЗЕ ШКОЛЬНОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Схема, конструкция и основные технические параметры сигна¬
лов предлагаемого демонстрационного эхолокатора выбраны с
учетом его назначения — обеспечить демонстрацию принципа ло¬
кации в условиях учебного кабинета физики. В соответствии
с этими требованиями в нашей школе был создан простой пере¬
носный прибор на полупроводниках.
Прибор позволяет обнаружить препятствие на расстоянии
нескольких метров, определить направление на цель и расстоя¬
ние до нее. Используют прибор в сочетании с электронным ос¬
циллографом. При этом на экране осциллографа можно демон¬
стрировать также работу основных блоков эхолокатора.
В демонстрационном локаторе использованы две акустические
антенны (2 громкоговорителя 0,5-ГД с ^резонаторами на частоту
задающего генератора), а также микрофонные капсули типа
ДЭМШ-1 с эллиптическими отражателями' (поскольку_ их изго-
Рис. 1
товление — процесс сложный, они были заменена громкогово¬
рителями с резонаторами).
Принципиальная схема прибора представлена на рисунке 1.
Эхолокатор состоит из пяти отдельных блоков: задающего
генератора (а), модулятора (б), усилителя НЧ (в), временного
автоматического регулятора усиления (ВАРУ-2) (г) и источника
питания (б).
Модулятор представляет собой несимметричный мультивибра¬
тор на транзисторах Тх—Т3. Он вырабатывает импульсы дли¬
тельностью 2—5 мс, которые используют для запуска высоко¬
частотного задающего генератора и зарядки конденсатора схемы
временной автоматической регулировки усиления. Импульс мо¬
дулятора приводит в действие высокочастотный генератор, вы¬
рабатывающий импульсы длительностью 3—6 мс с частотой
7 кГц. Такая частота выбрана для того, чтобы иметь возмож¬
ность прослушивать работу передатчика и одновременно визу¬
ально наблюдать импульсы на экране осциллографа, что усили¬
вает4 восприятие учащимися принципа локации.
Задающий генератор представляет собой симметричный муль¬
тивибратор на транзисторах Г4—Г5 с усилителем мощности на
транзисторе Т6. Рабочая частота его может плавно меняться от
5,5 до 7,5 кГц.
При расстоянии до цели порядка 0—5 м посылки импульсов
следуют с частотой 35 импульсов в секунду. После окончания
импульса генератор выключается и не создает помех приему
эхосигнала.
Принимаемый эхосигнал поступает на четырехкаскадный уси¬
литель НЧУ собранный на транзисторах Т7—Г10. В первом каска¬
де степень усиления регулирует ВАРУ, в схему которого входит
транзистор Тп. Регулировка ВАРУ осуществляется переменным
120
резистором /?24. Последующие 3 каскада усиления обеспечивают
величину сигнала, дающую уверенную его регистрацию на экра¬
не осциллографа при положении его переключателя усиления на
входе «X» 0—5 В.
Источник питания представляет собой стабилизированный
блок питания на 9 В, собранный на транзисторах Т12—Т13. По¬
требляемый им ток 25—30 мА.
Возможная конструкция эхолокатора показана на рисунке 2.
Все блоки прибора выполнены на отдельных платах из гетинак-
са. Корпус изготовлен из алюминия толщиной 1,5 мм, передняя
панель — из гетинакса. На передней панели размещены ручки
включения питания ВКи регулятора скважности , импульсов
(дальности), регулятора длительности посылки и частоты гене¬
ратора, входы приемной и передающей антенн, «выход» осцил¬
лографа, переключатель модулированного и немодулированного
сигналов.
Опыт эксплуатации эхолокатора подтвердил его надежность
в работе, простоту в обращении. В эхолокаторе может использо¬
ваться каждый его блок в отдельности, что позволяет применять
его в качестве усилителя НЧ, генератора ЗГ, Прибор дает воз¬
можность проводить такие опыты, как определение длины зву¬
ковой волны, демонстрацию образования стоячих волн, отраже¬
ния н поглощения звука и др.
В заключение приводим таблицу с перечнем деталей, исполь¬
зованных при монтаже эхолокатора.
Таблица
Обозначение
по схеме
Наименование и тип
детали
Номинал
Коли¬
чество
Примечание
Rio, R 1з
Резистор МЛТ-0,25
3 кОм
2
Блок задающего
генератора
Ru
Резистор переменный
47 кОм
1
Частота генера¬
СП-1
тора
Riь Л12
Резистор МЛТ-0,25
7,5 кОм
2
С8, Ct
Конденсатор КДК
6800 Ф
2
Tpi
Трансформатор выход¬
ТВКП-2
1
ной
П\ А Я) в
Переключатель «тумб¬
1
Модулирован¬
лер»
ный и немодули-
рованиый сигнал
т„ т5, Г6
Транзистор
МП40
3
Грх
Громкоговоритель (ан¬
0,5-ГД
1
тенна передатчика)
*
R\, R2, Ro
Резистор МЛТ-0,25
3,6 кОм
3
Блок модулято¬
Ri, Re
Резистор МЛТ-0,25
2,4 кОм
2
ра
Re
Резистор МЛТ-0,25
6,8 кОм
1
Re
Резистор переменный
15 кОм
1
Скважность
СП-1
121
Продолжение
Обозначение
по схеме
Наименование и тип
детали
Номинал
Коли¬
чество
Примечание
Й4
Резистор переменный
4,7 кОм
1
Длительность
СП-1
импульса
С,
Конденсатор МБМ
0,5 мкФ
1
С2
Конденсатор К50-3
10,0 мкФ
1
Дь Дг
Диод импульсный
Д219А
2
кремниевый
Ть Т2, Г3
Транзистор
П-40
3
-
Rio
Резистор МЛ Т-0,25
30 кОхМ
1
Блок усилителя
НЧ
Riu Ru
Резистор МЛ Т-0,25
22 кОм
2
Rn
Резистор МЛ Т-0,25
13 кОм
1
Rl2> R15
Резистор МЛ Т-0,25
4,7 кОм
2
Ri з
Резистор МЛ Т-0,25
320 кОм
1
Ris
Резистор МЛ Т-0,25
100—
1
Установка тока
180 кОм
10—12 мА
Cs—^*9
Конденсатор К50-3
20,0 мкФ
5
Tp2
Трансформатор выход-
ТВКП-2
1
ной
Г P2
Г ромкоговоритель
0,5-ГД
1
(приемная антенна)
t 7t У 8» ^ 9,
-
Г,.
Транзистор
П-40
4
Rib
Резистор МЛТ-0,25
3,6 кОм
1
Блок ВАРУ
R20
Резистор МЛТ-0,25
13 кОм
1
Rib
Резистор МЛТ-0,25
6,8 кОм
1
Rt\
Резистор МЛТ-0,25
1 кОм
1
R22
Резистор МЛТ-0,25
150 кОм
1
R23
Резистор МЛТ-0,25
2,4 кОм
1
R24
Резистор (переменное
47 кОм
г
Регулятор
сопротивление) СП-1
-
ВАРУ
T n
Транзистор
МП40
1
Дз» Д4
Импульсный диод
Д219А
2
Rl5
Резистор ВС-0,5
6,2 кОхМ
1
Блок питания
R25
Резистор ВС-1
2,2 кОм
1
R21
Резистор МЛ Т-0,5
68 кОм
1 •
Л,
Тиратрон
ТН-0,3
1
_
Дь
Стабилитрон
Д809
1
Д»-Д»
Диод Д7А
Д7А
4
Си
Конденсатор К50-6
200,0X50 В
1
Cl2
Конденсатор КЭ-1 -М
100,0X15 В
1
Tp3
Трансформатор сило-
1
вой
в к-1
Тумблер
ТВ-2-1
npi
Предохранитель
0,25 А
1
-
Tit
Транзистор
МП42
1
T13
Транзистор
П201
1
Силовой трансформатор имеет сердечник сечением 4,5 см2, сетевая
(220, В) обмотка намотана проводом ПЭЛ-0,12 (2500 витков), вторичная име¬
ет 100 витков провода ПЭЛ-0,3.
Выходные трансформаторы ТВКП-2 имеют первичную обмотку — 450Х
Х2 витков ПЭЛ-0,09, вторичную — 100 витков ПЭЛ-0,23.
122
В. А. Орлов
(Московская обл., п. Черноголовка)
ДЕЙСТВУЮЩАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ТЕЛЕФОННОЙ СТАНЦИИ
Для постановки работы физического практикума факульта¬
тивного курса физики X класса «Изучение принципа работы
АТС» нами сконструированы два прибора, моделирующие рабо¬
ту АТС. Питание приборов осуществляется с помощью школьно¬
го селенового выпрямителя ВС-24М. Для сглаживания пульсации
напряжения параллельно выходу выпрямителя подключают кон¬
денсатор большой емкости (1000—2000 мкФ, 1 А, 50, В). Для вы¬
полнения работы, кроме приборов, схемы которых приведены на
рисунках 1 и" 2, необходимы два настольных телефонных аппа¬
рата любой системы (мы использовали аппараты «БАГТА-50»
АТС), школьный трансформатор разборный, соединительные про¬
вода.
При выполнении работы ученики сначала знакомятся с прин¬
ципом действия и устройством телефона, микрофона и телефон¬
ного аппарата. Вторым этапом выполнения работы является ус¬
тановление двусторонней телефонной связи по схеме «ЦБ» (цент¬
ральной батареи). Учащиеся собирают телефонные аппараты
ТА-1 и ТА-2 по схеме, изображенной на рисунке 3. В качестве
дросселя Др используют обмотку 220 В школьного разборного
трансформатора с сердечником.
При снятии микротелефонной трубки телефонного аппарата
ТА-1 звуковые колебания вызывают изменение сопротивления
угольного микрофона Ми что приводит к модуляции тока, со¬
зданного в цепи источником тока ЦБ — выпрямителем ВС-24М.
Этот переменный ток протекает через обмотку 1Х трансформато¬
ра Tpi и дроссель Др. Так как сопротивление дросселя пере¬
менному току велико, напряжение, питающее второй телефон¬
ный аппарат ТА-2, будет существенно модулироваться, вызывая
Ш
переменный ток, проходящий через обмотку 12 трансформатора
Тр%. Во вторичной обмотке этого трансформатора II2, подклю¬
ченной к телефону Т2, индуцируется ЭДС индукции, которая
создает переменный ток в цепи телефона, преобразуемый послед¬
ним в механические колебания мембраны. Без дросселя «разго¬
ворный» переменный ток замыкался бы через источник, т. е. на*
пряжение, питающее второй телефонный аппарат, было бы
постоянно и равно ЭДС источника тока, и, следовательно, «разго¬
ворного» тока в цепи ТА-2 не возникало бы.
124
В качестве дополнительного задания , отдельным ученикам
предлагают ознакомиться с противоместной схемой телефонного
аппарата, служащей для подавления местного эффекта — слы¬
шимости своего голоса в своем телефоне.
Для осуществления телефонной связи большого числа або¬
нентов необходима центральная телефонная станция. Это можно
пояснить следующим образом. Для осуществления телефонной
связи k абонентов без телефонной станции потребовалось бы
Hhz)). телефонных линий, при наличии телефонной станции
число линий равно числу абонентов. Для автоматического соеди¬
нения абонентов в настоящее время широко применяют АТС.
Основным коммутационным прибором так называемых шаго¬
вых АТС является шаговый искатель. В сконструированных на¬
ми приборах используют вращательный шаговый искатель типа
ШИ-11, в котором имеется электромагнитное реле ЭМ, статор,
состоящий из четырех рядов неподвижных контактов, располо¬
женных по дуге окружности, и ротор с трехлучевыми щетками.
Управление АТС осуществляют с помощью номеронабирателя
телефонного аппарата вызывающего абонента. При вращении до
упора диска номеронабирателя по часовой стрелке заводится
спиральная пружина, имеющаяся внутри номеронабирателя.
При этом одна пара его контактов НН{ (см. рис. 1) замыкает¬
ся. Под действиехм пружины диск после освобождения вращается
в обратном направлении, периодически замыкая и размыкая дру¬
гую пару контактов НН2. Число таких замыканий и размыканий
определяется набранной цифрой.
При замыкании контакта НН2 срабатывает электромагнит¬
ное реле Pi (типа РЭС-22), замыкая контакт Рщ в цепи элект¬
ромагнитного реле шагового искателя. Это реле, срабатывая, по¬
ворачивает ротор со щеткой на один шаг. Щетка при этом за¬
нимает положение 1. При наборе, к примеру, цифры 5 щетка
шагового искателя повернется на 5 шагов и займет пятое по¬
ложение.
После возвращения диска номеронабирателя в исходное по¬
ложение контакты ННХ разомкнутся и абонент ТА-1 может раз¬
говаривать с абонентом ТА-5.
После окончания разговора необходимо шаговый искатель
вернуть в исходное положение. В простейшем случае вызываю¬
щему абоненту на номеронабирателе своего телефона необходи¬
мо набрать цифру т—П—п. В рассмотренном нами примере
п~5, следовательно, пг = 6. В этом случае в цепь шагового ис¬
кателя поступит еще 6 импульсов, и трехлучевая щетка снова
займет нейтральное положение.
На самом же деле «отбой» осуществляется иначе: абонент
кладет микротелефонную трубку на рычаг. При этом на элект¬
ромагнит шагового искателя автоматически подаются импульсы
тока до тех пор, пока щетки искателя не возвратятся в нейтраль¬
ное положение. Это достигается взаимодействием реле шагового
125
искателя ЭМ и реле Рх. На шаговом искателе имеется сплошное
контактное полукольцо ПК, на котором и находится щетка ис¬
кателя в момент окончания связи. Положив микротелефонную
трубку на рычаг, абонент с помощью особых цепей (не показан¬
ных на рис. 1) замыкает кнопку «отбой»—Ко. (На приборе, соб¬
ранном по схеме, изображенной на рис. 1, эта кнопка нажима¬
ется пальцем.) В этом случае ток от источника тока ЦБ идет
через нормально замкнутые контакты ЭМХ и сплошное контакт¬
ное полукольцо ПКУ через обмотку реле Рх. Контакты Рх/х за¬
мыкаются, вызывая срабатывание реле шагового искателя ЭМ
и перевод его в очередное положение. При этом размыкаются
контакты ЭМХ и обесточивается обмотка реле Ри что приводит
к размыканию контактов Рх/х и замыканию нормально замкну¬
тых контактов ЭМХ. Далее процесс повторяется: реле Pi и ре¬
ле ЭМ будут переключать друг друга до тех пор, пока щетка
шагового искателя не сойдет со сплошного полукольцевого кон¬
такта ПК и не разомкнет цепь реле Pi. В этом случае модель
АТС снова готова к работе.
Для управления «отбоем» с телефонного аппарата ТА-1 по¬
требуется еще два реле. Схема такой более сложной модели АТС
представлена на рисунке 2. (Контакт Рх/х реле Pi играет роль
кнопки в схеме на рис. 1.) Когда микротелефонная трубка теле¬
фонного аппарата ТА-1 снимается, то реле Рь сработав, размы¬
кает контакт Pi/i. При наборе номера реле Рх не отключается
благодаря конденсатору Сх большой емкости. Параметры реле
Pi и Р2 выбраны так, что при снятии трубки срабатывает только
реле Рь так как оно оказывается подключенным к источнику
тока ЦБ через разговорную цепь телефонного аппарата ТА-1,
имеющую сопротивление 400 Ом. После того как трубка будет
положена на рычаг, реле Pi отключается и замыкает цепь «от¬
боя». Реле Р2 и реле ЭМ будут переключать друг друга до тех
пор, пока щетка шагового искателя не вернется в нейтральное
положение. Принцип действия этой «пульс-пары» описан выше.
Для того чтобы импульсы тока не искажались при прохожде¬
нии через дроссель Др9 его шунтируют контактом P3/i реле Р3
(см. рис. 2). Кроме того, реле Р3 предотвращает промежуточные
соединения абонентов. Иначе при наборе, к примеру, цифры 5
включались бы абоненты 1—4. Назначение конденсатора С2 та¬
кое же, как и конденсатора Су. Конденсаторы С3 и С4 вместе с
резисторами Rx и R2 образуют цепи искрогашения. (В момент
размыкания цепи конденсаторы С3 и С4 заряжаются, а в момент
Замыкания разряжаются через резисторы.)
В заключение приводим параметры элементов схемы, изобраг
женной на рисунке 2, не упомянутые в статье; реле РХу Ръ Рз
типа РЭС-22; конденсатор Сх на 500 мкФ, 50 В; конденсатор
С2 на 300 мкФ, 50 В; конденсаторы С3 и С4 по 1 мкФ; резистог
ры R1 и /?2 по 36 Ом; Ли Лъ ...9ЛХ0—коммутаторные лампочки.
ОПТИКА
В. И. Римский
(УССР, г. Ивано-Франковск)
ДЕМОНСТРАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СВЕТА
Использование полупроводниковых фотоэлементов в качестве
источника тока заслуживает особого внимания. Демонстрацион¬
ный эксперимент по этой теме обычно ограничивается показом
зависимости фототока от освещенности. В лабораторном прак¬
тикуме используют прибор для изучения законов освещенности
с полупроводниковым фотоэлементом. В обоих случаях учащие¬
ся наблюдают превращение световой энергии в электрическую,
но из-за статичности опытов трудно перейти к представлению о
солнечных батареях как мощных источниках тока, приводящих
в действие электродвигатели, радиотелеметрическую аппаратуру
и т. п.
Несомненно, больший эффект достигался бы демонстрацией,
в которой за счет энергии света создавалось бы не статическое
отклонение стрелки, а периодическое движение, например, вра¬
щение электромотора. К сожалению, пригодные для таких демон¬
страций солнечные батареи пока еще недоступны школам.
Имеющиеся в школьных физических кабинетах полупровод¬
никовые фотоэлементы из комплекта по теме «Полупроводники»
и от упомянутого прибора для изучения законов освещенности
позволяют более убедительно продемонстрировать превращение
энергии света в электроэнергию, механическую работу и энергию
звуковых колебаний. Для этих целей предлагается ряд неслож¬
ных' приборов, которые могут быть изготовлены самими учащи¬
мися.
Генератор механических колебаний
Принципиальная схема генератора показана на рисунке К
При освещении фотоэлемента ФЭ происходит медленный заряд
конденсатора С и постепенное отклонение стрелки вольтметра
от нулевого положения (последний имеет верхний предел изме¬
рения 0,2—0,25 В). При достижении максимального напряжения
контакт К замыкается, в результате чего конденсатор (500 мкФ,
б В) начинает быстро разряжаться и стрелка вольтметра откло¬
няется к нулевому положению. Затем процесс периодически пов¬
торяется. Об этом свидетельствуют колебания стрелки вольт¬
метра. ч
127
Для автоматического замыкания кон¬
такта К нужно изготовить дополнитель¬
ную сменную шкалу (рис. 2) к демон¬
страционному гальванометру, последова¬
тельно с рамкой которого включают доба¬
вочный резистор сопротивлением ~ 1 кОм
(значение сопротивления подбирают так,
чтобы при достижении максимального на¬
пряжения на обкладках конденсатора
стрелка отклонялась на всю шкалу). В.
"конце шкалы располагаются контакты К,
зазор между которыми регулируется таким образом, чтобы при
наибольшем отклонении стрелки они замыкались под ее воздейст¬
вием. Контакты не должны быть чрезмерно упругими. Для их из¬
готовления наиболее пригодны кусочки пружин или растяжек
от испорченных электроизмерительных приборов. Можно также
использовать контактную группу от негодного поляризованного
реле, преимуществом которой является высокая электропровод¬
ность контактов и удобство регулировки расстояния между ними.
Релейный мультивибратор
При наличии поляризованного реле с двумя одинаковыми об¬
мотками (например, типа РП-4) можно собрать автоколебатель¬
ную систему, подобную симметричному мультивибратору, по схе¬
ме, представленной на рисунке 3.
При освещении фотоэлемента ФЭ происходит перезарядка
конденсаторов Сх—С2 (100 мкФ, 6 В), эквивалентных одному не¬
полярному электролитическому конденсатору, и переброс яко¬
ря Я между левым Л контактом Рц1 и правым П контактом
Р1/2 двухобмоточного реле Pi с частотой порядка 0,5 Гц. Для на¬
блюдения перемещений якоря и возможности регулировки надо
предварительно снять с реле защитный кожух. К якорю нужно
приклеить стрелку из согнутой желобком полоски алюминиевой
фольги. Последовательно с фотоэлементом желательно включить
динамический громкоговоритель Гр (0,25 ГД-1), который в мо¬
мент переброса якоря реле будет воспроизводить довольно гром¬
кие щелчки.
128
Рис. 2
Рис. 3
34,
Cl
Рис. 4
Рис. 5
Звуковой генератор
Описанные выше электромеханические автоколебательные си¬
стемы несложны, и принцип их действия понятен учащимся. Од¬
нако они требуют тщательной регулировки, а их работоспособ¬
ность зависит от состояния контактов. Для демонстрационных
опытов предпочтительны более надежные бесконтактные элект¬
ронные устройства.
Транзисторный генератор, собранный по схеме (рис. 4), со¬
здает звуковые колебания, частота которых зависит от освещен¬
ности фотоэлемента ФЭ. Можно наблюдать движение диффузора
громкоговорителя Гр (0,25 ГД-1), положив на него шарик из
неплотно скомканной фольги.
(Трансформатор Тр выходной от радиоприемника «Спидола»
или «ВЭФ-12», «ВЭФ-201» и т. п. В крайнем случае можно при¬
менить имеющийся в физических кабинетах разборный трансфор¬
матор с обмотками 127/220/6 В. Транзистор Т типа МП25—МП26
или МП42. Конденсатор С на 100 мкФ, 6 В.)
Генератор, собранный по схеме рисунка 5, отличается от пре¬
дыдущего наличием у трансформатора Тр повышающей обмот¬
ки ///, нагруженной однополупериодным выпрямителем на дио¬
де Д (Д102А) со сглаживающим конденсатором С2 (0,01 мкФ).
Напряжение на последнем можно измерить высокоомным вольт¬
метром со шкалой на 10 В, присоединенным к зажимам 3{—32♦
(Конденсатор Сг на 100 мкФ, 6 В, Трансформатор Тр наматыва¬
ется на сердечнике трансформатора от приемника «Спидола».
Обмотки I—II содержат по 100 витков провода ПЭЛ-0,2; об¬
мотки III — провод ПЭЛ-0,05—0,08 до заполнения каркаса.
С худшим результатом можно использовать разборный транс¬
форматор, включив в схему обмотки 6+6/220 В.)
В описанных демонстрационных приборах можно применить
самодельные фотоэлектрические источники питания — полупро¬
водниковые фотоэлементы и батареи, изготовленные из распро¬
Преобразователь напряжения
Фотоэлектрические источники тока
9 Заказ № 3657
129
страненных транзисторов или диодов. Наиболее доступный ис¬
точник представляет собой цепочку из нескольких десятков
полупроводниковых диодов типа Д2Б—Д2Ж, соединенных после¬
довательно.
Н. М. Ростовцев
(г. Орел)
СПОСОБ ДЕМОНСТРАЦИИ ВЕНЦОВ
Если на удаленный источник белого света смотреть через
дифракционную решетку, то по обе стороны от источника наблю¬
даются цветные полоски — дифракционные спектры. Если на тот
же источник смотреть через стекло, покрытое ликоподием \ то
вокруг источника будут видны венцы — цветные кольца. Возник¬
новение дифракционных спектров и венцов обусловлено одним
и тем же явлением — дифракцией света в параллельных лучах
от щелей и от спор плауна. Казалось бы, что и демонстрация
венцов должна получаться с точно такой же установкой, как и
показ дифракционных спектров. Однако это не так.
Обычно демонстрацию дифракционных спектров проводят с
универсальным проекционным аппаратом по схеме, изображен¬
ной на рисунке 1, где 1 — конденсор, 2 — ширма с прямоуголь¬
ной щелью, 3 — объектив проекционного аппарата, 4 — дифрак¬
ционная решетка, 5 — экран. Опыт всегда проходит успешно,
если используют решетки, постоянная которых равна 1/50—
1/100 мм. Если же прямоугольную щель заменить круглым от¬
верстием, а дифракционную решетку стеклом, покрытым лико¬
подием, то возникающие на экране венцы из-за малой яркости
и контрастности едва просматриваются даже с расстояния 20—
30 см.
В чем же причина неэффективности такого способа демонст¬
рации венцов? С одной стороны, малая яркость и контрастность
венцов обусловлена* малым диаметром объектива универсально¬
го проекционного аппарата. При использовании этого объектива
в создании венцов могут принимать участие лишь споры, нахо¬
дящиеся на участке стекла площадью, приблизительно равной
или меньшей площади линз объектива; количество же этих спор
оказывается недостаточным. С другой стороны, из-за относитель¬
но малого фокусного расстояния объектива создается большое
увеличение круглой щели на экране, а это в свою очередь при¬
водит к размытости венцов, их малой контрастности.
Для получения ярких контрастных венцов объектив универ¬
сального проекционного аппарата следует заменить линзой с
большим диаметром и большим фокусным расстоянием. Ею мо¬
жет служить линза с фокусным расстоянием 40 см из школьного
набора. Фокусное расстояние у нее приблизительно в 3 раза боль¬
ше, чем у объектива универсального проекционного аппарата; 11 Ликоподий — порошок из спор плауна, имеющих приблизительно
сферическую форму. Его можно приобрести в магазине.
Рис. 1
диаметр ее в 2 раза превышает диаметр линз объектива, а пло¬
щадь соответственно в 4 раза. Это означает, что при одной и той
же концентрации спор плауна на стеклянной пластине число их,
участвующих в создании венцов, возрастает в 4 раза, а яркость
венцов при прочих равных условиях — в 16 раз (интенсивность
максимумов при дифракции пропорциональна N2, где N — число
щелей или преград; на которых происходит дифракция света).
Схема установки с линзой из школьного набора и зеркал изо¬
бражена на рисунке 2, а.
* Линзу 3 укрепляют в ширме из квадратного куска фанеры
со стороной 15—20 см. (Обе стороны ширмы закрашивают в чер¬
ный цвет, а в её середине вырезают круглое отверстие, в которое
линза входит с трением.)
Пластину 4 размером 15X25 см вырезают из куска оконного
стекла. Перед нанесением ликоподия одну из ее сторон слегка
протирают влажной тряпкой. Затем на пластину наносят лико¬
подий и резкими перемещениями в горизонтальном направлении
добиваются равномерного распределения порошка по всей ее по¬
верхности. Затем пластину располагают вертикально над сто¬
лом, покрытым газетой, и легкими постукиваниями удаляют из¬
лишек ликоподия. Таким способом сравнительно легко можно
уменьшить поверхностную концентрацию спор, от которой зави¬
сит видимость венцов. При незначительной концентрации венцы
едва заметны, при очень большой — резко ухудшается контраст¬
ность картины. Оптимальную концентрацию подбирают опытно.
При подготовке установки к демонстрации конденсор уни¬
версального проекционного аппарата из основного положения пе¬
ремещают вперед на 35—40 мм. Для получения большей и рав¬
номерной освещенности щели проекционную лампу располагают
9*
131
так, чтобы острый угол между плоскостью нитей накаливания и
оптической осью конденсора не превышал 5—10°. На расстоя¬
нии 17—20 см от передней плоскости конденсора устанавливают
диафрагму — ширму с линзой 3. Ширму укрепляют на штативе.
Экран помещают на расстоянии ^2 м от линзы.
Передвигая линзу 3, добиваются резкого изображения круг¬
лого отверстия на экране. После этого непосредственно за линзой
помещают пластину 4У покрытую ликоподием, тогда на экране
появляются венцы (рис. 2, б). Обычно при использовании опи¬
сываемой установки хорошо видны два венца (центральный круг
с красноватыми краями и следующее за ним цветное кольцо), но
если расстояние между линзой и экраном уменьшить до 1,5—
1,2 м, то при точной фокусировке можно получить три венца.
Диаметры венцов растут с увеличением расстояния I от линзы
до экрана. (При 1=2—2,5 м диаметр центрального круга до¬
стигнет 10—12 см, а следующего за ним кольца— 18—20 см.)
Установку во время опыта располагают так, чтобы ее осевая
линия была направлена вдоль демонстрационного стола. После
получения на экране четких венцов последний поворачивают во¬
круг вертикальной оси на 45—60°. Хотя при таком расположе¬
нии экрана венцы приобретают овальную форму, однако их ви¬
димость улучшается. Деформация же венцов легко объясняется.
Венцы, полученные при демонстрации, позволяют определить
средний диаметр спор плауна без микроскопа. Для этого до¬
статочно измерить расстояние I от пластины 4 до экрана и диа¬
метр, например, первого темного кольца.
При дифракции от круглой преграды первый минимум на¬
блюдают при выполнении условия:
rfsin ф— 1,22Л., (1)
где d — диаметр круглой преграды, ср — угол дифракции, угол
между первоначальным направлением лучей и направлением на
первый минимум (см. рис. 2), % — длина световой волны. При
наблюдении венцов в белом свете под X следует понимать эффек¬
тивную длину волны, к которой наиболее чувствителен наш глаз,
она приблизительно равна 0,56 мкм. Соотношение (1) можно
переписать в виде
d = 1,22 — .
sin (р
При малых углах дифракции, с которыми приходится иметь
дело в этой демонстрации, sincp^tgcp. Поскольку tg9= ~ ,
получаем: d = 1,22 —.
В одном из проведенных нами опытов при ^=0,56 мкм,
/=223 см радиус первого темного кольца оказался равным 5,5 см;
d=27 мкм, что хорошо согласуется с измерениями, проведенны¬
ми с микроскопом.
332
ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА
О. Ф. Кабардин
(Московская об л., п. Черноголовка),
А. X. Суербаев
(г. Оренбург)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПО РЕГИСТРАЦИИ
ПРЕВРАЩЕНИЯ ГАММА-КВАНТОВ
В ЭЛЕКТРОННО-ПОЗИТРОННЫЕ ПАРЫ
Ознакомление учащихся X класса с явлением рождения па¬
ры электрон — позитрон из гамма-кванта предусмотрено про¬
граммой по физике. Рассмотрение этого явления обычно ограни¬
чивается сообщением о существовании факта, теоретически пред¬
сказанного П. Дираком в 1928 г. и затем экспериментально
подтвержденного в 1933 г. Ф. и И. Жолио-Кюри.
Возможность обнаружения акта рождения пары электрон —
позитрон обычно связывается в нашем представлении с необхо¬
димостью использования ускорителей и сложной современной ап¬
паратуры. Между тем, хотя рождение пары электрон — позитрон
происходит значительно более редко в окружающем нас мире,
чем, например, излучение и поглощение квантов видимого света,
у поверхности Земли повсеместно и в любое время дня и ночи
происходят акты рождения пары электрон — позитрон из гамма-
квантов и обратные превращения.
Тот факт, что явление рождения пары электрон — позитрон
постоянно происходит в природных условиях, снимает основную
часть трудностей на пути постановки эксперимента в школе, и
остается нерешенной лишь задача регистрации явления. Наибо¬
лее известен способ регистрации явления превращения гамма-
кванта в пару электрон — позитрон, основанный на использова¬
нии камеры Вильсона, помещенной в магнитном поле. Камеру
Вильсона ставят на пути пучка гамма-квантов высокой энергии.
Так как полная энергия покоя пары электрон — позитрон
Е=2тс2^1,02 МэВ,
тб превратиться в пару электрон — позитрон может лишь гамма-
квант с энергией, превышающей это значение (£V>1,02 МэВ).
Превращение гамма-кванта в пару электрон — позитрон мо¬
жет произойти только вблизи какой-либо частицы (например,
электрона, протона или атомного ядра), поскольку без участия
такой частицы, получающей часть импульса фотона, не могут
быть выполнены одновременно законы сохранения энергии и
импульса.
, Вероятность превращения гамма-кванта вблизи атомного яд¬
ра пропорциональна квадрату заряда ядра, поэтому для обнару¬
жения этого превращения на пути пучка гамма-излучения внутри
133
камеры Вильсона помещали свинцовую
пластину. След пары обнаруживался по ха¬
рактерной «вилке» (рис. 1), так как, об¬
ладая зарядами разного знака, электрон и
позитрон- отклонялись магнитным полем в
противоположные стороны.
Возможность регистрации электронов
и позитронов с помощью камеры Вильсона
в условиях школьного кабинета физики ис¬
ключена из-за сложности эксперименталь¬
ной установки. Значительно проще этот
эксперимент можно осуществить* приме¬
нив счетчики Гейгера — Мюллера, вклю¬
ченные в схему совпадений.
Прибор состоит из трех газоразрядных
счетчиков типа СТС-6. Два из них рас¬
полагают рядом в горизонтальной плоскости, третий — над ними
(рис. 2). Так как- в воздухе превращение гамма-квантов косми¬
ческого излучения в электронно-позитронные пары происходит
довольно редко, над счетчиками помещают свинцовую пластину
толщиной 1—2 см.
Явление превращения одного гамма-кванта вблизи ядра ато¬
ма свинца в две заряженные частицы (электрон и позитрон)
может быть зарегистрировано сравнительно легко, поскольку
электрон может пройти, например, через счетчики 3 и /, а по¬
зитрон— через счетчики 3 и 2, и таким образом будет вызван
разряд практически одновременно в трех счетчиках. Следова¬
тельно, для регистрации актов превращения гамма-квантов в па¬
ру электрон — позитрон необходимо иметь электронную схему,
регистрирующую одновременное возникновение разряда в трех
счетчиках.
Простейшая схема тройных совпадений, пригодная для ре¬
шения этой задачи, представлена на рисунке 3. Она состоит из
трех диодов типа Д9Л, параллельно подключенных к отрица¬
тельному полюсу источника питания через общее сопротивление
/?з=47 кОм. К положительному полюсу источника питания каж¬
дый диод включен через сопротивление кОм. При по¬
ступлении через конденсаторы Ci = 10 нФ электрических импуль¬
сов отрицательной полярности от одного или двух счетчиков
падение напряжения на общем сопротивлении /?3 почти не из¬
меняется (амплитуда импульса на выходе схемы не превышает
0,3 Ё). Объясняется это следующим образом. При запирании
одного или двух диодов сила тока через общее сопротивление
начинает убывать, но этот процесс сопровождается^ повышением
напряжения на одном или двух диодах, оставшихся открытыми.
Небольшое повышение напряжения на диоде приводит к значи¬
тельному возрастанию силы тока. В результате сила тока через
общее сопротивление 7?3 при запирании одного или двух из трех
диодов, включенных параллельно, остается почти неизменной.
134
Рис. 1
Поэтому мало изменяется и
потенциал точки Л, с которой
через конденсатор С2 = 5,6 нФ
снимаются выходные импуль¬
сы.
Если же электрические им¬
пульсы отрицательной поляр¬
ности поступают одновремен¬
но от трех счетчиков, то запи¬
раются одновременно три дио¬
да. При этом ток через общее
сопротивление /?3 становится
практически равным нулю и
амплитуда электрического им¬
пульса на выходе схемы сов¬
падений достигает примерно
10 В. Таким образом, случаи
одновременного срабатывания
трех счетчиков можно легко
отличить от случаев срабаты¬
вания любого счетчика в от¬
дельности или случаев одно¬
временного срабатывания двух
счетчиков.
Поскольку число тройных совпадений, регистрируемых пред¬
лагаемой установкой, не превышает 40—50 имп/ч, в эксперимен¬
те можно использовать метод визуальной регистрации импуль¬
сов на экране школьного электронного осциллографа. Для этого
выход схемы тройных совпадений соединяют со входом Y школь¬
ного электронного осцилло¬
графа. Переключатель дели¬
теля на выходе усилителя
вертикального отклонения лу¬
ча ставят в положение «250 В»,
ручку плавной регулировки
усиления поворачивают до от¬
каза по часовой стрелке, гене¬
ратор развертки выключают.
Эксперимент состоит в
подсчете числа импульсов
тройных совпадений снача¬
ла без свинцовой пластины
над счетчиками, затем с ней.
В первом опыте в течение
30 мин ведут счет тройных
совпадений, регистрируемых
установкой без свинцовой пла¬
стины над счетчиками. Трой¬
ные совпадения в этом слу-
135
Рис, 4
чае обусловлены в основном актами превращения в воздухе гам¬
ма-квантов вторичного космического излучения в электронно-по¬
зитронные пары, скорость счета тройных совпадений в этом опыте
около 20 имп/ч. Однако учащиеся вполне справедливо иногда
высказывают предположение, что тройные совпадения могут быть
обусловлены и другой причиной — случайным одновременным
прохождением через три счетчика двух или трех частиц ионизи-
рующего излучения. Такое предположение опровергается вторым
опытом.
Во втором опыте с помощью той же установки регистрирует¬
ся число тройных совпадений при помещении свинцовой пласти¬
ны над счетчиками. Свинцовая пластина поглощает часть иони¬
зирующего излучения, и число частиц, регистрируемых каждым
из счетчиков, заметно убывает. Это можно установить, измерив
скорость счета от одного счетчика без пластины и со свинцовой
пластиной. Если бы тройные совпадения были случайными, то
их число в единицу времени уменьшалось при наличии свин¬
цовой пластины над счетчиками. Однако эксперимент показыва¬
ет, что число тройных совпадений, регистрируемых установкой в
единицу времени, при помещении свинцовой пластины над счет¬
чиками увеличивается примерно вдвое, достигая 42 имп/ч. По¬
скольку электрический заряд ядра свинца примерно в 11 раз пре¬
вышает заряд ядра азота, вероятность превращения гамма-кван¬
тов в пару электрон — позитрон при переходе гамма-излучения из
воздуха в свинец возрастает более чем в 100 раз. Обнаруживае¬
мое в опыте увеличение скорости счета тройных совпадений при
наличии свинцовой пластины над счетчиками является следст¬
вием этого эффекта, называемого переходным эффектом.
Чтобы ученик мог ознакомиться с устройством установки без
разборки и сборки ее, корпус прибора целесообразно изготовить
из органического стекла. Внешний вид прибора представлен на
рисунке 4.
В заключение необходимо отметить, что не каждый акт трой¬
ных совпадений обусловлен превращением одного гамма-кванта
в пару электрон — позитрон, как это представлено схематически
на рисунке 2. В действительности процесс может быть более
сложным. Если гамма-квант обладал энергией, значительно пре¬
восходившей энергию покоя пары электрон — позитрон, то «рож-
136
денные» им электрон и позитрон
могут обладать большой кинети¬
ческой энергией. При прохожде¬
нии вблизи атомных ядер свинца
и торможении в их электриче¬
ском поле электрон и позитрон
испускают кванты тормозного
электромагнитного излучения
(тормозное рентгеновское излу¬
чение). Если кванты тормозного
электромагнитного излучения об¬
ладают энергией £v>2mc2«
»1,02 МэВ, то при прохождении
около атомных ядер они в свою
очередь могут испытать превра¬
щение в пару электрон — позит¬
рон и т. д. Процесс может на¬
растать лавинообразно до тех
пор, пока энергия квантов тор¬
мозного электромагнитного излу¬
чения не окажется меньшей по¬
рогового значения £Y^2mc2«
«1,02 МэВ.
Схема развития такого про¬
цесса, называемого электромаг¬
нитным каскадным ливнем, пред¬
ставлена на рисунке 5. Таким
образом, часть зарегистрирован¬
ных тройных совпадений оказы¬
вается обусловленной не одиноч¬
ным актом превращения гамма-
кванта в электронно-позитрон¬
ную пару, а целым рядом таких
превращений, приводящих к возникновению каскадного ливня в
свинце.
Разрешающее время т схемы, определенное путем измерения
числа случайных совпадений Ысл при облучении счетчиков гам¬
ма-излучением препарата цезия-137, оказалось не превышающим
3*10~5 с. Следовательно, число случайных тройных совпадений при
скорости счета N в одном канале 1 имп/с не превышало
Мсл=4т2М3=4-9* 1(Н0-1 имп/с=3,6* 10~9 имп/с= 1,3* 10-5имп/ч,
Рис. 5
т. е. примерно на 6 порядков меньщ£_действительно регистри¬
руемого числа тройных совпадений.
137
Л. П. Минько
(г. Мелитополь}
ШКОЛЬНЫЙ РАДИОМЕТР И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ К НЕМУ
ДЛЯ ОПЫТОВ ПО РАДИОАКТИВНОСТИ
В предлагаемом нами школьном радиометре осуществлено
объединение элементов схем простейшего из радиометров и вы¬
пускаемого промышленностью прибора Б-4. Скорость счета иони¬
зирующих частиц при этом увеличена до 1500 имп/с при ем¬
кости счета до 100 000 импульсов.
Общий вид прибора показан на рисунке 1. На рисунке 2
представлена принципиальная электрическая схема блока пита¬
ния (БП) прибора, блока газового счетчика (БГС) и блока
электромеханического счетчика (БМС).
В ней использованы:
Резисторы: Ru Ris (типа МЛТ-1) на 1,0 МОм; R2—(МЛТ-0,5) на 5,1 кОм;
/?3, #12 (МТЛ-0,5) на 510 Ом; R4—R7 (МЛТ-0,5) на 130 кОм; R8 (МЛТ-1) на
390 Ом; /?9 (МЛТ-2) на 3,9 кОм; Rl0t Ru (МЛТ-2) на 20 кОм; Д13 (МЛТ-0,5)
на 180 кОм; #14 (МЛТ-0,5) на 27 кОм; Ri6 (МЛТ-0,5) на 18 кОм; /?17(МЛТ-0,5)
на 8,2 кОм; Rl6 (МЛТ-0,5) на 100 Ом; Rl9 (МЛТ-0,5) на 11 кОм; R2о (МЛТ-0,5)
на 11 кОм.
Конденсаторы: Сь С2 (К50-7-350) на 10 мкФ; С3 (К50-3-50) на 220 мкФ;
Ск (БМ-2-300) на 2200 пФ; С5 (МБМ-250) на 0,25 мкФ; Сб (КВИ-2-8) на
47 пФ (или 41 п<у; С7 (БМ-2-300) на 330 пФ.
Диоды: Д|—Дв типа Д226; Д9—Д]и Ди типа Д814; Д12, Д13 типа Д9Д.
Транзисторы: Тх (МП41), Т2 (МП42).
Стабилитроны: Л1--Л3 (СГ5Б), Л4 (СГ301с).
Схемы пересчетных декад ОГ-3 и ОГ-4 показаны на рисун¬
ках 3 и 4. Элементы схемы (рис. 3):
Резисторы: R{ (МЛТ-0,125) ла 4,3 кОм; R2 (МЛТ-0,125) на 390 кОм;
Ri (МЛТ-0,5) на 3,6 кОм; R4, R5 (МЛТ-0,125) на 39 кОм; Яб (МЛТ-0,5) на
Рис, I
138
Рис. 2
6,2 кОм; R7t /?8 (МЛТ-0,125) на 51 кОм; /?9 (МЛТ-0,125) на 2,7 кОм;
Rl(i (МЛТ-0,125) на 6,2 кОм; Rlt (МЛТ-0,5) на 2,0 МОм; Rl2 (МЛТ-0,125)
на 15 кОм; Ri3 (МЛТ-0,5) на 330 кОм.
Конденсаторы: С} (БМ-2-200) на 6800 пФ; С2 (БМ-2-300) на 1500 пФ;
С3 (БМ-2-300) на 390 пФ; С4, С5 (БМ-2-200) на 390 пФ; Сб (БМ-2-300)
на 2200 пФ.
Диоды: Дь Д2 типа Д226Г; Д3 типа Д2Ж.
Транзисторы: Ть Т2 (МП25); Т2 (МП37Б).
Элементы схемы (рис. 4).
Резисторы: R\ (МЛТ-0,125) на 4,3 кОм; /?2 (МЛТ-0,125) на 510 Ом;
/?з (МЛТ-0,5) на 5,1 кОм; /?4, R& (МЛТ-0,125) на 47 кОм; Rq (МЛТ-0,5) на
10 кОм; R7 (МЛТ-0,125) на 82 кОм; Д8 (МЛТ-0,125) на 12 кОм; R9
(МЛТ-0,125) на 3,9 кОм; R]0 (МЛТ-0,125) на 6,2 кОм; /?и (МЛТ-0,5) на
2,0 МОм; /?12 (МЛТ-0,125) на 51 кОм.
Конденсаторы: Сь С3 (БМ-2-300) на 680 пФ; С2 (БМ-2-200) на 0,01 мкФ;
С4 (БМ-2-300) на 1500 пФ; С5 (БМ-2-200) на 4700 пФ; Сб (БМ-2-200)
на 3300 пФ.
Диоды: Дь Д2 типа Д226Г; Д3 типа Д2Ж.
Транзисторы: Ти Т2 (МП25), Г3 (МП37Б).
Сигналы с блока БГС поступают на пересчетную декаду ОГ-3,
с нее — на декаду ОГ-4. Сотый импульс с выхода декады ОГ-4
поступает на вход блока запуска электромеханического счетчика.
После подключения к прибору домика с детектором ионизи¬
рующих излучений (на рис. 1 он показан справа) прибор вклю¬
чают в сеть напряжением 220 В (см. рис. 2) и прогревают около
двух минут. С помощью тумблера «Пуск» (П2) управляют при¬
бором. при счете импульсов, поступающих на пересчетные декады
и электромеханический счетчик.
Отсчет зарегистрированных импульсов прямой: единицы счи¬
таются декатроном ОГ-3; десятки — ОГ-4; сотни, тысячи и десят¬
ки тысяч — электромеханическим счетчиком.
Прибор обеспечивается комплектом приспосбблений для ис¬
пользования в работах образцовых источников ионизирующих
излучений изотопов Sr-90, Tl-204, Pu-239 , аттестованных по
111 разряду. Образцовые источники можно приобрести во Всесоюз¬
ной конторе «Изотоп». Внешний вид комплекта показан на ри¬
сунке 5. В комплект входят универсальный домик, блок-отража¬
тель, воронка, штатив и подложки для сыпучих веществ.
Универсальный домик снабжен сменными футлярами для де¬
текторов ядерных излучений. Защитная камера домика служит
для помещения в нее источника ионизирующих излучений и фик¬
сирования определенных расстояний между ним и окном детек¬
тора при помощи установочного винта.
Блок-отражатель служит для экспериментов с отраженными
от поверхности металлов или их бинарных сплавов р-частицами
образцовых источников изотопов Sr-90 или Т1-204.
Воронки для аэрозольных фильтров используют при выполне¬
нии демонстрационного и лабораторного эксперимента по опреде¬
лению естественной радиоактивности.
Штатив обеспечивает вертикальную фиксацию универсально¬
го домика и воронки для аэрозольных фильтров.
Д40
Рис. 3
Подложки используют при исследовании сыпучих веществ
(КС1, К2СО3) и измельченных горных пород. Они изготовлены в
виде дисков из плексигласа и имеют в центре углубления диа¬
метром 15 мм и глубиной 1—3 мм. В эти углубления помещают
исследуемые объекты для определения их радиоактивности.
При помощи предлагаемого радиометра и приспособлений
можно осуществить различные опыты по радиоактивности и фи¬
зике атомного ядра. Назовем некоторые из них.
1. Определение естественного фона, учитываемого во всех
экспериментах.
2. Обнаружение в воздухе продуктов распада радона и изу¬
чение закона радиоактивного распада. Для эксперимента ис¬
пользуют радиометр, пылесос, воронку с фильтром АФА, секун¬
домер. Прокачивание воздуха производят в течение 10 мин.
3. Определение энергии p-излучения по толщине слоя поло¬
винного ослабления его листками поглотителя из алюминиевой
фольги. В эксперименте применяют радиометр, универсальный
домик, весы, алюминиевую фольгу.
4. Изучение закономерностей отражения р-частиц от поверх¬
ности металлов и их сплавов. В эксперименте используют радио¬
метр, блок-отражатель, источник ионизирующих излучений с изо¬
топом Т1-204 (500—1000 расп/с), пластинки металлов или их
сплавов в виде дисков толщиной 2,5—4,0 мм. Блок-отражатель
141
*4508
5
-48 В
9
Вход
10
Выход 1
г
Корпус
1
Ырос
8
-56 В
7
Рис. 4
Рис. 5
обеспечивает такие условия для источника излучения и отража¬
теля, ери которых отраженные р-частицы направляются к детек¬
тору ядерных излучений. В эксперименте исследуется зависи¬
мость коэффициента отражения р-частиц от заряда ядра атома
и толщины исследуемого металла. В результате можно опреде¬
лить процентный состав бинарных сплавов.
142
5. Определение радиоактивности горных пород, почв, солей
калия и вида радиоактивных излучений исследуемых образцов.
В эксперименте применяют радиометр, универсальный- домик,
подложки, экраны из ватмана и алюминиевой фольги.
Модель делают из доски размером 500X500 мм. На ней
устанавливают 4 катушки размером 60X70X50 мм, на каждую
из которых наматывают провод ПЭЛ-0,15-0,20 до заполнения
каркаса.
Общий вид модели показан на рисунке 1.
«Ускоряемой частицей» служит стальной шарик диаметром
15 мм, который катится по направляющим рельсам. Последние
выполняют из медной проволоки диаметром 4 мм. Их устанав¬
ливают с помощью стоек из той же проволоки. Расстояние меж¬
ду направляющими рельсами выбирают таким, чтобы шарик
свободно катился, погружаясь примерно на 1/3 диаметра.
Катушки соединяют между собой последовательно. В разрыв
цепи включают направляющие рельсы. Последние окрашены
краской, кроме участков перед катушками. Электрическая схема
прибора приведена на рисунке 2.
Когда шарик находится перед катушкой, он замыкает'цепь и
втягивается в эту катушку. Попадая на окрашенную часть, ша¬
рик размыкает цепь и продолжает движение по инерции до тех
пор, пока не попадет на оголенную часть перед следующей ка¬
тушкой, втягивается в нее и т. д. Шарик ускоряется до тех пор,
Л. В. Сенин
(Коми АССР, г. Печора)
МОДЕЛЬ СИНХРОФАЗОТРОНА
пока не соскакивает с
0
0
рельсов.
(Внимание! Нельзя
касаться . полозьев и ша¬
рика при включенном
приборе.)
0
Рис. 1
Рис. 2 ,
143
АСТРОНОМИЯ
Е. И. Ковязин, В. Н. Шиляев
(г. Киров)
ПРОСТЕЙШИЙ ШКОЛЬНЫЙ АСТРОГРАФ
Действующая школьная программа по астрономии акценти¬
рует внимание учащихся на изучение звездной астрономии и аст¬
рофизики. Важное место среди вопросов этой части курса зани¬
мает знакомство с методами современной астрофизики. В настоя¬
щее время одним из наиболее широко используемых методов
является астрофотография. Опыт показывает, что в условиях со¬
временной средней школы возможно углубленное знакомство
школьника с астрофотографией, тем более что приборы школь¬
ного кабинета физики и астрономии позволяют ставить практи¬
ческие работы по фотографированию звездного неба. Это может
быть осуществлено в рамках факультатива или на занятиях аст¬
рономического кружка.
Простейшие работы по астрофотографии можно ставить, ис¬
пользуя негидируемые малоформатные камерых. Однако более
интересные результаты могут быть получены с помощью гидируе-
мых астрографов.
В кабинете- астрономии Кировского государственного педаго¬
гического института им. В. И. Ленина была разработана про¬
стейшая конструкция школьного астрографа для фотографирова¬
ния звездного неба малоформатными фотокамерами. При ее раз¬
работке мы исходили из того, что экваториальная установка
должна быть простой, мобильной, не требовать точной и про¬
должительной настройки; гидирование должно осуществляться
автоматически.
С этой целью в рамках астрономического кружка была по¬
ставлена серия специальных экспериментов, определяющих оп¬
тимальные характеристики экваториальной установки малофор¬
матного астрографа. Так, при определении оптимальной продол¬
жительности экспозиции, а значит, и времени работы гидирую-
щего механизма было найдено, что при использовании серийных
фотопленок 90—250 ед. ГОСТа и светосильных объектов увели¬
чение экспозиции с 5 до 8—10 мин не дает заметного выигрыша
в предельной звездной величине получающихся на фотографии
звезд. Более того, в условиях населенного пункта это приводит 11 См.: Корякина Е. А. Фотографирование неба малоформатными ка¬
мерами.— Физика в школе, 1968, № 1.
144
к повышению плотности вуали на снимке. Такие результаты объ¬
ясняются тем, что объективы малоформатных фотокамер, как
правило, имеют большие светосилы, а значит, и малые предель¬
ные экспозиции. Кроме того, серийные фотопленки очень резко
снижают свою чувствительность при увеличении времени экспо¬
зиции.
Поэтому при разработке экваториальной установки школьно¬
го астрографа, предназначенного для фотографирования звезд¬
ных полей, оказалось достаточно (с некоторым запасом) десяти¬
минутной экспозиции.
Учет высказанных выше соображений и результатов прове¬
денных экспериментов позволил нам рекомендовать следующую
простейшую конструкцию школьного астрографа.
Общий вид астрографа показан на рисунке 1. Фотокамеру
закрепляют с помощью струбцинки 2 на подвижной плате 3, ко¬
торая вращается вокруг оси 4. При вращении подающего вин¬
та 5, осуществляемого электродвигателем 6 (типа ДСД-2), ножи
7 и 8 скользят по резьбе винта 5 и перемещают плату 3. Боль¬
шую сторону основания ориентируют в направлении «север—*
юг», а угол между плоскостью горизонта и плоскостью подвиж¬
ной платы делают равным (90°—ф), где ф — широта места, по¬
этому ось 4 фактически совпадает с осью мира, а плоскость
платы 3 с плоскостью небесного экватора.
10 Заказ № 3657
145
Рис. 1
В зависимости от скорости
вращения электродвигателя и
шага подающего винта можно
рассчитать радиус вращения под¬
вижной платы таким образом,
чтобы угловая скорость состав¬
ляла 1 оборот в звездные сутки.
В сконструированном нами элек¬
тродвигателе угловая скорость
2 об/мин, а шаг подающего вин¬
та 0,5 мм. Легко показать, что
в этом случае расстояние от оси
винта 5 до оси 4 (т. е. радиус
вращения платы 3) должно быть
22 8 мм.
Поскольку рекомендуемая
продолжительность экспозиций
невелика, увеличение радиуса
вращения за время экспозиции
Рис. 2 незначительно и практически не
сказывается на точности гидиро-
вания. Эксперимент показал, что для проведения работы с та¬
ким астрографом необходима некоторая предварительная кор¬
ректировка значения радиуса вращения подвижной платы,
которую осуществляют перемещением угольников 9.
После окончания экспозиции переместившиеся ножи 7 и 8 пе¬
реводят в первоначальное положение, чтобы прибор был снова
готов к работе.
Как известно, малость фокусных расстояний объективов се¬
рийных малоформатных камер значительно снижает требования
к точности установки и гидирования такого астрографа. Допу¬
стимая ошибка установки по азимуту зависит от фокусного рас¬
стояния используемого объектива. Для наиболее распространенных
объективов с F — 50 мм она не менее 4—5°. Допустимая ошибка
установок астрографа по широте очень сильно зависит от обла¬
сти небосвода, в которой находится снимаемый объект. Она мак¬
симальна при фотографировании кульминирующих светил и ми¬
нимальна для восточной и западной частей небосвода.
Специально поставленные эксперименты показали, что исполь¬
зование уровня (для установки основания в плоскости матема¬
тического горизонта) и компаса (для ориентации основания с
учетом магнитного склонения вдоль по меридиану) вполне доста¬
точно для быстрой настройки и нормальной работы.
Описанный прибор позволяет получать хорошие по качеству
изображения звезд до. 10—12 звездной величины. В то же вре¬
мя конструкция его экваториальной установки достаточно про¬
ста.
В качестве примера приведем несколько экспериментальных
работ, которые были поставлены нами как небольшие исследо¬
146
вания в рамках астрономического кружка, изучающего основы
современной астрофотографии.
1) Определение рабочих полей различных типов фотообъекти¬
вов при разных значениях диафрагм. (Здесь следует отметить,
что указываемые в паспортах поля зрений объективов не могут
быть приняты за исходные при создании, например, звездного
атласа; изображения звезд по краям негативов обычно сильно
искажены комой.)
2) Создание фотографического зврздного атласа.
3) Исследование допустимых ошибок установки школьного
астрографа по азимуту и по высоте.
4) Получение снимков Плеяд (рис. 2) галактики Андромеды,
шарового скопления М13 и других объектов.
5) Получение снимков переменной звезды в различных фазах
блеска.
А. К. Муртазов
(г. Рязань)
ЭЛЕКТРОФОТОМЕТР
В работе описан электрофотометр с применением объектива
МТО-ЮООА и школьного усилителя постоянного тока. Прибор
прост по конструкции, легко регулируется, что позволяет реко¬
мендовать его для применения в школьных астрономических
кружках.
С его помощью можно проводить фотометрические наблюде¬
ния Луны и участков ее поверхности при разных фазах, а также
при лунных затмениях, вести фотометрию планет и ярких пере¬
менных звезд.
Блок-схема фотометра представлена на рисунке 1. Прибор со¬
стоит из объектива 1, к которому пристыкован блок с диафраг¬
мой 2, поисковым окуляром 3, линзой Фабри 4 и фотоумножите¬
лем 5. Отдельно вынесены источник высокого напряжения 6
для питания фотоумножителя, источник питания 7 усилителя,
школьный усилитель постоянного тока 8 и измерительные при¬
боры 9. Общий вид фотометра и регистрирующих приборов по¬
казан на рисунке 2.
В качестве объектива к фотометру используют телеобъектив
МТО-ЮООА с фокусным расстоянием 1084 мм и диаметром
103 мм. Алюминиевая труба, в которой находится фотоумножи¬
тель, соединяется с объективом при помощи переходного кольца.
На рисунке 3 показано крепление фотометра на телескопе
АВР-3.
Диафрагмой, ограничивающей поле зрения фотометра, слу¬
жит диафрагма от фотоаппарата «Смена», имеющая минималь¬
ное отверстие диаметром 2 мм. Цоводок для управления ею вы¬
веден на корпус фотометра и позволяет менять поле зрения при¬
бора от минимального (6') до максимального (40').
10*
147
В качестве поискового окуляра применяют школьный микро¬
скоп с увеличением 15х.
Назначение линзы Фабри состоит в том, чтобы создать на
фотокатоде фотоумножителя изображение объектива, равномер¬
но освещенного наблюдаемым светилом. Параметры линзы Фаб¬
ри можно рассчитать по формулам, приведенным в книге
В. П. Цесевича «Переменные звезды и способы их исследования»
(М., Педагогика, 1970, с. 190), если известно фокусное расстоя¬
ние объектива и диаметр фотокатода фотоумножителя.
В описываемом электрофотометре применяют фотоумножи¬
тель ФЭУ-86 с диаметром фотокатода 10 мм и напряжением пи-
Рис. 3
тания 1000 В. Он размещен
в кольце из оргстекла и эк¬
ранирован от влияния маг¬
нитных полей. На том же
кольце находится панелька
с делителем напряжения.
Школьный усилитель по¬
стоянного тока собран по
мостовой схеме, коэффици¬
ент усиления его по току
равен 30. Питается прибор
от любого источника посто¬
янного напряжения 4,5 В.
Измерительными прибо¬
рами служат стрелочные
приборы М45м, М494 с на¬
бором шунтов, что позволя¬
ет регистрировать силу тока
от 100 мкА до 7,5 мА.
Электрофотометр с объ¬
ективом можно установить
на любом штативе, жела¬
тельно с экваториальной
установкой. Для этой цели
подходит экваториальная
установка 80-миллиметрово-
го школьного рефрактора,
причем сам телескоп мож¬
но использовать в качестве
гида; грубое наведение на
объект осуществляется с
помощью телескопа, точ¬
ное— когда объект попада¬
ет в поле зрения окуляра
фотометра.
После изготовления фо¬
тометра выбирают опти¬
мальное напряжение пита¬
148
ния фотоумножителя й про¬
веряют линейность усили¬
теля.
Для выбора оптималь¬
ного напряжения питания
фотомер наводят на какую-
либо звезду, планету или
участок лунной поверхно¬
сти. Изменяя напряжение,
подаваемое источником пи¬
тания на фотоумножитель,
регистрируют ток на выходе
усилителя. Измеряют фон
неба, темновой ток (изме¬
рение производят при за¬
крытом крышкой объективе
фотометр а). Положение
объекта в диафрагме перио¬
дически контролируют в поисковый окуляр. По результатам из¬
мерений строят график зависимости тока / на выходе усилителя
от приложенного к фотоумножителю напряжения U (рис. 4). Из
графика видно, что, начиная с некоторых значений напряжения,
ток на выходе усилителя почти не меняется (режим насыщения).
Соответствующее режиму насыщения значение напряжения мож¬
но выбрать за оптимальное рабочее напряжение питания фото¬
умножителя. Тогда изменение показаний регистрирующего при¬
бора будет происходить не из-за случайного изменения напряже¬
ния на фотоумножителе, а за счет изменения светового потока
от наблюдаемого объекта.
Для проверки линейности прибора наблюдают несколько
звезд разного блеска, имеющих по возможности одинаковые зе¬
нитные расстояния (в противном случае придется учитывать раз¬
личие в атмосферных массах). Каждый раз регистрируют воз¬
никающие при этом фототоки. Как известно, возникающий в фо¬
тоумножителе ток пропорционален падающему световому пото¬
ку. Разность звездных величин двух звезд тх и тъ которые вы¬
зывают фототоки i{ и i2, равна:
\т = т{—т2 = 2*51g ,
Ч —fa
Рис. *4
где *т — темновой ток.
Если построить график зависимости звездных величин от ло¬
гарифмов соответствующих им токов, то получится прямая ли¬
ния, точка пересечения которой с осью ординат покажет предель¬
ную звездную величину, доступную для регистрации данным
фотометром и усилителем.
149
ВНЕКЛАССНАЯ РАБОТА
А. С. Холод
(г. Ленинград)
ДЕМОНСТРАЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
Для облегчения - усвоения вопросов, связанных с изучением
относительности движения в СКВ ЛГПИ им. А. И. Герцена,
разработан комплект приборов, который на Всесоюзном конкур¬
се учебных пособий был рекомендован для самостоятельного
изготовления в школьных мастерских.
Ниже приведены описания этих приборов и примерная ме¬
тодика их использования.
Прибор для демонстрации точек отсчета
и сложения перемещений, ^направленных по одной прямой
Общий вид прибора показан на рисунке 1. Он состоит из
двухколесной тележки с подвижными фигурами и осью коорди¬
нат, изображающей точку отсчета, связанную с тележкой; на¬
правляющей планки с осью координат, изображающей точку от¬
счета, связанную с Землей; двух подставок, которые можно уста¬
навливать на лабораторном столе или подвешивать к классной
доске.
Корпус тележки (рис. 2) изготовляют из досок, фанеры или
декоративного пластика в виде ящика без дна. Крышкой ящика
служат четыре рейки (или лучше четыре дюралевых угольника
ГОХЮ мм), скрепленные так, чтобы между ними остались сквоз¬
ные пазы шириной 5 мм. На переднюю стенку тележки наносят
шкалу с сантиметровыми делениями. В на¬
чале и конце ее прикрепляют держатели для
«оси координат» (рис. 3), сделанные из же-
150
Рис, 2
сти. В середине имеется планка для перемещения тележки ру¬
кой. Колеса тележки (рис. 4) представляют собой двухступен¬
чатые блоки, выполненные из листового дюраля и дерева. Оси к
ним вытачивают из мягкой стали или дюраля. Заднее (на рис. 1
левое) колесо плотно насаживают на ось, на ее конец прикреп¬
ляют ручку, позволяющую вращать колесо. Переднее (на
рис. 1 правое) колесо может свободно поворачиваться на своей
оси, последнюю крепят гайкой в корпусе тележки.
После установки обоих колес в корпус между ними натяги¬
вают два шнура (из толстого шпагата, звонкового провода, ви-
нипластовой полоски и т. д.), к которым крепят четыре стойки
так, как показано на рисунке 5. Стойки изготавливают из жести
(рис. 6). Стойку 2 желательно прикрепить к шнуру таким обра¬
зом, чтобы ее можно было перемещать вдоль него. Верхние час¬
ти стоек 1 и 2 должны проходить через крайние пазы в крышке
тележки, а стоек 3 и 4 — через средний паз. В верхние части сто¬
ек вставляют фигурки людей (рис. 7) или автомашин, которые
вырезают из тонкой (2 мм) фа-
неры, пластика, дюраля или жес¬
ти. Для лучшего движения фигу¬
рок в верхней части стоек мо¬
гут быть поставлены направляю¬
щие ролики (см. рис. 6).
Направляющая деревянная
планка и подставки к ней пока¬
заны на рисунке 8. В задней
торцевой части планки (по кон¬
цам и в середине планки) вы¬
сверливают отверстия, в которые
вставляют проволочную стойку
(рис. 9) для подвешивания «оси
координат». Рис, 3
154
Корпус тележки (если он сделан из дерева), а также планку,
подставку, фигурки и «оси координат» следует покрасить. При
движении тележки с, фигурками по планке стойки должны пере*
мещаться плавно (если этого не происходит, надо слегка согнуть
и отрегулировать стойки 1—4).
Рис. 4
Рис. 5
Стойка
1
г
3
4
Размеры
15
40
130
95
Рис. 6
152
Рис. 7
Рис. 8
При движении тележки фигурки, вставленные в стойки 1 и
3, перемещаются со скоростью, равной скорости тележки, но в
противоположных направлениях. Фигурки, вставленные в стойки
2 и 4, также движутся навстречу друг другу, но со скоростью,
в 1,5 раза меньшей скорости тележки.
Демонстрации проводят в такой последовательности.
Начинают с наиболее простого движения фигурок относитель¬
но неподвижной тележки при начальном смещении, равном ну¬
лю. Для этого на стол помещают подставки, на них — тележку
так, чтобы она опиралась на подставки своими краями. Вращая
ручку левого колеса, стойки располагают в крайних положени¬
ях. В стойки 1 и 2 вставляют
фигурки. На переднюю часть
шкалы подвешивают «ось ко¬
ординат» и смещают ее так,
чтобы вертикальная ось совпа¬
ла с фигурками.1 Передвигают
последние, вращая ручку, и'
предлагают ученикам опреде¬
лить модуль и направление
перемещения фигурок относи¬
тельно точки отсчета.
Затем видоизменяют опыт:
располагают фигурки в раз¬
личных стойках, вводят на¬
чальное перемещение s0, пере¬
153
ставляют «оси координат» в конец шкалы и в каждом случае оп¬
ределяют модуль и направление перемещений фигурок.
Прибор можно использовать при рассмотрении понятия ско¬
рости движения. Одновременно в начале и конце движения фи¬
гурок запускают и останавливают демонстрационный секундо¬
мер. По полученным данным ученикам предлагают определить
модуль и направление скорости движения фигурок относительно
точки отсчета.
.Следующее задание: найти место встречи фигурок; вставлен¬
ных в стойки 1 и 4 (или 2 и 3), если начальные смещения рав¬
ны нулю (либо они равны s{ и s2). При этом нужно указать, что
фигурки, вставленные в стойки 2 и 4, перемещаются со скоро¬
стью, в 1,5 раза меньшей, чем фигурки, вставленные в стойки 1 и
3. Затем решают задачу на определение места, где одна фигур¬
ка догонит другую. (Предварительно следует фигурки вставить
в стойки / и 2, причем последнюю сместить по шнуру вправо на
некоторое расстояние.) Правильность решения задач проверяют
экспериментально.
Когда ученики хорошо усвоят такие понятия, как точка от¬
счета, модуль и направление перемещения, начальное смещение,
и формулу s=s0-\-vt, можно продемонстрировать более сложное
движение относительно подвижных и неподвижных точек от¬
счета. Для этого в классную доску вбивают два гвоздика, под¬
вешивают к ним подставки, на которые кладут направляющую
планку с осью координат, а на планку помещают тележку со
своей «осью координат» и с фигурками.
Как и в первом случае, вначале рассматривают наиболее про¬
стой случай движения: «ось координат» планки, «ось координат»
тележки и фигурки, вставленные в стойки 1 я 2, совмещены, т. е.
начальные смещения равны нулю. Передвигают тележку вправо
на некоторое расстояние (слегка прижимая ее к планке). При
этом фигурки переместятся по тележке на разные отрезки. Пред¬
лагают ученикам определить и записать численные значения
перемещений тележки и фигурок относительно точки отсчета,
связанной с тележкой, и точки отсчета, связанной с планкой.
Затем переставляют фигурки в другие стойки, изменяют по¬
ложения «осей координат», вводят начальные смещения и дают
ученикам то же задание. Результаты каждого опыта записывают.
Совместно с учениками проводится анализ полученных данных.
Ученики приходят к выводу, что если тело участвует в двух дви¬
жениях, направленных по одной прямой, то общее перемещение
тела равно сумме перемещений, создаваемых движениями.
Легко показать, что аналогичное правило имеет место и в
том случае, если тело участвует в трех движениях. Для этого с
помощью пластйлина к классной доске прикрепляют третью
«ось координат». Передвигают тележку по планке и планку по
подставкам. Получают три перемещения (планки относительно
. доски, тележки относительно планки и фигурки относительно
154
тележки), сумма которых равна общему перемещению фигурки
относительно доски.
Здесь ученики VIII класса впервые сталкиваются с замеча¬
тельным принципом наложения (принципом суперпозиции), и на
это нужно обратить их внимание. Сложное движение фигурки (но
тележке, вместе с тележкой и вместе с планкой) можно считать
состоящим из трех независимых друг от друга движений и общее
перемещение определить как сумму трех независимых переме¬
щений планки относительно доски, тележки относительно планки
и фигурки относительно тележки за одно и то же время. Тогда
£об“ (^п"Т^т~Ь^ф) t.
Полезно обратить внимание учащихся на следующий частный
случай: если тело участвует в двух движениях, которые проис¬
ходят по одной прямой с равными, но противоположно направ¬
ленными скоростями, то суммарное перемещение тела равно ну¬
лю, т. е: тело находится в покое относительно неподвижной точ¬
ки отсчета. Это легко показать на опыте.
Вставляют фигурку в стойку 5, напротив нее располагают
ось координат, связанную с планкой, и перемещают тележку
вправо. Показывают, что тележка относительно этой оси коор¬
динат движется вправо, фигурка относительно тележки переме¬
щается с такой же скоростью влево, а относительно оси коорди¬
нат остается неподвижной. На основании этого опыта с учени¬
ками можно рассмотреть (на модели) кинематику движения раз¬
личных машин на гусеничном ходу (экскаваторы, танки, везде¬
ходы) .
Прибор для демонстрации сложения перемещений,
направленных под углом друг к другу
Прибор (его схема показана на рис. 10) состоит из корпуса 1
и двухколесной тележки 2. Внутри корпуса находятся два бло¬
ка: верхний 3, свободно вращающийся, и нижний 4, неподвижно
скрепленный с осью, на конце
которой находится ручка 5. Меж¬
ду блоками натянут шнур 6, к
которому крепят ползун 7; в него
вставляют мел или карандаш.
При- вращении нижнего блока
ползун перемещается в пазах <§,
вырезанных в стенках корпу¬
са U Корпус 1 может поднимать¬
ся, опускаться, поворачиваться
вправо или влево относительно
тележки 2. Положение корпуса
относительно тележки фиксиру¬
ется винтом 9 с двумя барашка¬
ми. Для перемещения прибора
на передней стенке корпусакре-
155
пят неподвижную ручку, на задней стенке вверху — легко¬
подвижный резиновый ролик для упора корпуса о классную
доску.
Стенки корпуса (рис. 11), переднюю и заднюю стенки тележ¬
ки (рис. 12) вырезают из фанеры, декоративного пластика или
листового дюраля. Для соединения стенок корпуса и стенок те¬
лежки служат упоры, выточенные из стали (рис. 13). Они же
являются осями верхнего блока и осями колес тележки (на
рис. 13 показаны фиксирующий винт и ось нижнего блока с руч¬
кой). Колеса для тележки вытачивают из дерева, блоки выре-
156
Рис. 13
зают из фанеры и дюраля (рис. 14). На рисунке 15 показан
ползун. Его изготавливают из деревянной бобышки с двумя
пластинами из дюраля. К петлям ползуна привязывают натя¬
нутый через блоки шнур, а в отверстие вставляют * карандаш.
(В качестве карандаша лучше всего использовать нижнюю часть
шариковой ручки; выступаю¬
щий стержень с шариком за¬
меняют кусочком фетра, ко¬
торый смачивают чернилами
для авторучки.)
Демонстрацию производят
следующим образом. К класс¬
ной доске прикладывают лист
бумаги и подвешивают две
подставки, на которые кладут
направляющую планку, как
это делалось ранее для те¬
лежки с фигурками. Корпус
прибора поднимают вверх от¬
носительно тележки, распола¬
гают строго вертикально и за¬
жимают барашками. Враще¬
нием ручки нижнего блока ка¬
рандаш устанавливают в ниж¬
нее положение. После этого
прибор ставят на планку.
Удерживая тележку левой ру¬
кой неподвижно, правой рукой
вращают ручку нижнего бло¬
ка по часовой стрелке (до упо¬
ра). При этом ползун будет
двигаться вверх, а карандаш
запишет его траекторию в ви¬
де вертикальной линии. По¬
следняя и будет представлять
собой перемещение ползуна
относительно корпуса.
157
Вращением ручки против часовой стрелки возвращают ка¬
рандаш в нижнее положение. Не трогая ручки нижнего блока,
передвигают тележку вправо по планке на расстояние, равное
длине полученной вертикальной линии (это расстояние жела¬
тельно заранее отметить). При этом карандаш запишет горизон¬
тальную линию, которая явится перемещением ползуна вместе
с корпусом и тележкой относительно доски.
Затем снимают прибор с планки, опускают корпус вниз от¬
носительно тележки и зажимают его барашками. Карандаш пе¬
редвигают в нижнее положение. Устанавливают прибор на план¬
ку так, чтобы карандаш оказался в исходной точке пересечения
полученных прямых линий. Слегка прижимая корпус прибора
вниз и к доске, передвигают тележку вправо. При этом нижний
блок, касаясь планки, будет катиться по ней, карандаш запи¬
шет наклонную траекторию движения ползуна, который в этом
случае одновременно движется и вдоль корпуса, и вдоль планки.
Таким образом, получают три вектора перемещения и убеж¬
даются, что суммарный вектор перемещения ползуна направлен
по диагонали прямоугольника, построенного на перемещениях,
создаваемых каждым из взаимно перпендикулярных движений.
В такой же последовательности демонстрируют сложение пе¬
ремещений, направленных под острым и тупым углами. При не¬
котором навыке такие записи можно производить в течение не¬
скольких минут.
На основании этих опытов формулируют правило сложения пере¬
мещений, создаваемых двумя независимыми движениями, направ¬
ленными под углом друг к другу (правило параллелограмма).
Следует подчеркнуть, что и в данном случае имеет место
принцип наложения (суперпозиции), поскольку сложное переме¬
щение ползуна, одновременно участвующего в двух движениях,
можно рассматривать как результат геометрического сложения
перемещений, создаваемых двумя независимыми движениями от¬
носительно корпуса прибора и относительно доски.
В. П. Орехов
(г. Рязань)
ПРОСТЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ДВИЖЕНИЯ И СЛОЖЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Для демонстрации относительности движения и сложения пе¬
ремещений, направленных по одной прямой, служит подвижная
тележка (рис. 1) длиной ~70—80 см. Особенностью ее устрой¬
ства является трехступенчатый шкив 1 (его вид показан на
рис. 2), плотно насаженный на ось 00' с одной парой колес 2.
Диаметры ступеней шкива а, б, в относятся как 3:2:1. Диаметр
колес равен диаметру средней ступени шкива (~4 см). В обо-
дах колес выточены желобки. Тележка перемещается, как по
рельсам, по уголкам 3 (в качестве последних можно использо¬
вать лабораторные желоба, выпускаемые Главучтехпромом).
158
Платформу тележки изготавливают из доски шириной
~ 12 см. На платформу помещают плашку с фигуркой идущего
человека. К плашке привязывают нить 4> которую, переки¬
нув через ролик 5, наматывают на одну из ступеней шки¬
ва 1.
На демонстрационном столе и платформе ставят указатели
6 я 7. Тележку приводят в движение при помощи заводной иг¬
рушки, падающего груза, привязанного к нити, перекинутой че¬
рез блок, или просто от руки. Когда тележка перемещается
вправо (если смотреть на рис. 1), нить наматывается на шкив
по часовой стрелке, когда влево — против часовой стрелки. Для
того чтобы закрыть плашку, к торцу тележки сбоку можно при¬
крепить полоску фанеры; на ней и желобах следует нанести де¬
ления. Перемещая тележку, можно показать, . что s=s0-\-s
где s — перемещение «человека» в неподвижной системе ко¬
ординат, связанной с демонстрационным столом, s0 — перемеще¬
ние подвижной системы координат (тележки) относительно сто¬
ла и s'— перемещение «человека» относительно тележки. При
^ —* —* —>
движении тележки вправо s=s0+s'. При движении ее влево
5 =s/—s0. В этом случае (если нить наматывается на ступень в
шкива) «человек» смещается влево от указателя б, поскольку
Рис. 2
159
|so|>|s'|. При использовании ступени а
шкива «человек» смещается вправо/ по¬
скольку I So I < I s' I.
Особый интерес у учащихся вызывает
случай, когда применяется ступень б шки¬
ва. В этом случае «человек» перемещается
относительно тележки, но покоится отно¬
сительно демонстрационного стола: |s0| =
== | s' |; s = 0.
Для демонстрации сложения перемеще¬
ний, направленных под углом, служит
планшет (рис. 3). Его пример¬
ный размер 60x60 см. План¬
шет изготавливают из листа
плексигласа или многослойной
фанеры. В нем делают три
прорези 1—3 шириной при¬
мерно 2 см и три отверстия
такого же диаметра. В ле¬
вом углу укрепляют блок 7.
На планшете чертят оси ко¬
ординат. Для удобства ра¬
боты с планшетом к нему
приделывают ручку 8. В про¬
резь, например, 3 и располо¬
женное под ней отверстие 6
вставляют специальные дер¬
жатели с мелом (рис. 4).
Держатель состоит из закрытой с одной стороны трубки 1,
в которую вставлена винтовая пружина 2. К торцу трубки при¬
паивают кольцо 3 из жести. В трубку вставляют кусок мела 4.
(Трубку желательно подобрать такую, чтобы в нее свободно
входил цветной мелок, для этой цели удобны ружейные гильзы
12-го и 16-го калибра.) Если планшет плотно прижать к класс¬
ной доске, он давит на кольцо 5, в результате пружина 2 обес¬
печивает нужный для хорошей записи нажим мела. К держа¬
телю, вставленному в прорезь, желательно припаять петельку 5
из проволоки для привязывания нитц. Можно также изготовить
кольцо 6 с прорезью, чтобы обеспечить лучшее крепление дерг
жателя на планшете (в том числе и при его хранении; рис. 5).
Планшет прикладывают к классной доске. Привязывают к
держателю 9, вставленному в прорезь 3 (см. рис. 3), нитью, ко¬
торую перекидывают через блок 7 и прикрепляют к доске сле¬
ва или справа от планшета. Затем передвигают планшет в со¬
ответствующую сторону по доске. Перемещающийся с помощью
нити держатель 9 вычерчивает траекторию движения тела в
неподвижной системе координат, а держатель в прорези б —тра¬
екторию движения точки начала отсчета подвижной системы от¬
носительно неподвижной. Аналогичные опыты проводят, исполь¬
зуя прорези / и 2 и отверстия 4 и 5.
160
Рис. 4
Рис. 5
Прибор позволяет также провести с учащимися серию уп¬
ражнений по сложению и вычитанию векторов.
Прибор можно изготовить на занятиях физико-технического
кружка.
Л. Муталуп
(Андижанская обл.,
Ходжаабадский р-н)
ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
При изучении электрических цепей и повторении материала
о теплопроводности веществ можно показать явление теплопро¬
водности с помощью простого прибора, изображенного на рисун¬
ке 1. Такой прибор сделали члены физического кружка нашей
школы.
В верхнем основании прибора просверлен ряд отверстий, .в
которые вставляют патроны для ввинчивания ламп 1 (на 3,5 В).
Лампы соединяют между собой так, как показано на схеме
(рис. 2), причем частью электрической цепи служат два метал¬
лических стержня АВ и CD, сделанные из разных металлов
(например, медный и алюминиевый или железный и алюминие-
1 г j
Рис. 1
11 Заказ № 3657
161
вый), но имеющие одинаковые геометрические размеры. Стерж¬
ни на одном конце имеют резьбу для ввертывания их в гнезда 2
боковых стоек прибора (см. рис. 1). Этими концами они упира¬
ются в контактные пружины 3.
До начала опыта стержни покрывают парафином (опускают
в пробирки с расплавленным парафином, а затем вынимают).
Собрав прибор, в пространство между стержнями вносят
пламя спиртовки, концы их нагреваются, при этом тепло, рас¬
пространяясь постепенно вдоль стержней, плавит парафин, что
приводит к замыканию цепи электрических ламп. Последова¬
тельность включения ламп свидетельствует о разной теплопро¬
водности различных металлов.
Г. И. Чебыкин
(Свердловская обл.,
г. Полевской)
ПРИБОР ДЛЯ ПОКАЗА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПРЯМОГО ТОКА С МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Прибор (см. рис.) состоит из основания 1, подвижной 2 и не¬
подвижной 3 стоек, двух подъемных столиков-штативов, двух
упругих контактных пластин 5, четырех постоянных магнитов 6,
розетки 7 щнабора проводников с большим удельным сопротив¬
лением. Кроме того, для проведения опытов и демонстраций
нужно использовать автотрансформатор с плавной регулировкой
напряжения, вольтметр и амперметр переменного тока. Удобно
пользоваться школьным регулятором напряжения или распреде¬
лительным электрощитом.
Основание 1 прибора изготовлено из доски размером
1400X180X22 мм с двумя подставками на торцах. В основании
выпилены два продольных направляющих паза шириной 20 мм и
длиной 1100 и 800 мм. Подвижная и неподвижная стойки слу¬
жат для крепления упругих контактных пластин. Одновременно
они изолируют питающий проводник и обеспечивают необходи¬
мое натяжение исследуемого проводника. Они состоят из латун¬
ных втулок с фланцами, винипластовых оснований, эбонитовых
стоек, латунных контактных головок и двух зажимных винтов.
Неподвижная стойка 3 укреплена на доске, а подвижная 2 мо¬
жет перемещаться вдоль паза. Для устранения поперечных сме¬
щений снизу основания стойки укреплена винипластовая пласти¬
на шириной 18 мм. На ее боковой стороне смонтирована упру¬
гая контактная пластина. Для фиксации стойки применены
зажимные винты.
Подъемные столики-штативы служат для установки постоян¬
ных магнитов. Они состоят из латунных трубок с фланцами, ви~
иипластовых оснований, * фанерных площадок и зажимов. На
каждом столике при помощи алюминиевых полосок укреплено
162
в
по два подковообразных магнита. Столики вместе с магнитами
можно поворачивать, поднимать, убирать. Основания обоих шта¬
тивов могут перемещаться вдоль паза и фиксироваться в нуж¬
ном положении.
Упругие контакты 5 длиной 60—120 мм вырезают из жести
или тонкой латунной полоски. Один конец сворачивают в труб¬
ку, вставляют в головку стойки и фиксируют зажимным винтом,
другой срезают на конус и подгибают.
Исследуемый проводник (из материала с большим удельным
сопротивлением) крепят к пружинящим контактам. Питание от
регулятора напряжения подают на розетку (ее контакты соеди¬
нены с головками проводником, положенным в пазы основания
и в осевые отверстия стоек).
Работа с прибором. Для проведения демонстраций и
опытов прибор устанавливают на демонстрационном столе вбли¬
зи источника регулируемого напряжения. Расстояние между
стойками должно быть ~ 1 300 мм. Столики с магнитами опу¬
скают в нижнее положение. К изгибам контактных пластин
крепят проводник диаметром 0,09—0,20 мм из нихрома. На ро¬
зетку подают небольшое переменное напряжение. Проводник
слегка нагревается и провисает. Подвижную стойку плавно пе¬
ремещают вдоль паза, увеличивая натяжение проводника. В этот
момент становятся заметными вибрации проводника (пляска).
Увеличивая натяжение и плавно изменяя напряжение, мож¬
но добиться образования стоячих волн с небольшой ампли¬
тудой.
Поднимают столики с магнитами и устанавливают их так,
чтобы проводник оказался между полюсами. При этом возника¬
ют стоячие волны, хорошо видимые большой аудитории. В за¬
темненном помещении явление вызывает красивый зрительный
эффект: ярко светятся узлы; пучности (вследствие охлаждения)
еле заметны.
11*
163
При подаче на проводник пульсирующего напряжения наблю¬
дают односторонние механические воздействия на проводник:
пульсирующее втягивание или выталкивание (в зависимости от
положения магнитов). Стоячие волны не наблюдаются. Если на
проводник подать постоянное напряжение, то никаких колебаний
не происходит. При изменении полярности магнитов можно по¬
лучить колебания в одной плоскости или крутильные. В этом
случае очертания волн напоминают плазменный шнур.
Число пучностей и амплитуда стоячих волн зависят от силы
тока, натяжения проводника, температуры, взаимного располо¬
жения магнитов, магнитной индукции, упругости пластин, пара¬
метров проводника (длины, сечения, удельного сопротивления).
, * Примечания. 1. В конструкции прибора желательно не применять
ферромагнитных материалов.
2. Для плавной регулировки натяжения проводника можно использовать
микровинт.
3. На основании прибора можно укрепить вторую розетку, соединенную
с первой последовательно. Она нужна для включения амперметра и для удоб¬
ного включения прибора с любой стороны. Если амперметр не подключать,
то вторую розетку можно замкнуть вилкой, закороченной предохранителем
на 2—4 А. '
ПРИБОР ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СИЛЫ,
ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ЭЛЕМЕНТ ТОКА МАЛОЙ ДЛИНЫ
Этот прибор могут изготовить учащиеся на занятиях физи¬
ческого кружка.
Конструкция прибора проста. На подставке 1 (см. рис.)
Л. А. Бабаев
(г. Москва)
Рис.
164
из оргстекла (или другого изоляционного материала)'
с помощью скобы 2 укрепляют два подковообразных мае-
нита 3, по обе стороны от которых параллельно им устанавли¬
вают два желоба, выполненные из двух половинок хорошо очи¬
щенной медной трубки диаметром 8—10 мм. Желоба служат
направляющими для проводника 5. В качестве последнего мож¬
но использовать кусок металлической проволоки (ее длина
равна расстоянию между желобами) с жестко закрепленными
на нем гладкими железными колесиками, диаметр которых пре¬
вышает диаметр проволоки. Для лучшей видимости проводник 5
(до контактных колесиков) можно покрасить яркой краской.
Концы направляющих желобов (как показано на рис.) провод¬
никами соединяют с клеммами 6, укрепленными на под¬
ставке.
Питать прибор можно с помощью аккумуляторной батареи
или двух батареек от карманного фонаря. При подключении ак¬
кумулятора в цепь проводник 5 начинает катиться в ту или
другую сторону в зависимости от направления тока в нем.
Используя реостат, демонстрационный амперметр и чувстви¬
тельный динамометр, легко показать зависимость силы Ампера
от силы тока, а также оценить индукцию магнитного поля маг¬
нитов.
И. А. Маринец
(г. Москва)
ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ
МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ ПРИ НЕПОДВИЖНОМ КОНТУРЕ
И НЕПОДВИЖНОМ МАГНИТЕ
Предлагаемая модель генератора переменного тока (общий
вид его показан на рис. 1, а принципиальная схема и чертежи
деталей на рис. 2) в отличие от традиционных генераторов име¬
ет неподвижный магнит 1 и неподвижную катушку 2.
Для изменения магнитного потока в катушке установлен
вал 3 из мягкой стали, на его концах насажены две крестовид¬
ные «звездочки» 4, собранные из пластин трансформаторной ста¬
ли, которые, синхронно вращаясь, плавно четырежды за один
оборот замыкают и размыкают магнитопровод. (Остальные де¬
тали генератора показаны на рисунке: 5 — шкив, 6 — магнито¬
провод, 7— рама из дюраля.)
Такой генератор при скорости вращения 12,5 об/с, или
750 об/мин, вырабатывает переменный ток частотой 50 Гц.
Настоящий прибор представляется возможным использовать
в учебном процессе на уроках физики при изучении электромаг¬
нитной индукции. Для изменения частоты тока можно замыка¬
тель магнитопровода («звездочки») делать с различным числом
зубьев, например 6, 8 и т. д.
165
Рис. I
Рис. 2
166
И. С. Прокопец
(УССР, Ровенская об л.)
МАГНИТОМЕТР
В данной статье предлагается вариант магнитометра, кото¬
рый может быть изготовлен в физико-техническом кружке лю¬
бой школы. Такой прибор уже несколько Лет применяется в на¬
шей школе. Прибор позволяет фиксировать. слабые магнитные
поля и производить количественные измерения. Его схема пред¬
ставлена на рисунке 1.
Работа магнитометра сводится к следующему. Внешнее маг¬
нитное поле действует на сердечник катушки L2, служащий дат¬
чиком. Проницаемость сердечника изменяется до определенного
значения. Соответственно меняется индуктивность катушки L2,
а значит, и частота генератора, собранного на триодной части
лампы Л2. При этом частота генератора, собранного на лам¬
пе Ли не изменяется, поскольку на катушку L{ не действует
внешнее магнитное поле.
Колебания с обоих генераторов поступают на смеситель (геп-
тодная часть лампы Л2). На его нагрузочном резисторе /?5 вы¬
деляются колебания разностной частоты Af=|/i—f2|, где fi
и f2— соответственно частота обоих генераторов. Если =/2*
то Af=0. И гальванометр, включенный в эту цепь, будет пока¬
зывать нуль. Когда на катушку Ь2 действует внешнее магнитное
поле, Д/>0, и, следовательно, стрелка гальванометра отклоня¬
ется на некоторый угол (поскольку ток, протекающий в этой
цепи, пропорционален Д/). Вместе с тем разностная частота по¬
дается через конденсатор С6 на усилитель, и динамик Гр\ бу-
167
J 2 1
дет издавать звук. При сильных магнитных полях может настоль¬
ко увеличиться Д/, что частота звука будет за пределами слы¬
шимости, а поэтому частоту генераторов лучше выбирать не¬
большой. (В данном магнитометре она равна 400 кГц.)
Рассмотрим подробнее схему, представленную на рисунке 1.
Из нее видно, что магнитометр состоит из двух высокочастотных
генераторов. Первый собран на правом триоде лампы Лх по схе¬
ме с катодной связью, что обеспечивает большую стабильность
частоты колебаний, а другой — на триодной части лампы Л2.
(Катушка индуктивности Ь2 размещена в выносном зонде, по¬
скольку она служит датчиком магнитного поля.) Колебания с
обоих генераторов поступают на смеситель, в анодную цепь ко¬
торого включается гальванометр ИПи его шкала проградуиро¬
вана в единицах напряженности магнитного поля. Правая часть
лампы Лх служит усилителем разностной частоты (Д/), которая
со смесителя подается на его управляющую сетку. На выходе
стоит динамик. По издаваемому им звуку можно судить о на¬
личии магнитного поля.
В используемом магнитометре применяют керамические лам¬
повые панели, недорогостоящие лампы Л\ (двойной триод 6НЗП
или любой другой аналогичного типа), Л2— триод — гептод
(6И1П). Схему можно собрать и на малогабаритных лампах
типа 6Н8С, 6Н9С (Л{) и 6А7, 6А8 (Л2). При этом, разумеется,
надо подобрать режим работы ламп.
К самодельным деталям относят контурные катушки Lx и L2,
выполненные на броневых ферритовых сердечниках диаметром
8,3 мм, помещенные в экраны (катушки Lx и L2 имеют по 96 вит¬
ков провода ПЭВ-1 5X0,06; в катушке Lx сделан отвод от
69 витка). Катушка имеет индуктивность 240 мкГн. (В качестве
катушек можно использовать катушки фильтров ПЧ от радио¬
приемников «Минск», «Рига-301 А» или др.) Катушку L2 (рис. 2)
размещают в выносном зонде 1. Последним служит алюминиевый
цилиндр диаметром 10 мм и длиной 20 мм (им может быть кор¬
пус электролитического конденсатора). Зонд 1 закрепляют на
одном конце эбонитовой ручки 2. длиной 150 мм. Внутри дела¬
ют канал для размещения кабеля длиной 50 мм, которым зонд
соединяют с прибором. Кабель состоит из двух многожильных
бронированных проводников 3, на которые сверху натягивают
168
Датчик
Рис. 3
изоляционную трубку.
Броневую оплетку соеди¬
няют с корпусом магни¬
тометра и зондом.
Переменный конден¬
сатор Cj (см. рис. 1) с
воздушным диэлектриком
можно изготовить из
двух подвижных пластин,
укрепленных на органи¬
ческом стекле. Громкого¬
воритель Гр\ типа 1ГД-1.
Гальванометр ИП\ чувст¬
вительностью 4*10-5А/де-
ление, рассчитанный
на максимальный ток
0,25 мА. В качестве этого
прибора можно использо¬
вать школьный демонст¬
рационный гальванометр.
Выходной трансформатор
Тр\ выполнен на сердеч- Зонд
нике типа Ш9Х12. Об¬
мотка I состоит из 2000
витков провода ПЭЛ-0,12, а обмотка II — из 23 витков провода
ПЭЛ-0,51. (Можно использовать готовый трансформатор от теле¬
визора «Весна» или «Рекорд».) Силовой трансформатор можно со¬
брать на сердечнике из пластин Ш-19 (толщина пластин 19 мм).
Первичная обмотка (сетевая) состоит из 2600 витков провода
ПЭЛ-0,16, вторичная обмотка (повышающая) — из 2700 витков про¬
вода ПЭЛ-0,12, обмотка накала III—из 70 витков провода ПЭЛ-0,8.
Конденсаторы С2, С3, С8, С9 типа КТ-3. Остальные конденсаторы,
кроме электролитических Си и С12, слюдяные. Значения их ем¬
кости таковы: Ci=8-r30 пФ; С2 = С9 = 500 пФ; С3— С8 = 82 пФ;
С4= 1000 пФ; С5=0,07 мкФ; С6=2200 пФ; С7=0,01 мкФ;
С10=200 пФ; СИ = С12=20Х450 В.
Все резисторы типа МЛТ; их значения сопротивлений такие:
/?х=82 кОм; /?2±=/?5=56 кОм; R3=R6= 16 кОм; /?4 = 47 кОм;
R7 = 22 кОм; /?8 = 510 кОм; R9 = 2,2 кОм; Rl0—2 кОм.
Диоды Ди Дъ Дз, Да типа Д226Б. Индикаторная лампа Лъ
на напряжение 6,3 В.
Магнитометр смонтирован в виде приставки к демонстраци¬
онному гальванометру в пластмассовом футляре размером
140Х1ПХ100 мм, который в середине оклеен металлической
фольгой.
Ламповые панели, электролиты, трансформаторы закрепля¬
ют на алюминиевом уголке. В верхней части футляра (рис. 3)
находится ручка переменного конденсатора Си клеммы для
включения динамика Гр\ и гальванометра «ЯЯ», индикаторная
169
лампа «/73. С обратной стороны выведены шнур питания от сети
220 В и выключатель В.
Налаживание прибора сводится к проверке правильности
монтажа, режима ламп и работы генераторов. Режим, ламп про¬
веряют авометром. (Настроить генераторы на одинаковую ча¬
стоту можно, например, используя радиоприемник. Для этого
настраивают приемник на длинную волну, соответствующую ча¬
стоте генераторов. Ее легко найти по формуле X=c/f.) Разме¬
стив магнитометр на расстоянии ^2 м от приемника, удаляют лам¬
пу Л2 из панели и включают его. Если в радиоприемнике на
данной волне не появится свист от несущей частоты генератора
при повороте ручки конденсатора Си то, установив его пласти¬
ны в среднее положение, вместо конденсатора С2 вначале вводят
некоторый переменный конденсатор С и, поворачивая его ротор¬
ные пластины, настраивают генератор на заданную частоту.
Затем убирают конденсатор С, а вместо него ставят конденса¬
тор С2 такой же постоянной емкости и впаивают его. Точную
подгонку контура Lx производят подстройкой сердечника. При¬
соединяют гальванометр к клеммам К\ и /(2 и помещают лам¬
пу Л2 в панель. Вместо конденсатора С9 контура L2 впаивают
конденсатор переменной емкости С (С=500 пФ).
Пластины конденсатора Сх при этом должны быть в среднем
положении. При включении магнитометра в динамике должен
быть слышен свист, а стрелка гальванометра отклонится. Пово¬
рачивая ротор переменного конденсатора С, добиваются нулевых
биений. При этом стрелка гальванометра устанавливается на
нудь, а в динамике звук исчезает. Последнее указывает, что
настройка второго генератора закончена. Затем вместо перемен¬
ного конденсатора ставят конденсатор постоянной емкости С9.
Окончательную подгонку производят сердечником этого кон¬
тура.
Для количественных измерений магнитометр градуируют в
соответствующих единицах напряженности. Для этого надо изго¬
товить соленоид и поместить в его середину датчик магнитного
поля. Внутренний диаметр соленоида должен быть равен_ диа¬
метру датчика. Напряженность в середине соленоида при по¬
стоянном токе можно найти по формуле
где N — число витков соленоида, I — его длина, /—-ток в нем.
Зная размеры датчика, можно определить число витков со¬
леноида, при котором, пропуская заданный ток, прибор будет
фиксировать магнитное поле, напряженность которого равна 1.
Пусть длина соленоида /—50 мм (она должна быть несколь¬
ко больше длины зонда датчика). При токе 50 мА напряжен¬
ность поля в соленоиде должна составлять 1 Э, тогда
Лг =—; N — =100 витков.
I 50-10-»А
170
Диаметр d намоточного провода
d= - = .— =0,05 см = 0,5 мм.
N 100
Таким образом, соленоид должен иметь
диаметр, равный диаметру датчика, длину
50 мм, число витков 100, диаметр намо¬
точного провода 0,5 мм.
Датчик помещают в соленоид, а пос¬
ледний включают в цепь, собранную по
схеме рис. 4 (где L — соленоид, Б — ба¬
тарея, дающая напряжение 4,5 В, R — рео¬
стат сопротивлением 100 Ом, ИП2 — магнитометр (500 мА), В —
выключатель). При отсоединенном соленоиде и включенном маг¬
нитометре на шкале ИПХ отмечают нулевое положение. Выключая
соленоид и устанавливая реостатом R силу тока 50 мА, отмечают
на шкале прибора 1 Э. Увеличивают силу тока в 2, 3, 4 и т. д. раз,
отмечают на шкале соответственно деления 1, 2, 3 Э и т. д. По¬
скольку 1 Э«80 А/м, то отметки на шкале можно сделать в еди¬
ницах СИ.
Работа с магнитометром сводится к следующему. Присоеди¬
нив к прибору проградуированный ИП\ и динамик, включают его
в сеть напряжением 220 В. После истечения 20—30 с ручкой кон¬
денсатора Ci настраивают магнитометр на частоту нулевых бие¬
ний, при этом стрелка гальванометра устанавливается на нуль,
а в динамике прекращается звук. Магнитометр готов к работе.
Если теперь датчик поднести к магниту или электромагниту, то
стрелка ИПХ отклонится, а в динамике появится звук. Удаляя, и
приближая датчик к магниту, убеждаются в его работе. При
помощи прибора можно производить качественные и количест¬
венные эксперименты, например такие:
Обнаружение магнитного поля. При приближении датчика к
постоянному магниту, электромагниту или проводнику с током
можно убедиться, что вокруг них существует магнитное поле.
Чем ближе находится датчик к источнику магнитного поля, тем
больше изменяются показания ИП{.
Изучение свойств магнитов. Если датчиком проводить вдоль
полосового или подковообразного магнита, то по звуку в дина¬
мике и углу отклонения стрелки прибора легко определить, где
магнитные поля сильнее (полюсы магнита), и где поле равно ну¬
лю (середина магнита). Если сложить два одинаковых магнита,
расположив их друг к другу противоположными полюсами, и
провести вдоль них датчиком, можно убедиться в отсутствии
магнитного поля. Последнее можно проделать с бифилярной об¬
моткой.
Демонстрация однородного магнитного поля. Если поместить
датчик в середину соленоида с током и перемещать вдоль его
длины, легко убедиться, что напряженность магнитного по¬
ля в середине соленоида одинакова.
171
Н. П. Белозерский
(Саратовская обл.,
Аркадакский р-н, с. Б. Журавка)
ПРОСТАЯ ПРИСТАВКА К ШКОЛЬНОМУ ОСЦИЛЛОГРАФУ
При постановке школьного эксперимента, а также проведении
внеклассной работы по физике иногда возникает необходимость
оценить качество деталей, используемых в электро- и радиосхе¬
мах. На занятиях физического кружка нами была изготовлена
несложная приставка к школьному осциллографу, позволяющая
наглядно оценить качество транзисторов и полупроводниковых
диодов.
Схема приставки изображена на рисунке 1. Когда приставка
включена в сеть и кнопка Кщ разомкнута, напряжение между
зажимами 2 я 3 будет равно напряжению на вторичной обмотке
трансформатора Тр, так как ток через сопротивление не те¬
чет и падения напряжения на нем нет.
Если зажимы 2 я 3 замкнуть накоротко, то все напряжение
вторичной обмотки окажется приложенным к зажимам 1 и 2.
Если же разомкнуть и нажать калибровочную кнопку Кни то
напряжение вторичной обмотки окажется распределенным по¬
ровну между зажимами 1—2 и 2—3.
Подключение приставки к осциллографу ОЭШ показано на
рисунке 2. При этом внутреннюю развертку осциллографа вы¬
ключают, ручку синхронизации ставят в положение «сеть». Ре¬
гулируя перемещение электрического луча по экрану, а также
усиление горизонтального и вертикального каналов при замкну:
той кнопке добиваются получения на экране осциллографа
линии, расположенной под углом 45° к горизонтали (рис. 2,а),
по длине приближающейся к половине диаметра экрана.
Если разомкнуть кнопку Кни а зажимы 2—3 замкнуть, на
экране появится вертикальная прямая (рис. 2,6); если их ра¬
зомкнуть— горизонтальная прямая (рис. 2, в).
Испытуемый элемент подключают к зажимам 2—3. Характер
изображения на экране осциллографа определяется зависимостью
сопротивления испытуемого элемента от величины и полярно¬
сти подводимого к нему синусоидального напряжения.
0-
£ На вход У
осциллографа
Сеть
0-
Рис. 1
На Вход X
осциллографа
Испытание полупроводни¬
ковых диодов. При испытании
полупроводникового диода
его присоединяют так, как
это изображено на рисунке
3, а. В этом случае, когда диод
хорошего качества, на экране
появляется изображение, по¬
казанное на рисунке 3, б. Ес¬
ли полярность подключения
обратная, то осциллограмма
перевернется (рис. 3, в). Ес¬
ли вершина угла на экране
скруглена, или одна из его
сторон много больше другой,
или направление прямых силь¬
но отличается от горизонталь¬
ного . и вертикального, диод
должен быть забракован.
Кремниевые стабилитроны
подключают так же, как и все
прочие диоды. При напряже¬
нии стабилизации ниже 10 В
на изображении появится от¬
метка в виде вертикальной
черты (рис. 3, г).
Селеновые выпрямители
подсоединяют так, как полу¬
проводниковые диоды. Типич¬
ная осциллограмма показана
на рисунке 3, д. Испытуемый
селеновый выпрямитель мож¬
но браковать, если на экране
сторона угла, расположенная
наклонно к горизонтали,
очень коротка или очень по¬
лога.
При подключении туннель¬
ных диодов на экране появля¬
ется изображение (рис. 3, е)
в виде двух почти вертикаль¬
ных. линий с разрывом посре¬
дине. Если при этом увели¬
чить усиление по оси Л, то
картина изменится (рис.3,ж).
На рисунке 3, з показано,
как подключают тиристоры
(кремниевые управляемые дио¬
ды), Управляющий электрод
Рис. 4
173
остается свободным. Изображение, появляющееся при этом,
показано на рисунке 3, и. Возможно небольшое отклонение линии
от прямой. Если управляющий электрод заземлить, изображе¬
ние будет другим (рис. 3, к).
Испытание транзисторов. Испытуемые транзисторы подклю¬
чают по схеме, показанной на рисунке 4, а (база ни с чем не сое¬
диняется). На экране должна появиться прямая или слегка
волнистая горизонтальная линия. Если линия изогнута, значит,
у транзистора неустойчивые параметры. Когда в транзисторе
имеется короткое замыкание, линия будет вертикальной. Если
прикоснуться выводом базы к зажиму 2, то должна появиться
осциллограмма такая, как на рисунке 4, б (для р-п-р транзисто¬
ра) либо как на рисунке 4, в (для п-р-п). Соединение вывода
базы с зажимом 3 вызывает обратное явление (рис. 4, б для
п-р-п и рис. 4, в для р-п-р). Если в каком-либо из этих двух слу¬
чаев изображение не будет иметь вид прямого угла, значит,
в транзисторе обрыв.
Сильно искаженное изображение свидетельствует о том, что
параметры транзистора неустойчивы. Отклонение сторон угла от
горизонтали и вертикали указывает на плохое качество пере¬
ходов.
При изготовлении приставки могут быть использованы рези¬
сторы типа МЛТ, силовой трансформатор от любого маломощ¬
ного радиоприемника (накальная обмотка на 6,3 В), кнопка ти¬
па КИТВ. Размеры и форма приставки зависят от габаритов
применяемых радиодеталей.
М. А. Анисенко, М. Ф. Безрукий,
С. А. Хорошавин
(г. Белгород)
САМОДВИЖУЩАЯСЯ ТЕЛЕЖКА С НАБОРОМ БЛОКОВ
ДЛЯ ОПЫТОВ ПО АВТОМАТИКЕ И ТЕЛЕМЕХАНИКЕ
Конструирование кибернетических моделей, имитирующих
поведение животного,— интересная область технического твор¬
чества. Но для учащихся школьного физико-технического круж¬
ка создание, например, кибернетической «черепахи» может ока¬
заться непосильным делом, если у них не было опыта в конст¬
руировании сложных электронных устройств. Нами разработана
конструкция набора блоков, изготовление которых и проведение
с ними опытов может явиться первым шагом в техническую ки¬
бернетику. Каждый блок управляет самодвижущейся тележкой,
сообщая ей какое-то одно из свойств, присущих сложным кибер¬
нетическим устройствам (например, движение к источнику света,
обход препятствия, реакция на звук и т. д.).
Конструкция тележки. Самодвижущаяся тележка (рис. 1)
представляет собой трехколесное шасси, переднее колесо кото¬
рой неуправляемое, самоустанавливающееся по направлению
174
Рис, 1
движения. Задние колеса ведущие, каждое из них имеет свой
двигатель, в качестве которого использован микродвигатель от
электрифицированной игрушки. На платформе тележки установ¬
лена октальная ламповая панель для подключения блоков уп¬
равления*
На нижней поверхности шасси находятся электродвигатели
с редукторами, батареи питания и выключатель. Электрическая
схема соединений показана на рисунке 2.
При включении источника тока двигатель Двх начинает ра¬
ботать, если замкнуты контакты 4 и 3. Якорь двигателя изменит
направление вращения, если будут замкнуты контакты. 4 и 2.
Двигатель Дв2 включается при замыкании контактов 6 и 7 и
реверсируется при замыкании контактов 7 и 1.
Конденсаторы Сх и С2 имеют емкость по 0,047 мкФ. Они пре¬
дохраняют контакты блока фотореле от обгорания.
Блок фотореле (рис. 3) управляет тележкой по программе
«движение к источнику света». Рассмотрим принципиальную схе¬
му блока (рис. 4). * t
Блок состоит из двух одинаковых фотореле. Первое собрано
на транзисторах Тх и Т2 (они могут быть типа МП39—МП42),
В цепь базы транзистора Тх включен фоторезистор R2 типа
ФС-К1. При увеличении освещенности фоторезистора ток в цепи
базы транзистора Тх возрастает, что в свою очередь вызывает
увеличение тока в коллекторной цепи транзистора Т2, В цепь
коллектора включено электромагнитное реле Pi типа РЭС-10.
Его нормально открытые контакты 3 и 4 при увеличении осве¬
щенности фоторезистора Р2 замыкаются и включают тяговый
двигатель Двх (см. рис. 2). Чувствительность фотореле к изме-.
нению освещенности можно регулировать переменным резисто¬
ром Р, Диод Дх типа Д9.
Второе фотореле, собранное на транзисторах Г3, Г4, имеет
аналогичную схему. Контакты 6 и 7 электромагнитного реле Рг
включают тяговый двигатель Дв2 (см. рис. 2).
Фоторезисторы оснащены тубусами с однолинзовыми объек¬
тивами.
175
Рис. 3
Рассмотрим, как будет ра¬
ботать блок фотореле, если
его установить на тележку
(рис. 5). При включении пи¬
тания тележка останется не¬
подвижной, пока освещен¬
ность фоторезисторов будет
мала. Если перед тележ¬
кой появится источник света,
фотореле сработает и вклю¬
чит тяговый двигатель. Те¬
лежка начнет приближаться к
источнику света. Если источ¬
ник света переместится, на¬
пример вправо, то уменьшит¬
ся освещенность левого фото¬
резистора и фотореле выклю¬
чит двигатель правого колеса.
Левый двигатель останется
включенным. Тележка разво¬
рачивается вправо до тех пор,
пока освещенность левого фо¬
торезистора не возрастет и
его фотореле не включитпра-
вый тяговый двигатель. Чтобы
тележка двигалась точно по
направлению к неподвижно¬
му источнику света, оба фото¬
реле должны иметь одинако¬
вую чувствительность к изме¬
нению освещенности. Этого
достигают путем подбора со¬
противлений резисторов R\
и /?5.
Блок реле времени управ¬
ляет тележкой по программе
«обход препятствий». Рассмот¬
рим его принципиальную схе¬
му (рис. 6). Реле времени
собрано на транзисторах Тх
и Т2. Если соединить нижнюю
(по схеме) обкладку конден¬
сатора Сх с, отрицательным
полюсом источника тока, то
возрастет ток базы транзи¬
стора Т\ и как следствие кол¬
лекторный ток транзистора Г2,
в цепь которого включено
электромагнитное реле Рь Ес-
176
ли обкладку конденсатора отсоединить от отрицательного полюса
источника питания, то возросший ток в цепи коллектора тран¬
зистора Т2 сохранится до тех пор, пока конденсатор С\ не раз¬
рядится через резистор R{ и цепь транзисторов Тх н Т2. Время
разрядки конденсатора можно регулировать изменением сопро¬
тивления переменного резистора R{.
Контакты электромагнитного реле Р\ управляют работой тя¬
гового двигателя Дв{ (см. рис. 2). При переключении контактов
происходит реверсирование двигателя.
Второе реле времени, собранное на транзисторах Г3 и Г4, ана¬
логично первому. В схеме можно использовать транзисторы ти¬
па МП39—МП42, а электромагнитное реле типа РЭС-9.
Блок реле времени оснащен выносными контактами, изготов¬
ленными в виде двойного буфера. Внешний буфер выполнен из
гибкой стальной ленты, согнутой в виде дуги и соединенной с
отрицательным полюсом источника тока. С внутренней стороны
расположен второй, жесткий буфер, состоящий из двух полудуг,
каждая из которых имеет электрическое соединение с конденса¬
торами Ci и С2 (/?i = /?4 = 470 кОм; Rz=Rq= 1 кОм; R2=Ro=
= 240 кОм; С{ = С2 = 50 мкФ.)
Рассмотрим, как будет работать блок реле времени, если его
установить на тележку (рис/ 7).
При включении питания тележка начинает двигаться вперед.
Если на ее пути встретится препятствие, то от удара о него внеш¬
ний гибкий буфер прогнется и вступит в электрическое соедине¬
ние с одной из полудуг внутреннего буфера. Пусть препятствие
оказалось справа.* При ударе тележки о него практически мгно¬
венно зарядится конденсатор Сь Сработает электромагнитное
реле, контакты которого вызывают реверсирование левого тяго¬
вого двигателя. Тележка с разворотом влево отъезжает от пре¬
пятствия. Этот маневр будет продолжаться до тех пор, пока не
12 Заказ № 3657
177
разрядится конденсатор. Время обхода препятствия регулирует¬
ся переменным резистором и подбирается опытным путем. Когда
конденсатор разрядится, тяговый двигатель вновь реверсируется
и тележка продолжает прямолинейное движение по новому на¬
правлению. Аналогично, если препятствие окажется с левой сто¬
роны, то тележка отъезжает от него с разворотом вправо.
Блок акустического реле осуществляет управление тележкой
при помощи звуковых сигналов определенного тона. Электрон¬
ная схема блока (рис. 8) представляет собой усилитель низкой
частоты, собранный на транзисторах Тх—Г3. На вход усилителя
включен микрофон. Для того чтобы реле не реагировало на лю¬
бой громкий звук, в том числе и на шум, создаваемый тяговыми
Рис. 7
178
двигателями, сигнал от микрофона после усиления подается на
вход селективного каскада.
'Катушка L и конденсатор С5 образуют колебательный кон¬
тур, настроенный на частоту управляющего сигнала. Если час¬
тота переменного напряжения, подаваемого на базу транзисто¬
ра Г4, будет равна собственной частоте колебательного контура,
то напряжение на базе окажется достаточным для срабатыва¬
ния реле Р в коллекторной цепи транзистора Т4. При несовпаде¬
нии частот переменного напряжения на базе триода с частотой
контура шунтирующее действие контура ослабевает, и напряже¬
ние на базе транзистора Г4 окажется недостаточным для отпи¬
рания транзистора. Таким образом, только сигнал определенной
Рис. 9
12*
179
частоты вызывает срабатывание электромагнитного реле, в цепь
нормально замкнутых контактов которого включен тяговый дви¬
гатель. При подаче звукового сигнала тяговый двигатель отклю¬
чается, и тележка разворачивается в сторону включенного дви¬
гателя. После прекращения сигнала реле Р возвращается в ис¬
ходное состояние, и тележка движется по прямой.
В блоке акустического реле использованы транзисторы
МП39—МП42. Электромагнитное реле типа РЭС-10. Диод ти¬
па Д9. В качестве микрофона можно применить капсюль элект¬
ромагнитного телефона типа ТОН с сопротивлением обмотки
2,2 Ом. Катушку L наматывают проводом ПЭ-0,12 до заполне¬
ния каркаса и помещают в сердечник СБ. В нашем случае нет
необходимости настраивать колебательный контур на какую-то
определенную частоту. Надо только определить частоту сигнала,
которая вызовет срабатывание реле. Делают это так.
На выход школьного звукового генератора включают гром¬
коговоритель. Изменяя частоту генератора, наблюдают за яко¬
рем электромагнитного реле. Может оказаться, что реле будет
срабатывать на нескольких частотах. Надо выбрать ту из них,
при которой реле реагирует на звуковой сигнал минимальной
громкости. Теперь остается изготовить свисток с нужным тоном
звучания.
Чтобы электрические помехи, возникающие при работе ко-
лекторных двигателей, через цепи питания не влияли на работу
акустического реле, питание блока осуществляют от отдельной
батареи «Крона», расположенной в корпусе блока.
Блок устанавливают на шасси (рис. 9). Включают питание.
Тележка движется прямолинейно. При подаче звукового сигнала
она начинает разворачиваться, а после его прекращения вновь
движется прямолинейно.
Если в блоке установить не один, а два-три селективных кас¬
када, контуры настроены на разные частоты, то подачей звуко¬
вых сигналов разного тона можно заставить тележку выполнять
более сложные маневры. (Правда, и настроить такой блок более
сложно.)
Описанная конструкция тележки допускает дальнейшее раз¬
витие этой модели. Принцип сменных блоков позволяет сделать
модель радиоуправляемой. На тележку можно установить блок
программного управления, управления с помощью индукцион¬
ных токов и т. д. Здесь почти неограниченный простор для фан¬
тазии юных конструкторов и первые шаги в пока таинственный
и заманчивый мир кибернетики.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ И СОВЕТЫ
Ю. Б. Зотов
(г. Москва)
К ДЕМОНСТРАЦИИ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ
Для успешного проведения опыта, иллюстрирующего свобод¬
ное падение тел, желательно, чтобы трубка Ньютона, предназ¬
наченная для демонстрации этого явления, обладала хорошей
герметичностью. Если имеющиеся в физическом кабинете трубки
утратили необходимую герметичность, перед показом опыта по¬
ступают следующим образом. Располагают трубку вертикально,
место крепления стекла с остальной частью тщательно промазы¬
вают эмульсионным клеем (можно использовать любой жидкий
клей, образующий при затвердевании эластичную пленку) и на¬
сосом в течение нескольких минут откачивают из трубки воздух.
Клей будет всасываться во все микротрещины, в которые до это¬
го при аналогичных условиях проходил воздух. Затем тщательно
закрывают кран и оставляют трубку в вертикальном положении
до полного затвердевания клея.
Обработанная таким образом, трубка может сохранять после
откачки воздуха необходимое для опыта разрежение в течение
получаса и более, так что готовить ее для демонстрации свобод¬
ного падения можно перед самым уроком.
Г. М. Миронов
(г. Рязань)
ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ
СОСТОЯНИЯ НЕВЕСОМОСТИ
В основе работы прибора лежит известная идея перехода
пружины из деформированного состояния под действием собст¬
венного веса в недеформированное при резком устранении
опоры.
Устройство прибора показано на рисунке, где 1 — виток пру¬
жины (в разрезе), выполненный из провода диаметром ~1,5 мм
(диаметр пружины 40—50 мм, высота — 70—80 мм); 2 и 3 — со¬
ответственно нижнее и верхнее основания, изготовленные из ди¬
электрика (они имеют пазы для заглубления витков пружины
с целью крепления); 4 — замыкающая медная пластина; 5 — гай¬
ка М4; 6 — осевой стержень; 7 и 8 — два контакта электрической
181
цепи, состоящей из источни¬
ка тока и лампы. Гибкие про¬
водники от контактов выво¬
дят вверх через. отверстие
в основании 3.
Если прибор нижним ос¬
нованием находится на опоре,
электрическая цепь разомк¬
нута; при свободном паде¬
нии медная пластина каса¬
ется контактов 7 и 8, замы¬
кая цепь, в результате чего
загорается лампа. Таким об¬
разом, свечение лампы свиде¬
тельствует о состоянии неве¬
сомости системы.
Для увеличения деформа¬
ции пружины на опоре к верх¬
ним виткам пружины прик¬
репляют груз 9 с отверстием
по центру для продевания
осевого стержня.^ Последний
крепится к нижнему основа¬
нию пружины гайкой, прохо¬
дит сквозь отверстий в верх¬
нее основание и прикрепля¬
ется гайкой к замыкающей
медной пластине.
Падение прибора можно осуществить внутри стеклянной
трубы, при этом на дно трубы необходимо положить слой поро¬
лона толщиной 100—150 мм.
Л. И. Вишневский
(г. Нижкий Тагил)
СВАРКА ТЕРМОПАР
Из всех известных способов изготовления термопар самый
простой — сварка в растворе поваренной соли.
В стеклянный стакан емкостью 150—200 см3 наливают воду
и растворяют в ней одну-две чайные ложки поваренной соли.
Затем берут шнур со штепсельной вилкой, припаивают к одному
из его концов медную или латунную пластину и опускают по¬
следнюю на дно стакана. Другой конец шнура присоединяют к
зажиму типа «крокодил», снабженному изолирующей ручкой.
Концы проводов, предназначенных для изготовления термов
пары зачищают, слегка скручивают, а сами провода закрепля¬
ют в зажиме. Вилку включают в сеть" (220 или 127 В), а местом
182
скрутки касаются поверхности раствора. В результате в области
касания образуется микродуга и происходит сварка.
Если для изготовления термопары используют медные и кон-
стантановые проводники (иногда вместо константанового берут
провод от реостатов, т. е. никелиновый или реотановый), то диа¬
метр медного провода (чтобы последний не выгорал) должен
быть чуть больше константанового. При хорошем качестве свар¬
ки спай должен иметь вид небольшого шарика. Если сваривают
железо-константан, хромель-алюмель, хромель-копель, для полу¬
чения хорошего спая место сварки следует обернуть нескольки¬
ми витками тонкого медного провода.
Продолжительность сварки зависит от диаметра проводников,
но не должна превышать нескольких секунд.
Н. Н. Красиков
(Витебская обл., г. Новополоцк)
НЕКОТОРЫЕ ОПЫТЫ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ
Более подробное рассмотрение электрических явлений в жид¬
костях позволяет определить особенности .электрического тока в
этом случае, заставляет учащихся задуматься об их практиче¬
ском применении. Электрическое сопротивление жидкости зави¬
сит от подвижности ионов обоих знаков, которая уменьшается с
ростом вязкости жидкости. Это подтверждает простой экспери¬
мент, сущность которого состоит в следующем.
На краях пластины из диэлектрика (тефлон, оргстекло)
крепят два пластинчатых электрода и подсоединяют их к клем¬
мам ампервольтомметра АВО-5. В пространство между электро¬
дами кисточкой наносят слой клея БФ-2, растворенного ацето¬
ном в соотношении 1:1. При затвердевании клея происходит
увеличение вязкости, а прибор, включенный на измерение сопро¬
тивления, показывает постепенное увеличение последнего.
Электрический ток в жидкостях может быть использован для
очистки их от взвешенных загрязнений. Проиллюстрировать это
явление полезно на таком опыте.
В пробирку с водой до полного исчезновения ее прозрачности
добавляют черную тушь. Затем в суспензию помещают два алю¬
миниевых электрода, расположенные на расстоянии 3—4 мм друг
от друга. Подают напряжение 15—20 В на электроды от лабо¬
раторного автотрансформатора (ЛАТР). При пропускании элект¬
рического тока частицы туши слипаются и всплывают на по¬
верхность воды, жидкость в пробирке приобретает прозрачность.
П. М. Канаев
(Горьковская обл.,
Борский р-н, пос. Октябрьский)
ОБНАРУЖЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ
НА ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПРОВОДНИКА
С КОНИЧЕСКИМ ВЫСТУПОМ
О распределении зарядов на поверхности цилиндрического
проводника с коническим выступом (см. рис.) можно судить по
действию этих зарядов на мыльный пузырь. Для этого провод¬
ник заряжают до высокого потенциала от электрофорной маши¬
ны. Выдувают с помощью тонкой трубки (или соломки) мыль¬
ный пузырь небольших размеров и подносят его к точке А про¬
водника. Пузырь отрывается от конца трубки
и, соприкоснувшись с острием, отскакивает от
последнего. Снова выдувают пузырь и прибли¬
жают его к точке В. Пузырь падает на по¬
верхность проводника, превращается в полу¬
сферу, а затем начинает вытягиваться. У его
основания образуется шейка, которая быстро
сужается. Наконец пузырь снова приобретает
шарообразную форму и отлетает в сторону.
Если приблизить мыльный пузырь к точ¬
ке С, он притягивается к проводнику, некоторое время остает¬
ся на месте, а затем отрывается от поверхности проводника. При
поднесении пузыря к точке D он не притягивается.
Опыты показывают, что поверхностная плотность электриче¬
ских зарядов наибольшая на острие, меньше на конусе и еще
меньше на цилиндрической части. Во впадине электрические за¬
ряды отсутствуют.
Рис.
В. С. Рыжановский
(г. Луцк)
МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ИНЕРЦИОННОГО ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНА
Предлагаем самодельную установку для моделирования опы¬
та Толмена и Стюарта. Общий вид показан на рисунке 1. Для
ее изготовления необходимы магнитофонная кассета, тонкое ор¬
ганическое стекло толщиной до 1,5 мм, цветные бусинки или ша¬
рики от подшипников, клей (дихлорэтан).
На ободок кассеты по внешней и внутренней сторонам с по¬
мощью клея крепят две полоски 1 тонкого органического стекла
(рис. 2). (Один ободок кассеты на токарном станке стачивают
на 1—2 мм.) В середину получившегося «туннеля» помещают
шарики или бусинки 2. Туннель имитирует виток катушки ме-
184
Рис. 1
Рис. 2
таллической проволоки, шарики — свободные частицы металли¬
ческого проводника. Кассету приводят в быстрое вращение во¬
круг оси MN, а потом внезапно останавливают. В результате
возникает инерционное движение шариков. (Оно воспринимает¬
ся как на слух, так и зрительно.)
Наблюдаемое явление имитирует инерционное движение сво¬
бодных электронов в витке металлической проволоки: после ее
внезапной остановки свободные электроны некоторое время бу¬
дут двигаться по инерции и тем самым создадут кратковре¬
менный ток,
А. В. Набатов
(Тувинская АССР, г. Кызыл)
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕРМОЭЛЕМЕНТА
Недостатком термоэлемента из набора полупроводников яв¬
ляется низкая термостойкость его конструкции: при перегреве
отваливается медная пластина, соединяющая полупроводники.
Припаять ее вновь не удается, однако работоспособность при¬
бора можно восстановить, несколько изменив расположение
элементов на панели. Для этого оба элемента вместе с радиа¬
торами снимают с панели и сошлифовывают их свободные тор¬
цевые поверхности так, чтобы при соприкосновении они плотно
прилегали друг к другу. Затем между ними вставляют зачищен¬
ную медную пластину и закрепляют всю систему на пластине
из изолирующего материала толщиной 3—4 мм (в собранном ви¬
де термоэлемент показан на рис. 1). Размеры изолирующей и
медной пластин приведены соответственно на рисунке 2, а и б.
Пунктиром показано расположение полупроводниковых эле¬
ментов.
Прибор монтируют следующим образом. Медную пластину
крепят на изолирующей пластине с помощью болта диаметром
4 мм, пропускаемого через нижнее на рис. 2, а отверстие соответст¬
вующего диаметра. Закрепленную медную пластину изгибают и
зажимают между полупроводниками.
185
Полупроводники удерживаются на изо¬
лирующей пластине шестью болтами диа¬
метром 3 мм. Надежный контакт медной
пластины с полупроводниковыми элемен¬
тами обеспечивается давлением на нее
последних. Это достигается надлежащим
выбором расстояния А между отверстиями
для крепления полупроводников. При пра¬
вильном подборе расстояния изолирую¬
щая пластина должна слегка изгибаться
за счет усилий, возникающих при давле¬
нии полупроводниковых элементов друг на
друга.
Готовую конструкцию крепят к демон¬
страционной панели двумя болтами диа¬
метром 4 мм. В качестве одного из них
используют болт, удерживающий медную
пластину. Подтягивая гайки болтов креп¬
ления, можно в известных пределах регу¬
лировать давление полупроводниковых
элементов на медную пластину. Чтобы го¬
ловки болтов крепления радиаторов не
касались панели, между ней и пластиной
ставят прокладку из изоляционного материала. Форма последней
и расположение' отверстий на ней такие же, как у изолирующей
пластины, однако диаметр отверстий, находящихся против го¬
ловок болтов крепления радиаторов, несколько увеличен (до 6 мм).
Толщина прокладки должна превышать высоту головок болтов
крепления.
Рис. /
186
После закрепления конструкции на панели к медной пла¬
стине припаивают провод, идущий на общую клемму. Для этой
цели служит лепесток с отверстием диаметром 3 мм (рис. 2,6),
Толщина медной пластины может быть любой. Однако сле¬
дует учитывать, что очень толстая пластина обладает большой
тепловой инерцией, а слишком тонкая не обеспечивает хороших
условий для теплопередачи. В описываемом приборе использо¬
вана пластина толщиной 0,5 мм. Вырез сделай с целью умень¬
шения количества теплоты, передаваемого изолирующей пласти¬
не, благодаря чему при изготовлении последней могут быть ис¬
пользованы материалы с низкой термостойкостью. Кроме того,
за счет уменьшения площади нагретой поверхности снижаются
потери теплоты на излучение и конвекцию, а также облегчается
процесс изгиба пластины при установлении ее между полупро¬
водниками.
Демонстрации с восстановленным термоэлементом показы¬
вают, что он практически не боится перегрева и в то же время
достаточно чувствителен (источником тепла может служить
пламя горящей спички).
А. Я. Ридченко
(УССР, Кировоградская обл.)
НАБЛЮДЕНИЕ МАГНИТНЫХ СПЕКТРОВ
Для выполнения в VII классе лабораторной работы по наб¬
людению магнитных спектров удобно иметь набор самодельных
пособий, выполненных таким образом.
Берут две одинаковые стеклянные пластины, складывают
вместе, а между ними помещают картонную рамку-подкладку и
насыпают мелкие железные опилки. Края сложенных пластинок
окантовывают бумажной полоской.
Использование таких пособий позволяет учащимся одновре¬
менно видеть и магнит, и спектр, причем опилки не рассыпаются
и не «прилипают» к магниту. Облегчается и работа учителя при
подготовке к лабораторной работе.
Е. И. Коротков
(г. Москва)
ОБ ОДНОМ СПОСОБЕ ВКЛЮЧЕНИЯ
РТУТНО-КВАРЦЕВОЙ ЛАМПЫ ТИПА ПРК-4
В магазины учебно-наглядных пособий поступают в продажу
ртутно-кварцевые лампы типа ПРК-4, рассчитанные на подклю¬
чение с пусковым устройством к сети напряжением 127 В. Для
питания такой лампы от сети напряжением 220 В необходимо
187
применять лабораторный ав¬
тотрансформатор (ЛАТР) с
пусковым устройством.
Однако лампу типа ПРК-4
можно эксплуатировать от
сети напряжением 220 В и
без пускового устройства, ес¬
ли включить ее по схеме»
приведенной на рисунке, где
Л — лампа типа ПРК-4, кон¬
денсаторы Си С2, С3 имеют
емкость соответственно 60; 0,003 (или 0,005); 0,05 мкФ. Конден¬
сатор С[ выполняет роль балластного сопротивления. (В качестве
такого конденсатора можно использовать батарею БК-58.) При
включении в сеть лампа, как правило, вспыхивает сама, поскольку
к ее электродам оказывается приложено напряжение около 380 В,
достаточное для ее зажигания. Необходимый режим работы лам¬
пы обеспечивается автоматически емкостным сопротивлением кон*
денсаториой батареи.
Л
а
нь
22Q8 50 Гц-~=.
Рис.
Л. А. Бабаев
(г. Москва)
КРЕПЛЕНИЕ ТАБЛИЦ И ПЛАКАТОВ
Для удобного пользования настенными таблицами и плака¬
тами на уроках физики часто используют деревянные рейки, ко¬
торые сколачивают вместе, пропустив предварительно между ни¬
ми край плаката. К рейкам прикрепляют кусок проволоки или
шпагата, с помощью которых плакат вешают на школьную доску.
Не всегда подобные крепления на плакатах выглядят эстетично.
Очень быстро можно подготовить к употреблению все имеющие¬
ся в школьном кабинете плакаты, исполь¬
зуя другой вид крепления, для изготовле¬
ния которого необходима железная или
медная проволока диаметром 2—3 мм и
плотная бумага.
В школьных мастерских можно заго¬
товить для каждого плаката по два куска
выпрямленного провода указанного диа¬
метра, из которых один по длине равен
длине плаката, а второй на 4 см длиннее.
Каждый из концов более длинного куска
загибают в форме колец (на что и расхо¬
дуются 4 см длины проволоки). Этот кусок
проволоки с помощью полоски плотной
бумаги (шириной 3—3,5 см и длиной, рав¬
ной длине плаката) и клея прикрепляют
Прово лот
/Проволока
Рис,
188
к верхнему краю плаката. Одну половину полоски приклеивают
к внутренней стороне верхнего края плаката, другую — к внешней,
поместив предварительно между ними проволоку. Для того чтобы
нижний конец плаката при демонстрации не загибался, аналогич¬
ным' способом к нему прикрепляют кусок проволоки.
Вешают плакат на доску с помощью куска бечевки, концы ко¬
торой привязывают к кольцам верхней проволоки, илй* вдевают
кольца в гвозди, предварительно вбитые в верхний край доски.
В. И. Пиляев
(Ворошиловградскал обл
г. Первальск)
КАК СДЕЛАТЬ КАДРОВУЮ РАМКУ
* Большую помощь в работе учителя оказывает применение
проекционного фонаря ФОС-115 в качестве графопроектора.
Необходимые для показа
полняются цветной тушью на
очищенной и обезжиренной
рентгеновской пленке (шири¬
на 70 мм, длина 2,5 м) или
широкоформатной фотоплен-.
ке. Каждый кадр пленки за¬
полняют материалом по раз¬
мерам окна кадровой рамки.
Для ее изготовления исполь¬
зуют тонкое органическое
стекло, легко изменяющее
свою форму при нагревании
его электропаяльником * или
спиртовкой. (Размер и форма
рамки показаны на рисунке,
где 1 — зажим, 2 и 3 — соот¬
ветственно нижняя и верхняя
части' рамки, 4—винт, 5—
шайба, 6— вставленная в рам¬
ку пленка.)
учащимся рисунки, схемы вы-
Рис.
содержание
От составителей . 3
Общее оборудование кабинета физики
М. Я. Козаков, А. Н. Гаваза. Комплекс технических средств обуче¬
ния в кабинете физики 5
Ю. П. Марфин. Электроснабжение лабораторных столов в кабинете
физики .13
С. А. Колобов. Самодельная приставка к аппарату ЛЭТИ-60 для де¬
монстрации диапозитивов 17
и. П. Селиванов. Синхронизирующая приставка к автоматическому
диапроектору . . 19
А. Н. Кузибецкий, А. П. Попов. Использование чувствительных дат¬
чиков в физических демонстрациях 21
А. Н. Кузибецкий, А. П. Попов. Электронный лабораторный секун¬
домер 24
А. Ф. Шибаев. Датчики для включения и выключения секундомера 27
A. В. Конев. Об использовании стеклянной доски в кабинете физики 31
Механика
Л. И. Анциферов. Комплект приборов по механике 33
B. Н. Чувашов. Комплект оборудования для изучения законов ки¬
нематики 44
В. Б. Мулевский. Демонстрационный прибор по механике . . « 45
Д. Н. Кузибецкий, А. П. Попов. Прибор по кинематике .... 49
В. Б. Мулевский. Установка для наблюдения движения тел под
действием силы тяжести при стробоскопическом освещении .... 56
A. П. Попов, А. Н. Кузибецкий. Использование стробоскопического
метода для изучения механических явлений 62
Г. И. Плотников. Демонстрация к введению понятия инертности . 66
Г. Ф. Воловик. Модель для определения ускорения тела при равно¬
ускоренном движении * 68
U. П. Головин. Прибор для изучения ускоренного движения . , 70
B. Б. Мулевский. Динамометр .73
Молекулярная физика
Е. Б. Мягков. Опыты с демонстрационным микроманометром . . 77
Л. И. Кузнецова, М. Е. Кузнецов. Работа физического практикума в
IX классе «Определение удельной теплоты парообразования воды» . . 79
C. М. Дураев, Н. Г. Ширчков. Демонстрация перехода насыщенных
паров-в ненасыщенные и обратно 81
A. С. Холод. Модель тепловой машины . . —
B. Ф. Шилов. Модели .83
Электродинамика
В. Я. Тараненко. Демонстрация зависимости сопротивления метал¬
лических проводников от температуры 88
А. Я. Кузьмин, 3. Н. Матвеева. Использование электрического мето¬
да для измерения неэлектрических величин . 89
190
Я. Ф. Хлмбов. Установка для измерения индукции магнитного поля 93
Е. И. Бланк. Демонстрация некоторых применений ферромагнитных
веществ в технике 95
Г. И. Жерехов. Демонстрации по электронике и радиоэлектронике 99
Колебания и волны
Л. И. Базалийский. Волновая машина • . .103
Л. Ф. Шибаев. Простой школьный усилитель низкой частоты на
транзисторах 108
С. А. Хорошавин. Две демонстрации с генератором сантиметровых
волн 111
В. Н. Воробьев, Г. В. Оглоблин. Демонстрационный генератор сан¬
тиметровых электромагнитных волн на диоде Ганна 117
П. И. Король. Демонстрационный локатор на базе школьного ос¬
циллографа ИВ
В. А. Орлов. Действующая модель автоматической телефонной станции 123
Оптика
В. И. Ринский. Демонстрация преобразования энергии света . ,127
Н. М. Ростовцев. Способ демонстрации венцов 130
Физика атома и атомного ядра
О. Ф. Кабардин, А. X. Суербаев. Лабораторная работа по регистра¬
ции превращения гамма-квантов в электронно-позитронные пары . . 133
Л. П. Минько. Школьный радиометр и приспособления к нему для -п
опытов по радиоактивности 138
Л. В. Сенин. Модель синхрофазотрона 143
Астрономия
Е. И. Ковязин, В. Н. Шиляев. Простейший .школьный астрограф , 144
Л. К. Муртазов. Электрофотометр .... - 147
Внеклассная работа
Л. С. Холод. Демонстрация относительности движения * . . . .150
В. П. Орехов. Простые приборы для демонстрации относительности
движения и сложения перемещений 158
Л. Муталуп. Прибор для демонстрации теплопроводности . . .161
Г. Я. Чебыкин. Прибор для показа взаимодействия прямого тока
с магнитным полем 162
Л. Л. Бабаев. Прибор для изучения силы, действующей на элемент
тока малой длины 164
Я. Л Маринец. Генератор переменного тока с изменяющимся магнит¬
ным потоком при неподвижном контуре и неподвижном магните . . 165
Я. С. Прокопец. Магнитометр . . . . Л* 167
Н. Я. Белозерский. Простая приставка к школьному осциллографу 172
М. Л. Анисенко, М. Ф. Безрукий, С. А. Хорошавин. Самодвижущая-
ся тележка с набором блоков -для опытов по автоматике и телемеханике 174
Предложения и советы
/О. Б. Зотов. К демонстрации свободного падения v . . ,181
Г. М. Миронов. Прибор для демонстрации состояния Невесомости , —
Л. Я. Вишневский. Сварка термопар 182
Я. Я. Красиков. Некоторые опыты по электричеству . . . .183
Я. М. Канаев. Обнаружение распределения зарядов на поверхности
цилиндрического проводника с коническим выступом 184
В. С. Рыжановский. Механическая модель инерционного движения
электрона —
Л. В. Набатов. Восстановление работоспособности полупроводниково¬
го термоэлемента 185
A. Я. Ридченко. Наблюдение магнитных спектров 187
Е. Я. Коротков. Об одном способе включения ртутно-кварцевой
лампы типа ПРК-4 —
Л. А. Бабаев. Крепление таблиц и плакатов 188
B. Н. Лиляев. Как сделать кадровую рамку 189
191
Составители
Галина Петровна Мансветова
Валентина Федоровна Гудкова
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ШКОЛЕ
Выпуск 6
Редактор А. И. Юдина. Художник переплета А. И. Шавард. Художники рисунко!
А. Я. Арнольдоз, А. Ф. Сысоев. Художественный редактор В. М. Прокофьев. Технически?
редактор Я. Д. Стерина. Корректоры Р. ГГ. Евдокимова, Г. 5. Хрусталева.
ИБ № 3350
Сдано в набор 20.08.80. Подписано к печати 11.03.81. 60X 90l/ie. Бум. типограф. № 3.
Гари, литер. Печать высокая. Уел. печ. л. 12. Уч.-изд. л. 12.28. Тираж 100 000 экз. Заказ
• № 3657. Цена 45 коп.
Ордена Трудового Красного .Знамени издательство «Просвещение» Государственного коми
тета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 3-й проезд
Марьиной рощи, 41.
Типография им. Смирнова Смоленского облуправления издательств, полиграфии и книж
ной торговли, г. Смоленск, пр. им. Ю. Гагарина, 2.