Text
                    ФИЗИЧЕСКИЙ
ЭКСПЕРИМЕНТ
В ШКОЛЕ

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ШКОЛЕ Пособие для учителей ВЫПУСК 5 МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1975
53 Ф50 Составитель Г. Р. Лисенкер Физический эксперимент в школе. Пособие для Ф50 учителей. Вып. 5. М., «Просвещение», 1975. 200' с. с ил.; 1 отд. л. ил. На обороте тит. л. сост.: Г. Р. Лисенкер. Книга посвящена одному из важных разделов методики препода- вания физики — эксперименту. В ней обобщен опыт передовых учи- телей и методистов по конструированию самодельных приборов по физике, описаны опыты, проводимые с нх помощью на уроках или внеклассных занятиях. Ф 60501—739 103(03)—75 124—75 53 © Издательство «Просвещение», 1975 г.
ОТ СОСТАВИТЕЛЯ Совершенствование школьного физи- ческого эксперимента — предмет творче- ства широкого круга учителей физики. Многие приборы, выпускаемые для школ промышленностью, были предложены учителями-практиками. Однако основ- ным. способом внедрения в школьную практику предлагаемых учителями кон- струкций является их изготовление в усло- виях школы. Во многих случаях учителя — изобре- татели и рационализаторы предлагают новые опыты с уже известными при- борами или дополнительные приспособ- ления к существующему оборудованию, которые расширяют возможности школь- ного физического эксперимента, делают его более выразительным, повышают его учебный эффект. С целью распространения опыта в об- ласти ' совершенствования школьного физического эксперимента издательство «Просвещение» периодически выпускает сборники «Физический эксперимент в школе», в которых публикуются статьи учителей и методистов. Структура настоящего, пятого, выпус- ка сборника отличается от предыдущих тем, что в нем выделен самостоятельный раздел, посвященный лабораторному экс- перименту. Составитель сборника выражает иск- реннюю признательность С. А. Хороша- в и н у, внесшему ряд ценных предложе- ний по улучшению рукописи, а также благодарит Б. С. 3 в о р ы к и н а, И. М. Ру- мянцева, В. А. Буроваи С. Н. Крас- никова, замечания которых по отдель- \ ным статьям помогли в работе над сборником. Замечания и предложения по данному сборнику просим направлять в редакцию физики издательства «Просвещение» пи адресу: 129846, Москва, 3-й проезд Марьи- ной рощи, д. 41.
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ОБЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО КАБИНЕТА Г. С. Фестинатов, М. И. Гринбаум (Москва) ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПРИСТАВКА Для повышения наглядности демонстраций, проводимых с применением осциллографа, целесообразно применять приставку, позволяющую получить значительно большее поле изображения и соответственно большие масштабы осциллограмм. Предлагаемая ниже приставка к осциллографу может быть выполнена в двух вариантах, каждый из которых обладает сво- ими достоинствами. Схема приставки, изготовляемой по первому варианту, приве- дена на рисунке 1. Приставка состоит из электронно-лучевой трубки 31Л033В с диаметром экрана 315 мм, блока питания и потенциометров управления яркостью и фокусировкой луча. Отклоняющие напряжения и напряжение гашения обратного хода луча подаются с помощью проводников с соответствующих точек «ведущего» осциллографа. Эти напряжения обычно выве- дены на специальный щиток, закрепленный на задней стенке осциллографа. Основным достоинством приводимой схемы является ее про- стота. В схеме используется сравнительно простой трансформа- тор, который совместно с однополупериодной схемой умножения напряжения обеспечивает нормальное питание электронно-луче- вой трубки. Недостатком схемы является то, что переменные резисторы, регулирующие яркость и фокусировку, находятся под сравни- тельно высоким потенциалом относительно шасси. Для предот- вращения пробоя и обеспечения безопасности работы с прибором необходимо крепить эти резисторы не непосредственно на шасси, а установить их на небольших панельках из изолирующего мате- риала, например органического стекла. Панельки же в свою очередь крепятся на шасси. Оси переменных резисторов удли- няются с помощью стержней со втулками, выполняемыми также 4
из пластмассы. Номиналы и параметры всех деталей приведены на схеме. Конденсаторы блока умножения напряжения должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не менее 1500 в. Полупроводниковые диоды можно взять типа Д218. Если таких диодов нет, то каждый из них можно заменить пятью последовательно соединенными диодами типа Д7Ж. Для равно- мерного распределения напряжения между последовательно сое- диненными диодами Д7Ж целесообразно каждый из них зашун- тировать резистором на 75 ком с мощностью рассеяния порядка 0,25—0,5 вт. Схема приставки, собираемая по второму варианту (рис. 2), несколько сложнее, но эта приставка позволяет получить на экра- не электронно-лучевой трубки 31ЛОЗЗВ большие размеры осцил- лограмм. Если в качестве «ведущего» осциллографа используют осцил- лограф С1-1 или школьный осциллограф, то получают чувстви- тельность 5 мм!мв, что значительно расширяет возможности демонстрационного эксперимента. Как видно из схемы, для приставки собираются два парафаз- ных усилителя и усилитель импульсов гашения обратного хода луча. Каждый парафазный усилитель представляет собой двух- 5

ламповую схему, собранную на лучевых тетродах 6П7С. Управ- ляющая сетка одной из двух ламп через резистор малого сопро- тивления соединяется с общим минусовым проводом, в качестве которого используется корпус. На управляющую сетку второй лампы парафазного усилителя с потенциометра, регулирующего амплитуду, подается сигнал с одной из пластин «ведущего» ос- циллографа. Как видно из схемы, катоды обеих ламп усилителя имеют общий резистор, обеспечивающий связь по переменной составляющей между лампами. Проследим за работой схемы. Допустим, что на управляющую сетку лампы подается нарастающее напряжение. Это приводит к увеличению тока через лампу, и потому напряжение на ее аноде уменьшается. Этим же током создается возрастающее падение напряжения на резисторе в катодной цепи, и поэтому ток через вторую лампу схемы уменьшается. В результате напряжение на аноде этой лампы возрастает. Таким образом на анодах ламп парафазного усилителя получаются одинаковые, но противофаз- ные напряжения, которые поступают на соответствующие откло- няющие пластины электронно-лучевой трубки. Равенство откло- няющих напряжений достигается выбором величины сопротивле- ния резистора катодной связи. 7
Оба парафазных усилителя для отклонения луча по осям «X» и «Y» собираются по одинаковым схемам. Усилитель импульсов гашения обратного хода луча собран по обычной схеме и имеет небольшой коэффициент усиления (поряд- ка 3). В приставке предусмотрено перемещение луча вверх и вниз, вправо и влево, что необходимо для центровки изображения и для исследования какой-либо части осциллограммы. Блок питания для второго варианта приставки несколько сложнее, чем для первого, так как необходимо еще постоянное напряжение порядка 500—550 в для питания анодных и экранных цепей парафазных усилителей. Его схема приведена на рисунке 3. Поскольку промышленностью не выпускаются электролитиче- ские конденсаторы с ра- бочими напряжениями, пригодными для исполь- зования в фильтре этого выпрямителя, то необхо- димо в каждой ячейке фильтра применять по два соединенных последова- тельно электролитических конденсатора. При монта- же выпрямителя нужно верхние. (по схеме) кон- денсаторы фильтра уста- навливать на изолирую- щих панелях или для изо- ляции корпуса этого кон- денсатора от шасси ста- вить специальные шайбы. В фильтре можно при- менить дроссель от теле- визора «Рубин», исполь- зуя одну из его обмоток. Могут быть использованы также дроссели от теле- визора «Старт» и ему по- добных. В первом варианте приставки можно в каче- стве силового трансфор- матора использовать гото- вый силовой трансформа- тор от приемника «Урал» старых выпусков. У этого трансформатора‘ повыша- ющая обмотка имеет вы- 0335 0275 g 0375 Рис. 6
Рис. 7 вод от средней точки, который следу- ет заизолировать. Вся обмотка исполь- зуется в схеме умножения напряже- ния. Трансформатор можно изготовить и самостоятельно. Сердечник набира- ют из железа Ш26; толщина набора 47 мм. Сетевая обмотка на 22(Ев со- держит 860 витков провода ПЭВ-0,41. Повышающая обмотка (612 в) содер- жит 2700 витков провода ПЭВ-0,1. Об- мотка накала на 6,3 в состоит из 28 витков провода ПЭВ-0,76. Обмотка накала электронно-лучевой трубки изолируется от остальных обмоток дву- мя слоями лакоткани. Если же предполагается изготовление приставки к осцилло- графу по второму варианту, то потребуется более мощный сило- вой трансформатор. Его наматывают на железе Ш32 при тол- щине пакета 42 мм. Сетевая обмотка на 220 в должна содержать 866 витков про- вода ПЭВ-0,56; повышающая обмотка для питания электронно- лучевой трубки изолируется от остальных обмоток двумя слоями лакоткани. Габаритные чертежи шасси прибора, лицевой панели и кольца обрамления трубки приведены на рисунках 4—6. Общий вид при- бора показан на рисунке 7. Для соединения с «ведущим» осцил- лографом на задней стенке шасси устанавливается щиток с вин- товыми зажимами (клеммами). В зависимости от того, какой вариант приставки собирается, устанавливают ту или иную систему зажимов. На щитке для приставки первого варианта устанавливают шесть зажимов (четыре зажима входа отклоняющих пластин, импульс гашения обратного хода луча и корпус), а для приставки второго вари- анта — четыре зажима (вход «X», вход «У», гашение обратного хода луча и корпус). На том же щитке целесообразно установить выключатель сети и колодку предохранителя. Подготовку к демонстрации с применением осциллографиче- ской приставки проводят в такой последовательности. Располагают приставку экраном к классу (экран «ведущего» осциллографа должен быть виден учителю). Выполняют все соединения между щитками приставки и «веду- щего» осциллографа, следя за тем, чтобы надежно были соеди- нены корпуса приборов. Включают «ведущий» осциллограф и подают на него иссле- дуемый сигнал. Манипулируя регулировками частоты, амплитуды 9
синхронизации и усиления по обоим каналам, добиваются устой- чивой осциллограммы. После этого включают питание приставки и регулировкой яркости, фокусировки, центровки и усиления получают желаемую картину осциллограммы. Включать питание приставки до подачи на ее вход отклоняю- щего напряжения не следует, так как если луч хорошо сфокуси- рован и яркость велика, то может быть разрушен люминофор экрана и электронно-лучевая трубка выйдет из строя. А. Н. Богатырев (Москва) ЭЛЕКТРОННЫЙ МИЛЛИСЕКУНДОМЕР < С ЦИФРОВОЙ индикацией Предлагаемый миллисекундомер является школьным демонст- рационным прибором, позволяющим измерять интервалы времени в следующих диапазонах: 0—99 сек,, 0—9,9 сек, 0—0,99 сек, 0— 0,099 сек. Показания прибора от- считываются по двум цифро- вым неоновым индикатор- ным лампам. Общий вид прибора показан на рисун- ке 1. Наибольшая приведен- ная погрешность измерения на всех диапазонах равна ±1%. Прибор может быть так- же использован для счета импульсов с амплитудой 6—15 в и частотой следова- ния от 1 до 1000 гц. Принцип действия прибора Прибор состюйт из следующих основных блоков: генератора импульсов (мультивибратор), двух последовательно включенных пересчетных декад с цифровыми индикаторами типа ИН-1 и блока питания. Схема прибора приведена на рисунке 2. Мультивибратор (рис. 3) собран на двух кремниевых тран- зисторах Т[—Т2. Необходимая частота генерации (1, 10, 100 или 1000 гц) устанавливается переключением конденсаторов связи Ci—С8. Ручка переключения расположена на лицевой панели 10
прибора. Точная установка частоты в процессе наладки осущест- вляется переменными сопротивлениями R7—Rio. На мультивибратор подается стабилизированное напряжение 20 в. Использование кремниевых транзисторов, параметры кото- рых мало зависят от изменения температуры, а также стабилиза- ция напряжения питания обеспечивают стабильность частоты мультивибратора не хуже ± 1,5-10~3. При максимальной емкости счета (100 импульсов) погрешность измерения, обусловленная нестабильностью генератора, не превосходит ±0,15% от наиболь- шего показания прибора. При переводе переключателя в положение «Пуск» или сраба- тывании контактного датчика импульсы мультивибратора начи- нают поступать на десятичный счетчик (рис. 4), состоящий из четырех одинаковых триггеров (транзисторы —Т8 на рис. 2). При исходном состоянии триггеров, принимаемом за нулевое, левые транзисторы (7\ Т3, Т5, Т7) заперты, а правые (Т2, Т4, Т$, Т8) открыты. Обозначим это состояние счетчика кодом 0000. Пер- вый импульс переводит триггер первой декады в единичное поло- жение, состояние других счетчиков не меняется (0001). Пере- броска триггеров по мере поступления входных импульсов проис- ходит в следующем порядке: 1 — 0001, 4 — ОНО, 7 — 1011, 2 — 0010, 5 — 0111, 8 — 1110, 3 — ООП, 6 — 1010, 9 — 1111. С поступлением десятого импульса все триггеры первой дека- ды устанавливаются в нулевое положение. Одновременно с этим на вторую декаду поступает импульс, устанавливающий ее пер- вый триггер в единичное положение. Таким образом, в разряде единиц фиксируется «0», а в разряде десятков «1». Для перевода приведенного кода в систему цифровой индика- ции используется дешифратор, состоящий из 30 диодов. Выходные импульсы счетчика поступают на электронные клю- чи (транзисторы То—Тю), предназначенные для коммутации высокого напряжения в цепи питания индикаторных ламп ИН-1. Напряжение с ключей подается на диодный дешифратор (Д13— Д42), имеющий десять горизонтальных шин. При любом из воз- можных состояний восьми ключей отрицательный потенциал 100 в подается только на один из десяти катодов индикаторной лампы. Между этим катодом и общим анодом, на который посто- янно подан потенциал ±70 в, возникает разность потенциалов 170 в, достаточная для образования тлеющего разряда. Счетчик состоит из двух декад, что позволяет вести счет до 99; сотый импульс устанавливает счетчик в нулевое положение, и счет начинается сначала. Блок питания (рис. 5) дает следующие напряжения: ±1,5» — 12, +20, +70, —100 в. 11
Рис. 2
МММ
Трансформатор блока питания имеет сердечник типа УШ19Х Х38. Обмотка I содержит 1120 витков провода ПЭЛ-0,15; обмотка II — 560 витков провода ПЭЛ-0,255 + 392 витков провода ПЭЛ-0,1; обмотка III — 68 витков провода ПЭЛ-0,2; обмотка IV — 9 витков провода ПЭЛ-0,1 и обмотка V— 112 витков про- вода ПЭЛ-0,1. В блоке питания удобно использовать сердечник и сетевую обмотку от накального трансформатора телевизора «Рекорд». Питание индикаторных ламп ИН-1 осуществляется пульсиру- ющим напряжением 50 гц, что упрощает выпрямитель. При этом яркость и четкость индикации остается такой же, как и при пита- нии ламп постоянным напряжением. Рис, 4 14
Рис. 5 Работа с миллисекундомером Миллисекундомер включают в сеть напряжением 220 в. Перед началом измерения счетчик устанавливают в нулевое положение, для этого ключ переводят в положение «Сброс». Нужный диапа- зон измерения времени устанавливают с помощью переключателя, расположенного на лицевой, панели. Пуск миллисекундоме- ра производят замыканием контактного датчика, лодключенно- го к зажимам «Вход», или путем перевода ключа в положение «Пуск». Наличие диапазона 0—100 сек позволяет измерять период и частоту медленных колебаний пружинного маятника, а также строить графики изменения температуры кристаллического или аморфного тела при нагревании. Диапазон 0—0,099 сек позволяет непосредственно измерить скорость звука в воздухе в условиях физического кабинета. В этом случае в качестве датчиков исполь- зуются угольные микрофоны. Если их расположить на расстоянии трех-четырех метров, то время распространения звуковой волны составляет 9—11 жсеус. Для этой демонстрации механическое пусковое устройство должно быть заменено электронным. 15
Прибор может использоваться также для счета импульсов, поступающих от школьного демонстрационного счетчика ионизи- рующих частиц. В этом случае он работает как радиометр. Счет- чик частиц подключается к нему непосредственно, без усилителя (верхняя клемма «Вход» и клемма, соединенная с корпусом прибора). При работе с прибором нужно учитывать, что погрешность измерения времени импульсным Кшллисекундомером в основном определяется тем, насколькр совпадают моменты включения и выключения прибора с моментами поступления импульсов на вход счетчика. В наиболее неблагоприятных случаях показания ,прибор а отличаются от истинного значения времени на один пе- риод. При максимальной емкости счета в 100 импульсов наиболь- шая приведенная погрешность равна ±1%; она в несколько раз превышает погрешность, обусловленную нестабильностью работы внутреннего генератора (±0,15%). Поэтому если требуется высокая точность, то измерения про- водятся несколько раз и берется среднее значение нескольких показаний прибора. Приводим перечень деталей, используемых в приборе. । Пересчетная декада (рис. 2) Транзисторы: 1\—Т8 типа МП39Б; TQ—Г1б типа МП26. Диоды Д1—Д12 типа Д9Д; диоды дешифратора Дю—Д42 типа Д9Ж- Индикаторная лампа типа ИН-1. Резисторы: R8, Ro, Rio, Ris, #25, #26, #33 типа МЛТ-0,5 (68 к); #2, #7, Rio, #15, #19, #24, #32 типа МЛТ-0,5 (2 к); R3, R6, Rn, RH, #20, #23, #28, #31 типа МЛТ-0,5 (15 к); R4, R$, #i2, #13, #21, R22, #29, #зо. типа МЛТ-0,5 (Юк); Ri7 типа МЛТ-0,5 (1 к); R34, R36, R38, R40, #42, #44, #46, #48 типа МЛТ-0,5 (15 к); #35, #37, #зэ, #41, #43, #45, #47, #4э типа МЛТ-0,5 (56 к); R51—R60 типа МЛТ-0,5 (36 к); #6i типа МЛТ-0,5 (15 к). Конденсаторы: С2, С3, С6, С7, Сю, Си, Си, Сю, С17 типа ПС (510 /20); Ci, С4, С5, С8, Со, С12, Сю, Сю, Сю типа КДС (3300 пф). Мультивибратор (рис. 3) Диоды: Ди Д2, Д4, Д5 типа Д9Д; Д3 типа Д813. Транзисторы Ti, Т2 типа МП111. Резисторы: Д, R6 типа МЛТ-0,5 (2 к); R2, R5 типа МЛТ-0,5 (Юк); R3, R4 типа МЛТ-0,5 (20 к); #ц—#14 типаМЛТ-0,5 (10— 22 к, подбираются при регулировке); R15 типа МЛТ-0,5 (680 ом); #7—#ю типа СПО-0,5 (1,8 к); Дб,#19 типа МЛТ-0,5 (2 к); Rl7, Rl8 типа МЛТ-0,5 (Юк); R2Q, R23 типа МЛТ-0,5 (68к); R21, R22 типа МЛТ-0,5 (15 к). 16
Конденсаторы: СЦ, С5 типа МБГО-2 (160в, 20,0мкф)-, С2, С& типа МБМ (160в, 2X1,0 мкф)-, С3, С7 типа МБМ (160e, 2Х ХО,1жк0); С4, С2 типа БМ (200в, 0,022 мкф). Переключатель К/7] типа ВГЗ-602-023. Поворотный переклю- чатель Я1 типа ПГГ5П4Н. Блок питания Диоды Д1—Д4 типа Д226. Резисторы R\, R2 типа МДТ-05 (91 ом). Конденсаторы: Cif С2, С3 типа ЭГЦ (30 в, 500 мкф)-, С3, С4 типа ЭГЦ (30 в, 100 мкф). Выключатель Вх типа ТВ-2-1. Пре- дохранитель ПРХ типа ПМ (0,25 а). М. Г. Целинка (Житомир) ЭЛЕКТРОННЫЙ МИЛЛИВОЛЬТМЕТР-СЕКУНДОМЕР Устройство прибора Прибор состоит из блока питания и измерительной части. Его общий вид представлен на рисунке 1, а схема — на рисунке 2. В блоке питания (на схеме он выделен пунктиром) применен силовой трансформатор Тр от радиолы «Рекорд» (можно исполь- зовать силовой трансформатор от любого радиовещательного приемника). Выпрямление осуществляется одним полупроводни- ковым диодом Д7Ж. Резистор /?i (1 ком, 1 вт) служит для огра- ничения величины зарядного тока конденсатора Сх в момент включения прибора в сеть. Конденсатор С\ (10 мкф, 400 в) входит в состав фильтра. • Так как для нормальной работы прибора требуется стабили- зированное напряжение, то в схему введен газовый стабилитрон СГ4С илиСПП (он дает напряжение на выходе 150в). Для огра- ничения тока, текущего через стабилитрон, до нормального зна- чения служит проволочный ре- зистор R2, его сопротивление 5,1 ком. При отсутствии такого резистора его можно заменить двумя параллельно соединен- ными резисторами по 10 ком (мощность рассеяния каждо- го — 2 вт) или же двумя после- довательно включенными ре- зисторами по 2,4 ком с такой же мощностью рассеяния. Конденсатор С2 имеет ем- кость 20 мкф и рабочее напря- жение 200 в; он служит для по- нижения внутреннего сопротив- Рис. 1 2 Заказ № 2369 17
Рис. 2 ления блока питания (источника постоянного напряжения), что юблегчает подбор резисторов R7—Ri2, определяющих цену деле- ния шкалы прибора в единицах времени. Измерительная часть прибора (ее схема изображена на ри- сунке 2 справа) собрана по мостовой схеме на двойном триоде 6Н8С (или 6Н1П). В диагональ моста, образованного резисторами Ri3 и Ru, дву- мя половинками двойного триода и резисторами R3, R$, Re, вклю- чен измеритель тока — миллиамперметр на 1 ма. Параметры этих резисторов таковы: Ri3— 4,7 ком, 2 вт; Ru — 2,2 ком, 0,5 вт; R3 — 33 ком, 2 вт; Ri — 2,2 ком, 2 вт; R6 — 24 ком, 1 вт. В демонстраци- онных опытах миллиамперметр с помощью тумблера П2 отключа- ется, вместо него через зажимы Г подключается демонстрацион- ный гальванометр или чувствительное реле (РП-5). Переменный резистор Re (4,7 ком, 2вт) шунтирует соединенные с зажимами Г измерительные приборы и этим позволяет изменять их чувстви- тельность. Грубое балансирование моста осуществляется резистором R3, смонтированным на шасси, а тонкое — резистором Ri, выведен- ным на переднюю панель прибора (установка на нуль). Левый триод лампы используется для устройства электронного вольтметра. Измеряемое напряжение подводят к зажимам 18
«Вх. mV»; через резистор Ri6 (3,3 Мом, 0,5 вт) оно поступает на управляющую сетку триода. Если на сетку поступает отрицатель- ный потенциал, то анодный ток в левом триоде уменьшается, что уменьшает падение напряжения на резисторе /?3; на резисторе же Re падение напряжения остается постоянным. Вследствие этого баланс моста нарушается, и через измерительный прибор проте- кает ток. При подаче на зажимы «Вх. mV» напряжения 2 в стрелка миллиамперметра отклонится на всю шкалу. На основании этого измеритель тока можно превратить в измеритель напряжения, рассчитанный на 2 в, и соответственно переградуировать шкалу прибора (входное сопротивление в данном случае 20 Мом/в). Если же к зажимам Г подключить демонстрационный гальвано- метр, то можно получить вольтметр с пределами измерения от 400 до 2000 мв (эти пределы зависят от положения ползунка ре- зистора R5). Конденсатор С4 (6800 пф) служит для подавления высоко- частотных наводок в цепях, подключаемых к входу установки. Правый триод лампы используется для устройства электрон- ного секундомера. Его действие основано на измерении напряже- ния, до которого заряжается конденсатор С3 (5,0 мф) за опреде- ляемый промежуток времени. Известно, что напряжение на конденсаторе при его зарядке изменяется со временем по закону: t U=U0(l—e~RC), где Uо — напряжение источника, R — полное сопротивление цепи (внешнее вместе с внутренним), С — емкость конденсатора, t — время зарядки. Разлагая экспоненту в ряд, получим: и==и ( * t2 н р \ °\ RC 2!7?2С2' 3!7?3С3 ’ ” /! * t Когда t<^.RC, т. е. когда 1, можно пренебречь члена- ми высшего порядка малости. Тогда формула принимает вид: При R= const и С=const напряжение U является линейной функ- цией времени. Следовательно, шкала электроизмерительного при- бора, переградуированная в единицы времени, тоже будет линей- ной. 2* 19
t Очевидно, что условие линейности шкалы * будет вы- полнено, если 77^ L В нашем случае Uo—150 в, а максимальное напряжение U, до которого заряжается конденсатор С3 за измеряемый промежуток времени, не превышает 2 в. Поэтому Uo 150<Г При замыкании входных зажимов секундомера «Вх. сек» кон- денсатор С3 заряжается от блока питания через один из резисто- ров R7—/?12, которые вводятся в цепь с помощью одноплатного переключателя ГЦ. Величина включенного сопротивления опре- деляет время зарядки конденсатора и шкалу секундомера: шкалы рассчитаны на 5,0; 1,0; 0,5; 0,1; 0,01; 0,001 сек. После нажатия на кнопку К (сброс показания) конденсатор С3 разряжается и стрел- ка прибора возвращается на нулевую отметку шкалы. Утечка конденсатора С3 должна быть по возможности мень- шей. Тогда показания прибора будут строго фиксированными. Этот конденсатор может быть бумажным. Параметры резисторов: — 25,5 Мом, 0,25 вт; — 5,1 Мом, 0,25 вт; R9 — 2,55 Мом, 0,25 вт; /?ю — 510 ком, 0,25 вт; Rn — 51 ком, 0,25 вт; Ri2 — 5,1 ком, 0,5 вт. Резистор R7 можно составить из пяти последова- тельно соединенных резисторов по 5,1 Мом, а Т?9 — из двух па- раллельно соединенных резисторов по 5,1 Мом. Градуировка секундомера осуществляется при помощи сёкунд- ного маятника с длиной нити около 1 м и металлическим шариком на конце. Период полного колебания такого маятника 2 сек. Пред- варительно проверяют это, используя обыкновенный секундомер. Далее собирают установку, показанную на рисунке 3, и со- единяют ее с входными зажимами электронного секундомера «Вх. сек».. Переключатель диапа- зонов шкал ставят в положение «0,5 сек», что соответствует включе- нию резистора R9 (2,55 Мом). При пе- режигании нити, которая связывает шарик маятника с одной из контакт- ных пластин А (можно использо- вать контакты от телефонного реле), зарядная цепь конденсатора С3 замы- кается. Шарик, проходя положение равновесия, ударяет по вертикаль- ной металлической пластине В, ко- торая, поворачиваясь вокруг оси О, размыкает цепь конденсатора; за- 20
рядка прекращается, и стрелка измерителя тока останавливается на шкале в определенном месте. Подбором сопротивления пере- менного резистора R13 добиваются того, чтобы стрелка остано- вилась точно в конце шкалы. Далее проверяют линейность шкалы в диапазоне «1 сек», что соответствует включению резистора Т?8 (5,1 Мом) \ от одного удара маятника стрелка прибора должна остановиться на середине шкалы, а, от двух — в конце ее. При проверке линейности шкалы в диапазоне «5 сек», что соответствует вводу резистора Т?7 (25,5 Мом), стрелка прибора должна остановиться в конце шкалы после десяти ударов маят- ника. При использовании в приборе миллиамперметра класса точ- ности 2,5 приведенная погрешность электронного секундомера меньше 5%. Когда же в качестве измерителя тока применяется демонстрационный гальванометр, приведенная погрешность не превышает 10%. Перестройка прибора из лабораторного в демонстрационный осуществляется следующим образом. Поставив переключатель диапазонов в положение «5 сек» (вводят резистор R7), замы- кают накоротко входные зажимы секундомера «Вх. сек». При подходе стрелки к концу шкалы входные зажимы секундомера размыкают. К зажимам Г присоединяют демонстрационный галь- ванометр, а тумблером П2 отключают собственный измеритель тока и включают гальванометр. Вращая ручку переменного ре- зистора /?5 («Установка Г»), устанавливают стрелку прибора точно в конце шкалы и нажимают кнопку К. Этой операцией уравнивают чувствительности по току демонстрационного гальва- нометра и миллиамперметра, вмонтированного в прибор, и, таким образом, шкала гальванометра градуируется в единицах времени по всем шести диапазонам, так же как и шкала милли- амперметра. На переднюю панель прибора выносятся: тумблер «220» для включения питания прибора; ручка переключателя П\ для изме- нения цены деления шкалы; тумблер П2, ручка резистора /?4 («Установка на нуль»); ручка резистора Т?5 («Установка Г»)/ входные зажимы «Вх. сек»-, входные зажимы «Вх. mV»- зажи- мы Г. Применение прибора С прибором можно провести ряд лабораторных и демонстра- ционных опытов. Вот краткое описание некоторых из них. Проверка законов кинематики и динамики. Применение опи- санного секундомера в этих опытах позволяет получить достаточ- но точные результаты. Для их проведения нужно изготовить два контактных датчика и соединить их с зажимами «Вх. сек». Первая пара контактов замыкается движущейся тележкой или 21
Рис. 4 свободно падающим шариком в начале пути, а вторая пара размыкается в конце этого пути. Измерение времени распро- странения механического им- пульса в металлических стерж- нях. Для опыта используют ус тановку, которую собирают по рисунку 4. В свободном состоянии молоточек А плотно прилегает к стержню. Молоточек В может свободно поворачиваться вокруг оси С. Перед началом измере- ний молоточек А отводят влево и между ним и стержнем поме- щают пластинку из гетинакса или иного изоляционного мате- риала, молоточек В приближают к стержню; установку соеди- няют со входом секундомера «Вх. сек». Оттягивают молоточек А (изоляционная пластинка при этом выпадает) и отпускают его. Происходит удар и одновременно замыкается вход секундомера. По стержню начинает распространяться импульс (единичная волна), который в конце стержня отбросит молоточек В и разом- кнет входную цепь секундомера. Зная длину стержня (120— 130 см) и время распространения импульса, рассчитывают ско- рость распространения волны. Демонстрация ионной проводимости воздуха. При проведении этого опыта прибор используется как милливольтметр. При этом к зажимам Г присоединяют демонстрационный гальванометр, а встроенный миллиамперметр отключают. Кроме этого милли- вольтметра, используют источник постоянного регулируемого напряжения (например, ВУП), демонстрационный раздвижной конденсатор, спиртовку или свечу. Демонстрацию проводят в сле- дующем порядке. Пластины конденсатора раздвигают на 5—10 см, присоединя- ют их к зажимам «Вх. mV» прибора, подводят к ним напряжение 100—200 в и замыкают цепь. При этом не наблюдается сколько- нибудь заметного отклонения стрелки гальванометра. Следова- тельно, воздух при комнатной температуре не проводит ток. Да- лее вносят в пространство между пластинами пламя спиртовки. Теперь видно, что стрелка гальванометра отклоняется на 5—6 делений, т. е. воздушный промежуток между пластинами обладает электропроводностью. Если к зажимам Г вместо гальванометра присоединить электромагнитное реле РП-5, то установка превра- щается в ионное реле. При внесении пламени в воздушный проме- жуток конденсатора реле срабатывает и включает исполнитель- ную цепи. Действие вакуумного фотоэлемента. К зажимам «Вх. mV» подключают вакуумный фотоэлемент. При освещении его естест- венным светом стрелка демонстрационного гальванометра откло- няется на 5—6 делений. Соединяют фотоэлемент с источником регулируемого напряжения и, изменяя освещенность, демонстри- 22
рук£г зависимость тока насыщения от освещенности фотока- тода. Если вместо демонстрационного гальванометра подключают электромагнитное реле РП-5, то установка превращается в фото- реле. При освещении фотокатода естественным светом реле сра- батывает и включает исполнительную цепь. Переменным резисто- ром Rs регулируют порог срабатывания реле. Прибор можно использовать также для демонстрации погло- щения света растворами и прозрачными телами и др. В. Ф. Шилов (Москва) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕКУНДОМЕР При выполении лабораторных работ «Определение механиче- ской мощности электрического двигателя», «Наблюдение за про- цессом плавления нафталина и построение графика температу- ры», «Наблюдение за процессом кипения воды и построение графика температуры», «Определение эффективности установки с электрическим нагревателем», «Изучение законов кинематики», «Определение ускорения при свободном падении», «Определение зависимости мощности на валу электрического двигателя от числа оборотов», «Определение электрохимического эквивалента меди» и «Определение ускорения свободного падения при помощи маят- ника» требуется отсчитыватызначительные промежутки времени. При использовании метронома учащиеся, особенно в младших классах, хором считают число ударов. , Более удобен настенный электрический секундомер. Его мож- но изготовить из импульсных электрических часов, например типа ЭЧО,. Такие часы обычно устанавливаются в служебных поме- щениях, в том числе и в школах. Они приводятся в действие с помощью базовых маятниковых часов, посылающих ежеминутно импульсы электрического тока чередующейся полярности. Если изготовить генератор, дающий импульсы каждую секун- ду, то электрические импульсные часы можно превратить в секун- домер. Схема такого генератора вместе с блоком питания пред- ставлена на рисунке. Генератор работает на транзисторах Л'и Т2 с одинаковыми коэффициентами усиления по схеме симметрич- ного мультивибратора. В коллекторные цепи транзисторов вклю- чены две отдельные обмотки поляризованного реле типа РП-4. Сопротивление каждой обмотки равно 1100 ом. Для питания мультивибратора необходимо изготовить выпря- митель со стабилизированным напряжением. В выпрямителе можно использовать выходной трансформатор от радиоприем- ника, увеличив число витков во вторичной обмотке таким обра- зом, чтобы при включении трансформатора в сеть с напряже- нием 220 в на зажимах вторичной обмотки было напряжение 23
Рис. 1 13—15 в. Стабилизация напряжения необходима для обеспече- ния точности хода секундомера. После подачи напряжения на мультивибратор последний нужно настроить так, чтобы им- пульсы следовали через каждую секунду. Это достигается подбором сопротивлений резисторов Ri и Электрические часы работают четко, если на обмотку электро- магнита подается постоянное напряжение в 70—80 в с периоди- чески меняющейся полярностью. Для выполнения этих условий мостиковый выпрямитель Д6—Д9 подключен к электросети через конденсатор С5, а выход выпрямителя нагружен проволочным резистором /?4 со средней точкой (им может быть и переменный проволочный резистор). Обмотку электромагнита электрических часов включают между якорем реле РП-4 и средней точкой резистора R4. При работе мультивибратора якорь реле ежесекундно пере- брасывается из одного крайнего положения в другое и обратно и тем самым обеспечивает работу электрического секундомера. Электрический секундомер размещают в кабинете физики над доской. А перед проведением лабораторных опытов учащимся поясняют, что большая стрелка часов отсчитывает секунды, а малая — минуты. Верхний предел измерения — 12 мин. Используемые в приборе детали имеют следующие номиналы: резисторы постоянные — 7?1=7?2 = 12 ком, R3— 150 ом, R4 = 1 ком; конденсаторы Ci = С2 = 100,0 мкф . (30 в), С,3 = С,4=1000 мкф (20 в), С5=1,0 мкф; диоды — типа Д809 и Д2—Дэ типа Д226; транзисторы 7\ и Т2 типа М142. 24
А. П. Попов (г. Михайловка Волгоградской обл.) ПРОСТОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ Для измерения промежутков времени продолжительностью от 0,001 до 100 сек можно воспользоваться установкой, схема ко- торой приведена на рисунке. Она состоит из универсального блока питания, батареи конденсаторов С на 58 мкф, школьного элект- ронного осциллографа, ключа К и резистора /?. При замыкании контактов «а—а» конденсатор С начинает заряжаться от источ- ника постоянного тока через резистор R. Напряжение на зажимах конденсатора можно с известным приближением считать пропор- циональным промежутку времени, в течение которого контакты «а—а» остаются замкнутыми. Это напряжение подается на пластины горизонтального откло- нения электронно-лучевой трубки осциллографа. По перемеще- нию светящегося пятна на экране можно судить о величине напряжения. С целью увеличения рабочей части шкалы начало отсчета необходимо сместить влево, что достигается предвари- тельной зарядкой конденсатора до некоторого начального напря- жения от источника регулируемого напряжения (0—100 в) при замыкании ключа (сброс показаний). Отсчет времени может производиться по имеющимся линиям «сетки» перед экраном. Однако желательно изготовить специаль- ную шкалу из полоски ватмана и закрепить ее с помощью липкой ленты на экране горизонтально несколько ниже хода луча. Чув- ствительность прибора при измерении времени Et (в мм/сек) определяется соотношением „ ExUq Е>=^с~ где Ех — чувствительность трубки осциллографа (в мм/в), Uo — напряжение питания (350 в), R — сопротивление резистора (в омах), С — емкость конденсатора (в фарадах). , Подбором номинала резистора R, в качестве которого исполь- зуется, например, постоянный МЛТ-1, и переключением емко- сти батареи С можно получить нужный предел измерения про- межутков времени. В качестве примера примене- ния описанного способа изме- рения промежутков времени рассмотрим проведение опыта по определению времени соуда- рения стальных шаров. Послед- нее весьма мало и обычно со- непроволочный резистор типа 25
ставляет 5—15 мсек. Следовательно, отклонение луча на всю шкалу должно соответствовать 20 мсек. При длине рабочей части шкалы 100 мм необходимая чувствительность секундомера Et = = 5000 мм!сек. Если, например, чувствительность к горизонталь- ному отклонению электронно-лучевой трубки Ех = 0,6 мм)в, а емкость конденсатора С = 8 мкф, то найденное из приведенной выше формулы сопротивление R резистора оказывается равным 5,1 ком. Шары . подвешивают к изолированным подвесам на тонких проводящих проволоках, соединяемых с контактами «а—а». За- тем, включив установку, отводят один из шаров с помощью не- проводящей пластины в сторону. После удара пластину снова вводят в образующийся между шарами промежуток и производят отсчет времени соударения. Предлагаемый способ измерения промежутков времени может найти применение в ряде школьных опытов по физике. Важно также, что этим способом можно измерять как весьма малые промежутки времени (до 0,001 сек), так и достаточно большие (до 100 сек). Е. И. Коротков (Москва) СТАБИЛИЗАТОР С ЭЛЕКТРОННЫМ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕМ Для работы с полупроводниковыми устройствами на факуль- тативных*занятиях требуется низкое стабилизированное напряже- ние. В оборудование кабинета физики средней школы входят выпрямители низкого напряжения типа ВС-24, ВС4-12 и др. Эти выпрямители обладают существенными недостатками, не позво- ляющими использовать их при работе с полупроводниками: боль- шая пульсация выпрямленного напряжения и невозможность установки выходного напряжения с нужной точностью. Предлагаемая приставка к выпрямителю позволяет устранить эти недостатки и, кроме того, ограничить ток нагрузки с помощью электронного предохранителя. Такой предохранитель обладает малой инерционностью по сравнению с тепловым/так как время его срабатывания исчисляется тысячными долями секунды. После срабатывания электронный предохранитель подключает нагрузку автоматически, если произошло уменьшение потребляемого тока (увеличение сопротивления нагрузки). Стабилизатор позволяет плавно устанавливать выходное напряжение, в пределах от 0 до 12 в с достаточной точностью. Схема приставки представлена на рисунке 1. В технической литературе1 работа стабилизатора на составном транзисторе 1 См.: Схемы с полупроводниковыми приборами. Под ред. Р. Р. Мали- нина. М., 1960. 26
Рис, 1 и 72) неоднократно описана. Поэтому здесь мы ее не рассматри- ваем. Наибольший интерес представляет ограничитель тока, со- бранный на транзисторе Т3. При возрастании тока через нагрузку увеличивается напряжение на кремниевых диодах Д2 и Д3, вклю- ченных в прямом направлении. Это приводит к появлению тока через диоды Д2 и Д3, а следовательно, и тока базы транзистора Т3. При этом транзистор Т3 открывается, сопротивление стабили- затора резко возрастает и ток в нагрузке уменьшается. Макси- мальный ток в нагрузке можно регулировать подбором диодов Д,2 и Дз (грубо) и величиной сопротивления R3. Для получения меньшего тока срабатывания предохранителя можно рекомендо- вать включение одного диода. Ограничиваемую силу тока можно регулировать в пределах от 1,5 а до 100ма, если вместо резистора R3 включить цепочку, показанную на рисунке 2. Резистор R* огра- ничивает максимальный ток. Мощность, которую рассеивает транзистор Т2, можно подсчитать приближенно по формуле: Р == (7/ист ^нагр)Л>гр, где /0Гр — максимально допустимый ток в нагрузке. Чтобы тран- зистор Т2 не перегревался, его необходимо закреплять на тепло- отводящем радиаторе. В данной конструкции ток ограничения был выбран 1,5 а. В качестве вольтметра на 25 в был использован микроамперметр М-24 на 500 мка и внутренним сопротивлением 465 ом с дополнительным резистором. Для измерения тока, потреб- ляемого нагрузкой, поставлен пере- ключатель /71, подключающий к микроамперметру шунт. Все тран- зисторы, примененные в приставке, берутся типа П201А, но могут быть использованы и транзисторы 820 180 Рис. 2 27
Рис. 3 П202, П203, П213—П215. Для ограничения больших токов транзистор' Т2 можно взять типа П210 с соответствующим радиа- тором. Все используемые пос- тоянные резисторы берутся ти- па МЛТ-1, а переменные резис- торы — типа СП-2А. Конденса- торы Ci, С2, С3 электролитиче- ские с рабочим напряжением 30 в. Диоды Д808 могут быть замене- ны кремниевыми диодами типа Д809—Д814. Прибор монтируется в корпусе с габаритами 180Х 110X90 мм, склеенном из органического стекла (рис. 3). На переднюю панель выведены клеммы нагрузки, измерительный прибор и ось пере- менного резистора R2 для установки выходного напряжения. На задней панели устанавливаются переключатель измерительного прибора и входные клеммы. Напряжение, подаваемое на стабилизатор, зависит от типа примененных транзисторов и Г2 и для указанных выше тран- зисторов не должно превышать 25—30 в. Максимальное выходное напряжение стабилизатора (в данной конструкции — 13 в) огра- ничено напряжением стабилизации кремниевого стабилитрона Д1 и может быть ^изменено включением другого стабилитрона. Транзистор Т} желательно взять с возможно меньшим начальным током. В. И. Черняновский, М. М. Черняновская (Белгород) ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИДИМОСТИ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК Видимость демонстрационных установок обычно бывает ог- раничена .из-за сидящих впереди учащихся. Кроме того, во время демонстрации нередко оказывается, что одни приборы загораживают другие и схема всей установки не просматри- вается. Особенно это относится к демонстрациям по электри- честву. Для обеспечения видимости демонстрационных установок мы применяем специальные подъемные устройства. Подъемный столик с двумя площадками (рис. 1). Площадки столика имеют размеры 500X350 и 500X250 мм и могут быть из- готовлены из жести или многослойной фанеры. Нижняя площадка имеет приспособление для крепления столика в основании универ- сального штатива на высоте от 10 до 25 см. Верхняя площадка 28
крепится над нижнеи двумя шарнирами. Высоту верхней пло- щадки можно менять при помощи двух пар винтов, фиксирующих положение шарниров. Максимальное расстояние между площад- ками равно 20 см. Наличие двух площадок достаточно больших размеров позво- ляет при проведении опытов поднимать на нужную высоту наи- более важные для наблюдения приборы или индикаторы демон- страционной установки. Достаточно большие размеры площадок и предусмотренные в конструкции приспособления для изменения расстояний между площадками и демонстрационным столом позволяют располагать на нужной высоте не только отдельные детали и приборы демон- страционных установок, но и всю индикационную часть демон- страции. Разборная трехступенчатая скамья (рис. 2). Эта скамья пред- назначена для монтажа в вертикальной плоскости сложных уста- новок, имеющих по нескольку важных для наблюдения приборов (демонстрации по электромагнитной индукции, переменному току, электромагнитным колебаниям и волнам и другим разделам курса физики). Площадки скамьи изготавливаются из многослойной фанеры. Размеры их поверхностей — 15X600 и 15x900 мм. Большая общая длина позволяет разно- сить по горизонтали отдельные части установок. Вся конструкция скреплена при помощи металлических трубок диаметром 20 и 25 мм, соответствующих втулок и муфт. Если стойки скамьи сде- лать из двух входящих друг в друга трубок, то площадки можно , будет располагать на различных расстояниях друг от друга. Взаимное расположе- ние площадок и их количество можно варьировать. В большой степени види- мость демонстрируемого явле- ния определяется различием в яркости между рассматривае- мым объектом и фоном. Для создания фонов при постановке демонстрационных опытов мы пользуемся универ- сальным экраном, изображен- ным на рисунке 3. Экран из- готовлен следующим образом. Рис. 2 29
В коробке из миллиметровой жести размером 700X600 мм расположены по бокам две лампы дневного света типа ЛБ-20, рассчитанные на напряже- ние ПО в и соединенные между собой последовательно. Внешняя сторона коробки окрашена в черный цвет и служит темным фоном. Вторая стен- ка сделана из оргстекла молочного цвета и используется как белый фон, а при включении ламп в осветительную сеть — как светящийся экран. Такой светящийся экран незаменим при де- монстрации процессов, происходящих за стеклянной стенкой, например в стеклянной посуде внутри жйдко- сти. В отличие от светящегося экрана с лампами накалива- ния, предлагаемый экран за счет применения ламп дневного света дает более равномерную освещенность по всей поверх- ности. М. М. Черняновская, В. Е. Козаков (Белгород) СУШИЛКА ДЛЯ ПРИБОРОВ ПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ Важнейшее условие успешной демонстрации электростатиче- ских опытов — сухая поверхность изолирующих частей приборов. При осаждении влаги на поверхности диэлектрика, из которого изготовлены части электростатических приборов, поверхностное сопротивление его значительно уменьшается, что вызывает быст- рую утечку электрических зарядов. Поэтому перед проведением опытов необходимо хорошо про- сушить приборы, а при большой влажности желательно и сами опыты проводить в потоке сухого воздуха. Для этой цели мы изго- товили специальную сушилку, внешний вид которой показан на рисунке 1. Корпус сушилки состоит из крышки и откидного дна. Крышка представляет собой плоскую металлическую коробку размером 530X390X45 мм, на поверхности которой просверлены отверстия диаметром 12 мм. Металлическое дно крепится к крыш- ке с помощью петель. В нем также имеются отверстия для созда- ния дополнительной тяги при работе сушилки. К дну сушилки крепятся четыре ножки. Откидное дно обеспечивает легкий доступ к нагревательному элементу для его ремонта (рис. 2). 30
Нагревательный элемент су- шилки представляет собой 4 алюминиевых трубки, внутри которых уложены две спирали от бытовых нагревательных приборов мощностью 600 вт. Температуру и быстроту прогревания сушилки подбира- ют путем уменьшения общей длины нагревательного эле- мента. / Перед началом опытов су- шилку включают в сеть для предварительного прогрева. Че- рез 10—15 мин устанавливает- ся над сушилкой восходящий теплый поток воздуха. После Рис. 1 этого на ней можно просуши- вать приборы и принадлежно- сти для опытов по электроста- тике. Опыты с электрофорной машиной и электрометрами можно проводить прямо на ра- ботающей сушилке. Рис. 2 МЕХАНИКА В. Ф. Шило» (Москва) ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ В статье рассматриваются приемы измерения скорости равно- мерного движения, а также средней и мгновенной скоростей неравномерного движения. В установке для измерения скорости используют фотореле, электронный секундомер, демонстрационный (или лабораторный} прибор по кинематике и динамике, самодвижущуюся тележку. Фотореле служит для фиксации момента времени, в который тележка проходит определенное положение. Фотореле может быть 31
собрано по схемам, пред- ставленным на рисунках 1 и 2. Оно монтируется в закрытом непрозрачном корпусе, имеющем вход- ное отверстие для свето- вого луча (рис. 3). Скорость равномерного прямолинейного движения На самодвижущейся тележке закрепляют экран, ширина' кото- рого может быть равной, например, 10 см (рис. 4). При движении тележки по рельсовой дороге экран пересекает узкий луч света, идущий от осветителя в отверстие фотореле. При этом фотореле срабатывает и включает электронный секундомер. Когда же тележка пройдет расстояние, равное длине экрана, луч света снова попадает в отверстие фотореле и секундомер будет выклю- чен. Зная перемещение и время движения тележки, определяют 32
скорость движения. Чтобы проверить, является ли движение равномерным, закрепляют на самодвижущейся. тележке экран, форма которого показана на рисунке 5, и повторяют опыт. Изме- ряют промежутки времени между моментами пересечения свето- вого луча вертикальными краями первой и второй частей экрана. Так как обе части экрана имеют одинаковую ширину, то оба про- межутка времени должны быть одинаковыми, если движение равномерное. Скорость движения — величина относительная На' подвижную платформу помещают самодвижущуюся те- лежку с экраном шириной 10 см.. По известному перемещению (10 см) и времени, измеренному секундомером, определяют вна- чале скорость равномерно движущейся платформы относительно демонстрационного стола, а затем скорость тележки относи- тельно неподвижной платформы. Далее приводят в равномерное движение одновременно и платформу и тележку, вначале в одина- ковых, а затем в противоположных направлениях и каждый раз по известному перемещению (ширина экрана) и времени движе- ния (показания электронного секундомера) определяют скорость движения самодвижущейся тележки относительно демонстраци- онного стола. Опыт убеждает в том, что скорость движения те- лежки относительно неподвижной системы координат (стола) равна геометрической сумме двух скоростей: скорости тележки относительно платформы и скорости платформы относительно стола. Равномерное движение платформы можно осуществить с по- мощью электродвигателя типа СД-60. Мгновенная скорость Для проведения этого опыта отключают сцепление шестеренок механизма тяги самодвижущейся тележки, а затем тележку поме- щают на наклонную плоскость. С помощью секундомера опреде- ляют время пересечения каждой частью двойного экрана свето- вого луча. Эти промежутки времени оказываются неодинаковыми. Следовательно, тележка движется неравномерно. К тележке поочередно прикрепляют экраны длиной 15, 10 и 5 см и каждый раз пускают ее с одной и той же высоты по наклон- ной плоскости, записывая при этом показания секундомера. По известным перемещениям (ширина экранов) и времени движения (показания секундомера) определяют среднюю скорость движе- ния тележки на каждом участке. Значение средней скорости при перемещении 5 см будет близко к мгновенной скорости тележки в момент пересечения экраном светового луча. 3 Заказ Xs 2369 33
Ускорение На наклонной плоскости мелом отмечают точки А и В, которые отстоят друг от друга на расстоянии, например, в 50 см. Устанав- ливают фотореле вначале против точки Л, а затем против точки В. Для каждого случая измеряют мгновенную скорость тележки, пользуясь экраном длиной 5 см. Время движения тележки между этими точками определяют с помощью метронома. Затем по фор- муле vB — Va вычисляют ускорение, с которым движется тележка по наклонной плоскости. При демонстрации этого опыта высота наклонной плоскости не должна превышать 20 см. Зависимость мгновенной скорости движения тела в жидкости от формы тела Из пластилина изготавливают цилиндр и шар с одинаковыми поперечными сечениями и одинаковой массой. Затем эти тела поочередно опускают в измерительный цилиндр с водой и с помо- щью фотореле, соединенного с электронным секундомером, опре- деляют мгновенные скорости этих тел. Находят, что мгновенная скорость движения тел в жидкости зависит от геометрической формы тела. При постановке опыта фотореле следует установить на уровне средней части измерительного цилиндра (мензурки). Падение тела в жидкости Для доказательства того, что шарик в жидкости движется равномерно, необходимо в стеклянную трубку (от лампы дневного света) налить воды и опустить в нее пластилиновый шарик диа- метром 3 см. Затем определить мгновенные скорости шарика в разных частях трубки. Для этого фотореле размещают поочеред- но в верхней, средней и нижней частях трубки. Зная перемещение (диаметр шарика) и время (показания электронного секундо- мера), определяют мгновенную скорость шарика в различных местах трубки. Эти скорости оказываются одинаковыми. Следо- вательно, движение является равномерным. Пользуясь описан- ным в данной статье методом измерения мгновенной скорости, можно провести и ряд других опытов по механике. 34
В. М. Ворочаев (Минск) ИЗМЕРЕНИЕ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ Под мгновенной скоростью переменного движения понима- ется предел отношения, к которому стремится средняя скорость тела при беспредельном уменьшении промежутка времени, за который она определяется. Это определение можно проиллюстри- ровать опытом, который осуществляют с помощью установки, изображенной на рисунке 1. Главной частью ее является прибор по кинематике и динамике конструкции И. М. Румянцева. Для измерения времени используют электронный счетчик-секундомер с двумя контактными датчиками. Ведерко с грузом, под действием которого движется тележка, прикрепляют к нити, перекинутой через блок. Контактные датчики (один — с нормально открытыми, а другой — с нормально за- крытыми контактами) устанавливают на горизонтальном стерж- не, закрепленном в штативе так, чтобы расстояние между ними было равно 0,8 м, а основание штатива находилось против той точки траектории, в которой измеряется величина мгновенной скорости тележки. Проводниками подключают последовательно секундомер и контактные датчики. Положив в ведерко подобранные заранее грузы, отпускают тележку и наблюдают ускоренное движение. Затем определяют среднюю скорость на участке между датчиками. Для этого распо- лагают датчики так, чтобы движущаяся тележка касалась их «флажков» ввинченным в нее укороченным стержнем от штатива. Датчик с нормально -открытыми контактами замыкает цепь и включает секундомер. Датчик с нормально закрытыми контак- тами размыкает цепь, секундомера. Разделив перемещение на время, получают значение средней скорости. з* 35
Рис. 2 Затем сдвигают контактные датчики до расстояния 40 см. Повторяют опыт и снова определяют среднюю скорость. Та- кое же измерение производят при расстоянии 10 см между дат- чиками. Учащиеся убеждаются в том, что по мере уменьшения рассто- яния между датчиками средняя скорость изменяется и в пределе уже можно говорить не о средней скорости на данном участке, а о скорости в данной точке траектории. Описанный опыт лишь иллюстрирует определение мгновенной скорости, но для изучения закономерностей неравномерного дви- жения такой метод определения ускорения, конечно, неприменим. Измерять мгновенную скорость удобно индукционным методом. Для этой цели можно использовать установку, изображенную на рисунке 2. Значение мгновенной скорости определяется по величине им- пульса напряжения, возникающего в демонстрационной дроссель- ной катущке (3600 витков), надетой на сердечник от универсаль- ного трансформатора. Соединяют последовательно катушку, диод Д7Ж и гальванометр с внутренним сопротивлением 385 ом от демонстрационного амперметра. На тележке прибора по кине- матике и динамике устанавливают стержень от штатива. К стер- жню с помощью лапки прикрепляют подковообразный магнит по- люсами вниз так, чтобы при движении тележки полюсы магнита проходили над разомкнутым сердечником трансформатора с ко- нусными наконечниками на расстоянии 1—2 см от последних. Магнитный поток постоянного магнита замыкается через сердеч- ник, и в дроссельной катушке возникает импульс индукционного тока. Величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Следовательно, отброс стрелки гальванометра будет также пропорционален скорости движения тележки в данной точке траектории. Диод Д7Ж-служит для гаше- 33
ния обратного импульса тока, возникающего при убывании магнитного потока. Вначале собирают установку и кратко поясняют учащимся принцип ее действия. Затем регулируют зазор между полюсами магнита и сердечника так, чтобы отброс стрелки гальванометра при ускоренном движении тележки с расстояния, например, 20 см составлял два деления шкалы. - Если пускать тележку с расстояний 40, 60 и 80 см, то с доста- точной для демонстрации точностью можно подтвердить зависи- мость v2—v02 = 2as. / ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЙ Жидкостный акселерометр А. П. Рымкевич (Ленинград)' Т. Н. Шамало (Свердловск) Использование акселерометра значительно расширяет воз- можности учебного физического эксперимента по механике. Од- нако промышленность не выпускает учебного акселерометра. Акселерометры же, предназначенные для технических целей, очень дороги и не приспособлены для использования в школьном демонстрационном эксперименте. Мы предлагаем использовать в качестве акселерометра ^-образные сообщающиеся сосуды (рис. 1). Рис. 1 37
Объяснение принципа действия такого прибора не вызывает затруднений. Учащимся надо сообщить, что в системах отсчета, движущихся ускоренно, появляются «свои» вертикальные и горизонтальные направления. Следует показать, что в данной системе отсчета угол отклонения этих направлений от соответст- вующих «земных» зависит от ускорения. Для этого лучше всего продемонстрировать отвес на вращающейся платформе, т. е. в системе отсчета, движение которой может длительное время про- исходить с ускорением. В сообщающихся сосудах изменение ориентации горизонта приводит к повышению уровня жидкости в одном колене и к понижению уровня в другом. Поэтому при соответствующей гра- дуировке прибора им можно пользоваться для измерения уско- рений. Такое объяснение вполне удовлетворяет учащихся и способ- ствует формированию понятий инерциальной и неинерциальной систем отсчета. Приведем (для учителя) расчет, который покажет, как зависит высота поднятия жидкости в индикаторном колене от ускорения движения тележки. В неинерциальной системе отсчета, скрепленной с тележкой, движущейся в системе отсчета «земля» с ускорением а, на жид- кость в сообщающемся сосуде действуют сила тяжести G = mg и сила инёрции F1SB= таив=—та. В результате действия этих сил жидкость займет положение, указанное на рисунке 2. При этом тангенс угла наклона поверх- ности жидкости к «земной» горизонтали пропорционален ускоре- нию: Зная разность уровней жидкости Н в обоих коленах и расстояние I между этими коленами, можно найти tga и другим путем: ‘g a=-. Учитывая также, что Н = hi_-\-h2 и 51^1 = 52^2? получаем: t 1 1 hi=-----------а, 1 . g ^S2 38
где hi и h2 — изменения высот соответственно в первом и втором коленах, Si и S2 — площади поперечных сечений этих колен. Та- ким образом, высота hi поднятия жидкости в узком колене прямо пропорциональна ускорению. Чувствительность такого акселеро- метра тем выше, чем больше расстояние между сосудами и чем меньше отношение — . Недостатком такой конструкции (как S2 и многих других) является необходимость в демпфировании. В данном случае можно немного успокоить колебания стол- ба жидкости, неплотно закрыв узкую трубку бумажной про- бочкой. С помощью описанного акселерометра можно продемонстри- ровать постоянство отношения ускорений, полученных телами при (Й1 \ —=const), а также обратную пропорцио- «2 ' нальную зависимость между ускорениями и массами взаимо- / «1 т2 \ действующих тел ! —=------I , Л а2 mi / Для проведения демонстраций необходимо иметь две одина- ковые достаточно массивные тележки с укрепленными на них акселерометрами (крепление может быть осуществлено с помо- щью пластилина). Тележки должны иметь легкий ход (небольшое трение качения). Наиболее удачно проходят опыты, если на де- монстрационный стол поместить полоску оконного стекла. Сначала следует показать серию опытов, подтверждающих справедливость соотношения —=const при любых взаимо- 02 39
действиях. Начальные скорости тележек могут быть выбраны произвольно. Тележки могут сталкиваться, догоняя друг друга или двигаясь навстречу; движущаяся тележка может также уда- ряться о покоящуюся. Удар может быть упругим или неупругим независимо от численных значений и направлений скоростей теле- жек в момент начала взаимодействия. Если опыт проводят с тележками равных масс, убеждаются по показаниям акселеро- метров, что модули ускорений одинаковы. Опыт повторяют несколько раз, изменяя начальные скорости тележек и делая удар упругим и неупругим Вторая серия опытов должна пояснить, что ускорения, с кото- рыми движутся тележки во - время взаимодействия, обратно ai т2 пропорциональны их массам: —=---------. Для этого помещают а2 на одну из тележек тело, масса которого равна массе тележки с акселерометром, увеличивая тем самым массу этой тележки в два раза. Произведя отсчет ускорений по акселерометрам, убеждаются в,том, что с достаточной степенью точности выполня- 1 ется равенство —=— . Сложность снятия показаний акселерометров определяется тем, что взаимодействия длятся всего доли секунды. В связи с этим можно предложить следующий прием. В воду, которую наливают в акселерометры, добавляют небольшое коли- чество щелочи, а в измерительные колена опускают уоненькие стеклянные трубочки, на которые предварительно наносят смесью клея с порошком фенолфталеина (пурген) штрихи через 1 —1,5 см. Раствор щелочи окрашивает эти штрихи, что дает возможность произвести отсчет после взаимодействия. Понятно, что к уроку следует приготовить такое количество трубочек с делениями, которое потребуется для всех намеченных опытов. К приготовле- нию индикаторных трубочек следует привлечь учащихся. Можно, однако, обойтись и обычными крупными контрастными шкалами с цветными делениями. При проведении опыта одна группа уча- щихся следит за подъемом подкрашенной воды в индикаторном колене одного акселерометра, а другая группа учащихся — за подъемом воды в индикаторном колене другого акселерометра. Они запоминают цвет делений, до которых поднимается жидкость. После остановки тележек отсчитывают соответствующие высоты. Эта методика также оказалась вполне приемлемой. 1 Дл$1 осуществления неупругого удара к одной из тележек прикрепляют кусок пластилина. В этом случае тележки после удара движутся как одно целое. 40
Маятниковый акселерометр Г. Р. Глущенко (Славянск-на-Кубани) Предлагаемая конструкция акселерометра проста в изготов- лении, имеет высокую чувствительность и достаточно универсаль- на. Основой конструкции является алюминиевый маятник М, приведенная длина которого 10—15 см. Угол отклонения маят- ника при небольших ускорениях крайне мал, поэтому важной частью устройства является зубчатая повышающая передача, связывающая ось маятника с осью стрелки (рис. 1). Шкала при- бора двусторонняя, это позволяет определять ускорения как при ускоренном, так и при замедленном движениях. При передаточ- ном числе 12 прибор позволяет измерять ускорения в пределах от О до ±1,5 мм) сек2. Градуировку шкалы можно производить, используя формулу a = ng sin а, где п — передаточное число, а — угол отклонения вертикальной оси маятника от нулевого деления шкалы. Для демпфирования колебаний маятника используют два магнита (можно керамические). Магниты приклеивают к внут- ренним поверхностям дугообразно изогнутой железной полоски; зазор между магнитами и маятником составляет приблизительно 1—2 мм (рис. 2). Вся конструкция собирается на прямоугольной алюминиевой пластине; отверстия в нижней части пластины служат для креп- ления акселерометра к движущейся тележке, а отверстия в верх- ней ее части — для подвешивания. 41
Прибор очень чувствителен к ориентировке по горизонтали. А так как выдерживать горизонтальность во многих опытах не- возможно, шкала прибора делается поворотной, как в шкальном демонстрационном динамометре. Это позволяет устанавливать нуль шкалы под стрелкой. Ниже описываются некоторые из опы- тов, которые могут быть проведены с акселерометром. 1. Демонстрация равноускоренного и равнозамедленного дви- жения. Прибор закрепляют на тележке от набора по кинематике и динамике. Нуль шкалы совмещают со стрелкой прибора. При- ведя тележку в ускоренное или замедленное движение, определя- ют величину ускорения. Подобной установкой пользуются и в опытах, иллюстрирующих второй закон Ньютона. В последнем случае массу акселерометра надо, разумеется, включать в массу тележки. 2. Определение ускорения при движении по наклонной плос- кости. Рельсу прибора по кинематике и динамике придают наклон в нескодько градусов. При неподвижной тележке нуль шкалы прибора совмещается со стрелкой, после чего пускают тележку и определяют ускорение. Этот опыт хорошо удается и при движении по наклонной плоскости, сделанной в виде гладко выстроганной доски; тележкой может служить детский игрушечный автомобиль, к которому крепят акселерометр. 3. Измерение центростремительного ускорения. На центро- бежной машине укрепляют вращающийся в горизонтальной плос- кости диск радиусом 30—40 см. К диску вдоль его радиуса крепят с помощью специальной планки акселерометр. При равномерном вращении диска определяют центростремительное ускорение. Ме- няя скорость вращения и радиус (место крепления акселерометра на планке по отношению к центру диска), определяют з-ависи- мость ускорения от радиуса окружности R и угловой скорости ю. 4. Определение ускорений при взаимодействии двух, тел. Для осуществления этого опыта требуется два акселерометра. Их крепят на двух тележках. Схема опыта приведена на рисунке 3. 42
Опыт хорошо удается при дли- тельном взаимодействии (2— 3 сек). Чтобы получить хоро- шее согласие с формулой ai т2 а2 mi ’ надо трение свести к миниму- му. Отклонение стрелок аксе- лерометров в противоположные стороны указывает на то, что ускорения тележек имеют про- тивоположные направления. 5. Изменение ускорения при колебании маятника. Акселеро- метр при помощи двух ниток, привязанных к верхним отвер- стиям в пластине прибора, подвешивают так, чтобы нити были параллельны друг другу (рис. 4). Длина нитей 100—120 см. При качанйи маятника (грузом маятнику служит сам акселерометр) наблюдают за изменениями ускорения. * * * В. М. Воррчаев (Минск) Для измерения сравнительно больших ускорений мы исполь- зуем маятник в виде спицы, подвешенной к простой самодельной стойке (рис. 1). Стойкой может служить и стержень штатива, ввинченный в тележку прибора по кинематике и динамике. На спице немного ниже точки подвеса надо закрепить груз (шарик или гирю) массой не менее 0,1 кг. Расстояние от точки подвеса до центра тяжести груза может быть всего 25 мм. Поэтому время смещения спицы будет сравни- тельно мало. В маятниковых акселеро- метрах шкалы обычно бывают нелинейными, так как a=gtga (а — ускорение, а — угол отклонения маятника). Однако если расположить простую ли- нейку или самодельную пря- мую шкалу горизонтально, то окажется, что смещение точки пересечения спицы со шкалой зависит линейно от ускорения движения. Установку можно Рис. 1 43
дополнить простым устройством, позволяющим производить отсчет показаний после опыта. Перед шкалой горизонтально закрепляют стержень, по которому под действием спицы может двигаться легкий шарик, вырезанный из пенопласта и окрашен- ный в черный цвет (см. рис. 1). Так как масса шарика очень мала, то на его перемещение затрачивается мало энергии и после прекращения действия спицы он останавливается мгновенно. Во время ударных взаимодействий ускорения обычно бывают кратковременными. Это усложняет проведение опыта, так как маятник акселерометра не успевает отклониться. Определяющим условием в таких опытах является наличие достаточной длитель- ности взаимодействия. Этого можно достигнуть, применяя вместо коротких пружин с большой жесткостью, опиранных в разных пособиях, упругий резиновый шнур (от резиномоторных моделей) длиной 60 см с малой жесткостью. На концах его закрепляют два крючка. Шнур, прикрепленный к тележке, легко растягивается до двух метров. Для демонстрации второго закона динамики закрепляют ма- ятниковый акселерометр на тележке и соединяют последнюю резиновым шнуром с демонстрационным динамометром, как по- казано на рисунке. 2. Плавно оттягивают тележку и замечают значение силы по динамометру, затем тележку отпускают. После остановки тележки определяют по смещению указателя макси- мальное ускорение. Такие опыты можно проводить при различных значениях силы и массы. Анализируя результаты опытов, уча- щиеся убеждаются в том, что F а~—. т 44
М. А. Ушаков, Г. С. Фестинатов, М. И. Гринбаум (Москва) ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ ПРИБОР ПО МЕХАНИКЕ В статье приводится описание прибора по механике с оптиче- ской индикацией, разработанного на кафедре общетехнических дисциплин Московского государственного педагогического,инсти- тута им. В. И. Ленина. В исследовании и регулировке прибора принимали участие студенты физического факультета. Предлагаемый прибор по механике отличается от приборов аналогичного назначения, описанных в методической литературе, тем, что положение движущегося тела к концу каждого заданного промежутка времени фиксируется загорающейся лампой с неоно- вым наполнением. В качестве движущегося тела могут быть использованы сталь- ной шарик или специальная тележка, движущаяся по монорельсу. " С помощью данного прибора могут быть продемонстрированы равномерное, равноускоренное и равнозамедленное движение, свободное падение тел и связь между массой тела, силой дейст- вующей на него, и ускорением, которое приобретает тело под действием силы. Схема прибора предусматривает одновременность пуска тела, начала отсчета времени и загорания первой лампы. Индикация положения движущегося тела к концу каждого из заданных промежутков времени осуществляется с помощью девя- носто шести одинаковых ячеек, каждая из которых образована неоновой лампой и двумя резисторами. Схема ячейки показана на рисунке 1. Наиболее предпочтительны неоновые лампы ТН-0,2 и ИН-ЗА. Возможно применение и других неоновых ламп, диаметр стеклянного балона которых не превышает 9 мм. Обычно сложность использования неоновых ламп состоит в том, что у них напряжение зажигания и напряжение горения различны: напряжение зажигания на 20—30 в выше напряжения горения. Примененная в электрифицированном приборе по механике схема включения и коммутации неоновых ламп каждой ячейки позволяет в нужный момент на одну из неоновых ламп подать напряжение зажигания и дальше оста- вить ее под напряжением горения. Дости- гается этот эффект следующим образом: на все ячейки подается напряжение, вольт на пять превышающее напряжение зажи- гания. Но за счет распределения напря- жений между резисторами и R2 неоно- вая лампа оказывается только под напря- жением горения, недостаточным для ее зажигания. Если же на короткое время параллельно резистору R2 подключить ре- Рис. 1 45
зистор /?б, имеющий небольшое сопротивление, то неоновая лампа окажется под напряжением зажигания и начнет светиться. После отключения этого резистора к электродам лампы будет прило- жено только напряжение горения, которого достаточно для ее нормального свечения. Таким образом, если соединить параллельно все девяносто шесть ячеек и обеспечить поочередное присоединение к катодным резисторам ламп одного и того же резистора с малым сопротив- лением в процессе движения тела (например, тележки) через рав- ные наперед заданные промежутки времени, то светящиеся неоновые лампы укажут те места, в которых находилось движу- щееся тело в конце этих промежутков времени. Электрическая схема прибора приведена на рисунке 2. Как видно из схемы, датчиком равных промежутков времени служит электронное реле времени, собранное на тиратроне с холодным катодом типа МТХ-90. У тиратрона поджигающий электрод сое- диняется с анодом для уменьшения напряжения зажигания. При включении питания (в качестве источника питания применяется ВУП-1 или ВУП-2) конденсатор С начинает заряжаться через резистор и один из времязадающих резисторов /?4. Когда кон- денсатор С зарядится до напряжения зажигания тиратрона МТХ-90, тиратрон вспыхнет. Его сопротивление резко умень- шится, и конденсатор разрядится через тиратрон и последова- тельно соединенную с тиратроном обмотку реле Р\. Разряд кон- денсатора до напряжения погасания тиратрона произойдет за очень короткий промежуток времени, в течение которого контакты KP\,i и КР\,2 реле Р\ будут замкнуты. После погасания тиратро- на конденсатор С начнет вновь заряжаться до напряжения зажи- гания, и процесс замыкания контактов реле Р\ будет периодически повторяться в течение всего времени, пока включено напряжение питания схемы. Изменяя величину переменных резисторов /?4, можно для каждого положения переключателя установить свои интервалы включения контактов реле Рь например 0,1 сек, 0,2 сек, 0,3 сек, 0,4 сек или как-либо иначе, через 0,2 сек. Каждое замыкание контактов КРи подключает общую шину ОШ через резистор к минусовому проводу схемы. Пусковая часть электрической схемы прибора питается от переменного напряжения 6,3 в, даваемого трансформатором вы- прямителя ВУП. В пусковую часть схемы входит реле Р2, электромагнит ЭМ, пусковая кнопка и выпрямительный мост. Контакты реле Р2 ис- пользованы для следующих целей: контакты КР^л включены в цепь питания первой неоновой лампы, контакты КР22 — в цепь питания электромагнита, а контакты К-Рг.з используются для установки на самопитание реле Р2. Проследим за работой схемы. Допустим, что тележка движется по монорельсу, который включен в схему в виде общей шины ОШ, и что на тележке установлена контактная пластинка или щетка,. 46
Рис. 2
постоянно касающаяся при движении тележки проводящих лепестков ПЛ, соединенных с катодами неоновых ламп. При включении питания схемы начинает работать реле вре- мени и контакты КР\,\ и КР\$ периодически замыкаются. При нажатии кнопки «Пуск» создается возможность для включения питания обмотки' р$ле Р2 при ближайшем по времени срабатыва- нии реле времени. Ближайшее по времени за нажатием кнопки «Пуск» замыкание контактов вызовет срабатывание реле Р2 и замыкание контактов /СР2,з, которые блокируют контакты KPi,2 и контакты кнопки «Пуск». При этом остается включенной катушка реле Р2. Контакты КР%,\ этого реле включают питание первой неоновой лампы, а контакты КР2,2 размыкают цепь пита- ния электромагнита, удерживающего тележку. При этом тележка начнет двигаться. Но ведь одновременно с контактами КР\,ч за- мыкаются контакты КР\,\, которые соединяют общую шину с минусом схемы. Контактная щетка тележки находится в этот момент на проводящем лепестке ПЛ\, и потому катодный резистор первой неоновой лампы оказывается зашунтированным резисто- ром /?б- Первая неоновая лампа в этом случае находится под на- пряжением зажигания — она вспыхивает. Через короткий промежуток времени контакты реле времени КР\,2 размыкаются. Но цепь катушки реле Р2 остается замкнутой, и потому продолжает светиться первая неоновая лампа и остается обесточенной обмотка ЭМ электромагнита. Движущаяся тележка перемещает контактную щетку на проводящие лепестки ПЛ2> ПЛ3 и т. д. Но следующая неоновая лампа может загореться лишь тогда, когда вновь сработает реле времени и контакты КР\,\ при- соединяют общую шину ОШ к минусу схемы через R&. Таким образом, при каждом срабатывании реле Р\ будет загораться и оставаться гореть одна из неоновых ламп, фиксируя положение тележки в момент срабатывания реле. Из методических соображений оказалось целесообразным рас- положить тиратрон МТХ-90 непосредственно на тележке, соеди- нив его скользящими контактными щетками со схемой реле вре- мени. Такое расположение тиратрона облегчает учащимся восприя- тие одновременности отсчета времени и загорания ламп, фиксиру- ющих положение движущейся тележки. Приступая к изготовлению прибора, надо подсчитать величины резисторов Рх и /?2 (рис. О в зависимости от типа имеющихся неоновых ламп. Исходными данными для расчета служат извест- ные напряжения зажигания £/3 и горения UT неоновых ламп дан- ного типа, а также максимально допустимый ток /м через лампу, работающую в режиме длительного горения. Напряжение источника питдния берут на пять вольт больше напряжения зажигания, чтобы можно было включить ограничи- тельное сопротивление (резистор по схеме, приведенной на рисунке 2). 48
Таким образом, Г^ИСТ- Ug-{-&U, где Д(7=5в. При замыкании контактов на ПЛ имеет место соот- ношение иист=и3+1^ Л2~ГЛ6 Следовательно, RiRe Л2ТЛ6 Но когда лампа не горит, RiRi==Ur, (,2) а при горящей лампе ^м^2== ^Лгст Ur. (3) Силой тока через сопротивление R\ можно пренебречь в сравне- нии с силой тока, текущего через лампу. Решая совместно (1) и (3), находим сопротивление резистора Re'- Р __Д/7(/7ист — Ur) I^U3-Ur) Подставив в равенство (1) найденное значение R6, определяем номинальное значение сопротивления резистора R2. Пользуясь формулой Rj__ Ur R2 Uпет Ur для последовательного соединения резисторов Ri и R2, находим сопротивление резистора R\. Полученные значения сопротивлений резисторов округляют до ближайших номиналов, предусмотренных шкалой ГОСТ. В схеме применены следующие реле: Р\ типа РЭС-9, Р2 типа РМУ, ЭМ типа РМУ. Сброс результатов записи движения производится отключе- нием на короткое время источника питания. Наиболее трудоемким является изготовление контактной па- нели, которая выполняется из фольгированного гетинакса или фольгированного стеклотекстолита. На полосе нужных размеров прорезают проводящий материал так, чтобы образовались кон- тактные полосы и контактные лепестки, как показано на рисунке 3.- Для этого пользуются резцом толщиной 0,2 мм, заточенным из- 4 Заказ № 2369 49
куска ножовочного по- лотна. Чтобы присоеди- нить к лепесткам выво- ды от катодов неоно- вых ламп, в каждом лепестке сверлят отвер- стие. Контактную па- нель укрепляют на ко- робе, изготовленном из пластмассовых полос. В верхней части перед- ней стенки короба свер- лят девяносто шесть отверстий. Расстояние между центрами от- верстий 10 мм, а их диа- метр равен диаметру неоновых ламп. Внутри короба устанавливают резисторы ячеек. К задней стенке короба привинчивают две муфты для крепления прибора в лабораторных штативах. На задней же стенке короба закреп- ляют кожух, в котором смонтировано реле времени и установлены детали пускового устройства (за исключением кнопки, которая подвешивается на двух длинных проводниках). Из кожуха реле времени выпускают шланг, содержащий четыре провода. Концы этих проводов присоединяют к цоколю восьмиштырьковой радио- лампы, с помощью которого схема подключается к источнику питания. Номера ножек цоколя, к которым присоединяют про- вода, указаны на схеме, приведенной на рисунке 2. К нижней части короба с неоновыми лампами крепят с помощью пласт- массовых стоек или планки монорельс (стальная метровая ли- нейка) . Для проведения с этим прибором опытов по механике нужна специальная тележка. Оси тележки, как и ось блока, подвешены в центрах винтами, с помощью которых можно регулировать легкость хода. Для изменения массы тележки изготавливают латунные диски, масса которых близка к массе тележки. Тележка приводится в движение грузом, подвешиваемым на нити, перекинутой через блок. До момента пуска тележка удер- живается электромагнитом, установленным на специальном кронштейне в начале монорельса. Общий вид прибора показан на рисунке 4. Рассмотрим некоторые из демонстраций, проводимых с помо- щью данного прибора. Для демонстрации равномерного движения прибор устанавли- вается на столе так, чтобы предварительный наклон монорельса компенсировал силу трения. Установку прибора проводят заранее и, поднимая или опуская один его конец, добиваются, чтобы те- 50
лежка от слабого толчка двигалась по монорельсу равномерно.. О равномерности движения тележки судят по расстояниям между горящими неоновыми лампами. Если эти расстояния одинаковы,, то установка прибора закончена. При проведении демонстрации на уроке тележку приводят в движение небольшим грузиком (например, массой 20 г), подве- шиваемым к концу нити. Когда тележка удерживается электро- магнитом, грузик должен находиться на расстоянии 100—120 мм от поверхности стола. Переключателем реле выбирается один из интервалов между замыканиями контактов. При этом обращают внимание школьников на хорошо слышимые щелчки реле времени и вспышки лампы. Необходимо подчеркнуть, что интервалы вре- мени одинаковы и при выбранных условиях частота щелчков постоянна. Предложив учащимся наблюдать за опытом, пускают тележку нажатием на кнопку. Сначала ее скорость увеличцвается. Но после того как грузик достигнет поверхности стола, движение становится равномерным. Учащиеся могут отметить, что отрезки пути, пройденные тележкой за равные промежутки времени,, равны между собой. Целесообразно, сбросив предыдущий резуль- тат, повторить опыт. С помощью этого же прибора сравнительно легко могут быть сформированы понятия равноускоренного и равнозамедленногэ движения. Демонстрировать равноускоренное движение можно дву- мя способами, каждый из которых имеет определенные достоин- ства. Первый способ состоит в следующем. Устанавливают прибор на краю стола так, чтобы блок прибора выступал за крышку стола. Тележка от легкого толчка должна двигаться по моно- рельсу равномерно. Необходимо проверить, не касается ли стола нить, на которой подвешен груз, или сам груз. Установив тележку в положение, когда она удерживается электромагнитом, подве- шивают к нити груз, например гирьку массой 10 г, и, нажав пуско- Рис. 4 4’ 51
®ую кнопку, производят запись движения. Зная, что расстояние между двумя соседними неоновыми лампами равно 1 см, и зная .длительность интервала времени, можно не только показать ха- рактер равноускоренного движения, но и определить ускорение. Демонстрацию повторяют с грузиками различной величины. На одном из последующих уроков этот опыт позволяет проиллюстри- ровать формулу s= —~ . Рассмотрим теперь второй способ демонстрации движения с ускорением. Монорельс устанавливают наклонно так, чтобы под действием •силы тяжести тележка двигалась равноускоренно. Меняя угол наклона монорельса, можно получить движения с различными ускорениями. ' Готовя опыт по равнозамедленному движению, сообщают при- бору наклон в обратную сторону так, чтобы блок находился несколько выше электромагнита. Длина нити должна быть такой, чтобы груз, подвешенный к ее концу, был поднят над столом на 100—120 мм. Величина груза выбирается достаточно большой. В проведенных нами опытах грузом служила гиря массой 200 г. Включив прибор и закрепив тележку электромагнитом, прово- дят демонстрацию равнозамедленного движения. Действительно, на небольшом отрезке монорельса длиной 100—120 мм тележка движется с большим ускорением и к моменту, когда груз достиг- нет стола, приобретает значительную скорость. Груз, задержан- ный крышкой стола, перестает сообщать тележке ускорение, и она далее движется вверх по наклонному монорельсу равнозамед- ленно. Методом проб можно выбрать оптимальный наклон моно- рельса, с тем чтобы тележка, двигаясь равнозамедленно, дости- гала крайней точки монорельса. Целесообразно в верхней точке монорельса установить какую-либо защелку, которая бы удержи- вала тележку, когда она достигнет конца монорельса. Производя измерения перемещения и времени, вычисляют ускорение. При изучении второго закона Ньютона можно показать, что если на тела различной массы действует одна и та же сила, то произведение массы тела на ускорение во всех случаях одинаково. Этот факт, составляющий содержание второго закона Ньютона, и позволяет определить силу как величину, измеряемую произве- дением массы на ускорение. Для проведения этой демонстрации прибор помещают у края стола так, чтобы опускающийся груз не задевал за стол. Устанавливают некоторый интервал времени, например 0,2 сек. Подвешивают к концу нити груз массой, напри- мер, 20 г и.производят’запись движения. По результатам записи вычисляют ускорение тележки. Затем массу тележки увеличивают вдвое и повторяют опыт. Третий раз проводят опыт при утроен- ной массе тележки. Предлагают учащимся найти для всех трех 52
случаев произведение массы тела на его ускорение. Целесооб- разно повторить серию таких же опытов, но уже при другой массе подвешиваемого груза (например, 40 г) и снова вычислить про- изведения массы тележки на ускорение. Результаты этих опытов оказываются вполне убедительными и дают возможность подвести учащихся к формулировке второго закона Ньютона в соответст- вии с тем изложением, которое принято в действующем в настоя- щее время учебном пособии. Если же учитель пожелает воспользоваться традиционным из- ложением второго закона Ньютона как зависимости ускорения от силы, действующей нц тело, и от массы тела, он также может провести необходимые демонстрации, применяя описанный прибор. Надо провести две серии опытов: 1) при постоянной массе и различных силах (берут грузики массой 10, 20, 30 г); 2) при по- стоянной силе (грузик массой 20 г), но различных массах тележки (ненагруженная, с удвоенной и с утроенной массой). Эти опыты убеждают в том, что a~F и • Влиянием массы грузика на ускорение системы в этих опытах можно пренебречь, так как эта масса во много раз меньше массы тележки. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА М. А. Ушаков, Г. С. Фестинатов (Москва) ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СВОЙСТВ ГАЗОВ И ПАРОВ В промышленных приборах для демонстрации свойств паров и газов, которые применяются в школьном физическом экспери- менте, используются либо стеклянные сосуды, где роль «подвиж- ного поршня» выполняет ртуть, либо непрозрачные металлические сосуды с гофрированными стенками, в которых изменение объема газа осуществляется путем изменения -объема сосуда при его сжатии внешними силами. Приборы первой группы отличаются исключительной просто- той и наглядностью. Исследуемый объем газа четко виден уча- щимся, а давление вычисляется по разности уровней ртути с высокой точностью. Давление насыщающих паров ртути ничтож- но мало, и оно практически не влияет на результаты опыта. Применение ртутного «подвижного поршня» удобно в опытах с парами эфира или этила, так как эти жидкости не реагируют со ртутью и на ее поверхности можно получать четкий слой испаряе- мой жидкости. 53
Приборы второй группы конструктивно сложнее приборов, первой группы, менее наглядны и менее точны, так как благодаря соединительным шлангам создаются объемы газа, которые не учитываются в эксперименте. При использовании этих приборов учащиеся лишены возможности непосредственно наблюдать за объемом исследуемого газа. Давление газа в этих приборах изме- ряется металлическим манометром. Однако в настоящее время использование приборов с откры- той ртутной поверхностью в школе запрещено из соображений безопасности. Поэтому возникает острая необходимость в созда- нии приборов для наблюдения-свойств паров и газов, которые бы обладали достаточной наглядностью, простотой и в которых бы не применялась ртуть с открытой поверхностью. В Московском государственном педагогическом институте име- ни В. И. Ленина уже давно ведутся работы над созданием такого- прибора. Первая схема прибора была опубликована в сборнике «Физический эксперимент в школе» в 1963 г. За прошедший пери- од была доработана конструкция прибора и проведены всесто- ронние его испытания. В этом приборе для изменения объема исследуемого газа ис- пользуется подкрашенная вода или растительное масло, которые играют роль поршня (подобно ртути). Но эти жидкости имеют малый удельный вес, и для получения достаточного давления приходится производить подкачку воздуха (рис. 1). Однако сле- дует иметь в виду, что давление насыщающих паров воды имеет значительную величину и резко возрастает с повышением темпе- ратуры. Например, при £ = 20 °C давление насыщающих паров воды равно 17,5 мм рт. ст., в то время как у ртути оно рав- но 0,0018 мм рт. ст.\ а при £ = 60 °C соответственно имеем 149 и 0,025 мм рт. ст. Давление же насыщающих паров раститель- ного масла близко к давлению насыщающих паров ртути. По- этому воду можно применять только в опы- тах по наблюдению зависимости давления газа от его объема при сравнительно низ- ких температурах. При проведении коли- чественных опытов, которыми иллюстриру- ются законы Шарля и Гей-Люссака, надле- жит использовать только растительное масло. Следует отметить, что с изменением давления и температуры исследуемого газа изменяется количество растворенного воз- духа в жидкости, которая контактируется с газом, и это также отражается на резуль- татах опыта. Поэтому в процессе экс- перимента не следует увлекаться боль- шими изменениями давлений и темпе- ратур. 54
При демонстрации опытов с парами летучих жидкостей (эфир, этил ид. д.) следует учитывать их растворимость как в воде, так и в растительном масле. Поэтому необходимо периодически жид- кость в приборе заменять. Общий вид прибора показан на ри- сунке 2, а конструктивная схема на рисунке 3. В приборе исполь- зуются две стеклянные трубки, расположенные коаксиально. Внутреннюю трубку 3 заполняют исследуемым паром или газом, а наружная трубка 4 образует рубашку, которую заполняют водой, что позволяет производить исследование свойств паров и газов при различных температурах. Внутренняя трубка зажата через резиновые прокладки 6 меж- ду корпусом 1 и фланцем 7 с помощью центральной шпильки 5. Нижний конец этой шпильки ввернут в корпус, изготавливаемый из текстолита или гетинакса. На верхний конец шпильки навер- тывают короткий металлический штуцер 8, который прижимает фланец 7 к внутренней трубке и соединяет эту трубку с маномет- ром 9. На штуцере установлен кран 10, позволяющий наполнять внутреннюю трубку исследуемым газом или паром. Наружная трубка имеет открытый верхний конец; нижний ее конец с помощью клея крепится в обойме 2. Обойма имеет резьбу и навертывается на корпус прибора. Между обоймой и корпусом помещается резиновая прокладка. Обойма изготовляется из текстолита (или гетинакса), и в ней укрепляются два электрода 11, оканчивающиеся зажимами 12. В корпусе прибора имеется канал, который через трубку 14 и кран 13 соединяется с гидравлическим аккумулятором 16. Гидравлический аккумулятор имеет толстостенный металли- ческий сосуд, способный выдерживать значительные давления (кусок стальной трубы 15, зажатый с двух сторон крышками 19, 20 через резиновые прокладки). В верхней крышке этого сосуда устанавливается заливная пробка 18 и кран 17 для накачивания воздуха в аккумулятор. Емкость аккумулятора определяется объ- емом трубки 3, которая заполняется исследуемым паром или газом. В нашем приборе он имел объем около двух литров. Внутренняя трубка градуируется в относительных единицах объема. Нулевая отметка шкалы совмещается с верхним концом этой трубки. Шкала наносится на внешнюю трубку, так как если ее нанести на внутреннюю трубку, то при заполнении простран- ства между трубками водой шкалу плохо видно. Описываемый прибор позволяет в, соответствии со школьной программой провести демонстрации свойств паров и газов с высокой степенью точности и большой наглядностью. Рассмотрим эти демонстрации. 1. Изучение зависимости между объемом газа и его давлением при неизменной массе и постоянной температуре газа (закон Бой- ля—Мариотта). Предварительно закрывают кран 13 и заливают гидравлический аккумулятор на % его высоты подкрашенной жидкостью. Затем нагнетают в аккумулятор воздух и закрывают 55
1 Рис. 2 220 'Illlllllllll Рис, 3
кран 17. При открытом кране 13 перегоняют часть жидкости из аккумулятора в центральную трубку и устанавливают начальный объем исследуемого газа. Начальный объем газа выбирается таким, чтобы была возможность не только уменьшать его, но и увеличивать. После этого закрывают верхний кран 10 и отмечают начальный объем газа и его давление по манометру. Уменьшение объема газа осуществляется дальнейшим перепуском жидкости из гидравлического аккумулятора в центральную трубку с помо- щью крана 13. Если желательно произвести увеличение исследуемого объема газа, то в гидравлическом аккумуляторе предварительно создают разрежение и опять с помощью крана 13 устанавливают желае- мый объем газа. С целью изменения температуры газа простран- ство между трубками заливают подкисленной или подсоленной водой, обладающей некоторой электропроводностью. Зажимы прибора соединяют с источником переменного тока. В цепь обя- зательно включают реостат для регулирования силы тока и ам- перметр для ее измерения. При токе в 2—3 а вода в рубашке быстро нагревается. Температуру воды измеряют термометром, который помещают между трубками. Благодаря объемному на- греву воды ее температура на разных уровнях почти одинакова (±1°С). Достаточно большой объем воды в рубашке способствует под- держанию температуры исследуемого газа в процессе измерений примерно постоянной. Приводим результаты одного из опытов, который проводился при температуре 40 °C (см. табл. 1). Таблица 1 № измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 Р 0,6 0,63 0,7 0,79 0,99 1,5 1,7 2 V 1,99 1,9 1,7 1,5 1,2 0,78 0,69 0,65 —=0,95, —=0,86, —=0,76,..’. Р2 рз Pi К Уз 'Vi —=0,95, —=0,85, 5г=0,76, ... V1 Vi Vi При температуре 50 °C были получены.следующие результаты (см. табл. 2). 57
Таблица 2 № измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 Р 0,67 0,72 0,87 1,00 1,25 1,67 1,76 2,3 V 2,00 1,82 1,50 1,30 1,00 0,78 0,66 0,60 —=0,92, — = 0,77, —=0,67, ... р2 Рз Рк v2 ' v3 Vi -/*=0,92, -/=0,75, -/=0,65,... Vi Vi vi Приведенные результаты с достаточной убедительностью пока- зывают справедливость закона Бойля—Мариотта. 2. Проверка зависимости объема газа от температуры при постоянном давлении (закон Гей-Люссака). Центральную трубку прибора заполняют растительным маслом. Первые измерения объема газа и его давления производят при температуре окружа- ющей среды, а затем при других, более высоких температурах. По результатам измерений строят график зависимости объ- ема газа от температуры для двух разных давлений. Аналогичным образом исследуется зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. 3. Проверка уравнения газового состояния. Результаты изме- рений приведены в таблице 3. Таблица 3 № Измерения 1 2 3 4 Рат 0,7 1,1 1,3 1,5 V 1,53 1,0 0,85 0.75 t°c 29,8 34 37 41,7 Д^-= 0,00359, -^-=0,00358, 1 1 12 -^-=0,00356, -^- = 0,00357. 1 3 1 к 58
Полученные результаты опять убеждают нас в эффективности использования данного прибора при изучении свойств газов. 4. Наблюдение свойств паров. Опыты производятся с эфиром или хлористым этилом. Подготовка прибора к эксперименту со- стоит в следующем. Гидравлический аккумулятор заполняют рас- тительным маслом и путем подкачки воздуха при открытых кра- нах 10 и 13 перегоняют масло в центральную трубку и полностью вытесняют из нее воздух до тех пор, пока на дне воронки не по- явится масло. Затем наливают аккуратно в воронку 2—3 см3 эфира и путем отсасывания масла из центральной трубки вводят в нее эфир. При этом надо следить, чтобы вместе с эфиром не попал и воздух. При аккуратной заправке прибора над маслом в центральной трубке будет находиться четко видный тонкий слой эфира. При увеличении объема паров эфира, достигаемого путем по- нижения уровня масла в центральной трубке, происходит испа- рение эфира и давление его паров сохраняется до тех пор, пока не исчезнет весь жидкий эфир. Дальнейшее увеличение объема приводит к уменьшению давления паров эфира. При достаточном удалении паров эфира от состояния насыщения изменение давле- ния происходит обратно пропорционально объему. Однако следует отметить влияние на результаты эксперимента воздуха, растворенного в жидкости, играющей роль поршня. При увеличении объема пара давление его понижается и остается су- щественно меньшим атмосферного. Поэтому происходит выделе- ние растворенного воздуха, который при обратном процессе — сжатии — не позволяет достигнуть исходного состояния, и при прежнем значении начального объема получаем несколько боль- шее значение давления. Но эта погрешность может быть обнару- жена лишь с помощью очень чувствительного манометра, способ- ного измерять сотые доли от 1 ат. При использовании же школьного демонстрационного мано- метра эта погрешность почти незаметна. На рисунке 4 отражены результаты эксперимента с парами этила. Стрелками показано направление процесса. На графике отчетливо видно, что ход процесса «вперед» и ход «назад» в области насыщающих паров не совпал по ранее указанной при- чине. В области, далекой от насыщения, при изменении объема в пределах от 1 до 2 единиц, пар достаточно точно следует закону Бойля—Мариотта. При выбранном масштабе отрезок кривой, относящийся к насыщающим парам, оказался небольшим. Проде- ланный эксперимент убеждает в том, что исследование зависимо- сти давления насыщающего пара от объема надо проводить при изменении объема только в одном направлении. Из анализа основных причин погрешностей следует, что для уменьшения количества выделяемого газа из жидкости, которая играет роль поршня, необходимо создавать не очень сильные изменения давления, а также применять предварительно прогре- 59
тые жидкости, которые содержат значительно меньшее количество растворенного возду- ха. При демонстрации свойств пара не сле- дует заблаговременно заправлять прибор ле- тучей жидкостью, так как в результате ее дол- гого контакта с жидко- стью, играющей роль поршня, происходит ее растворение, что потом отразится на результа- тах измерений. отметить, что все иссле- дования прибора были проведены студентками физического фа- культета МГПИ им. В. И. Ленина М. В. Марковой и В. С. Уша- ковой, за что авторы выражают им свою благодарность. В заключение считаем своим долгом В. Ф. Шилов (Москва) ОПЫТЫ С МЕДИЦИНСКИМ ШПРИЦЕМ Применение медицинского шприца в учебном эксперименте по физике позволяет поставить ряд новых опытов по различным разделам курса физики. Возможность применения медицинского шприца в опытах по физике определяется тем, что он имеет прозрачный корпус с гра- дуированной шкалой, герметический поршень и иголки с кана- лами различного сечения. Если пользоваться шприцами емкостью 10—20 мл, то малые размеры шприца не позволяют видеть его шкалу вЬему классу. Поэтому применять такие медицинские шприцы в опытах по физике можно преимущественно в тех случаях, когда имеется небольшая группа учащихся (например, на занятиях физического кружка). Отдельные опыты можно предлагать школьникам в ка- честве индивидуальных экспериментальных заданий. Демонстра- ционные опыты можно ставить со шприцем емкостью 100 мл. Кратко опишем опыты, которые можно поставить, используя ме- дицинский шприц. Сжимаемость воздуха и несжимаемость воды Пальцем левой руки закрывают отверстие шприца емкостью 10 или 20 мл, а правой рукой давят на шток поршня. Показывают учащимся, что при небольшом усилии объем воздуха можно 60
сократить в 3—4 раза. Отпускают шток поршня и наблюдают расширение воздуха почти до прежнего объема. Наполняют шприц водой и повторяют опыт. Учащиеся наблю- дают, что все попытки сжать воду не приводят к успеху. Расширение воздуха и воды при нагревании Затыкают пробирку размером 200X20 мм рези- новой пробкой, предварительно в пробке шилом про- калывают отверстие и в него вставляют иголку шприца (рис. 1). Пробирку вместе со шприцем за- крепляют в лапке штатива. Нагревают пробирку в пламени горелки и наблюдают за движением порш- ня шприца, а вместе с тем и за расширением воздуха при нагревании. При охлаждении пробирки наблю- дают за сокращением объема воздуха под поршнем шприца. Расширение водй при нагревании или сжатие ее при охлаждении можно продемонстрировать на этой же экспериментальной установке, только про- бирку нужно наполнить водой так, чтобы между свободной поверхностью воды и пробкой практиче- ски не оставалось воздуха. . При нагревании пробирки в пламени горелки в баллоне шприца появляется вода, объем которой с повышением температуры воды постоянно увеличи- вается. При охлаждении же воды в пробирке объем воды в баллоне шприца постепенно уменьшается. Для улучшения наглядности опыта нужно пользо- ваться слегка подкрашенной водой. Рис. 1 Определение толщины масляной пленки (диаметра молекул) Перед постановкой опыта необходимо определить объем капли масла, которая будет растекаться по поверхности воды в ванночке- (кювете). Для этого в шприц набирают 1 мл масла, надевают иголку и в нее вставляют проволочку, которая служит для чистки иголок шприца. Оказывают усилие на поршень шприца и выпус- кают 0,5 мл масла, считая при этом число капель. Зная объем всех капель (0,5 мл) и число капель, определяют объем одной капли. При проведении опыта по растеканию масляной пленки и опре- делению ее толщины (диаметра молекул) помещают на поверх- ность воды в ванночке лишь одну каплю. Для улучшения видимости необходимо применить наклонное зеркало. Затем,, измерив площадь пленки, вычисляют ее толщину. 61
Диффузия в жидкостях Для постановки этого опыта берут стеклянный стаканчик раз мером 100X40 мм и наполняют его наполовину чистой водой. На- бирают в шприц (без иголки) 10 мл раствора медного купороса и погружают его в стаканчик. Осторожно и плавно выжимают из шприца раствор и*в стаканчике получают четкую границу раздела между чистой водой и раствором медного купороса. К концу уро- ка обнаруживают небольшую размытость границы раздела. Зависимость скорости диффузии в жидкостях от температуры демонстрируют так же, но только с горячей водой. Для обнару- жения указанной зависимости стаканчики с холодной и горячей жидкостью нужно поставить рядом. Доказательство существования промежутков между молекулами в жидкостях Берут стеклянную трубочку размером 300X5 мм и с одного конца ее затыкают пластилином. Набирают в шприц 2 мл воды и выпускают ее в трубочку. Столько же в трубочку вливают спирта. Замечают начальный уровень смеси. Затем смесь тща- тельно перемешивают и снова замечают ее уровень в трубочке. Наблюдают, что объем получившейся смеси оказался меньше суммы первоначальных объемов воды и спирта. В этом можно убедиться, если всю смесь снова вобрать в шприц. Определение плотности воды Берут шприц с иголкой и уравновешивают его на рычажных весах. Затем в шприц набирают 1 см3 воды и снова уравновеши- вают на весах. Находят, что масса 1 мл чистой воды равна 1 г. Значит, плотность чистой воды 1 г/см3. Зависимость давления газа от его объема и температуры Шприц без иголки соединяют с помощью резиновой или поли- этиленовой трубочки с пузырьком из-под клея для фотобумаги или от шампуня. В начале опыта давление воздуха изнутри и сна- ружи пузырька одинаково, поэтому она имеет нормальную форму. Выдвигают поршень шприца и тем самым увеличивают объем, занимаемый воздухом. При этом обнаруживают деформацию сжатия пузырька, так как давление внутри него стало меньше, чем снаружи. Таким образом демонстрируют зависимость давле- ния газа от его объема для постоянной массы при неизменной температуре. Зависимость давления газа от температуры демонстрируют на установке, показанной на рисунке 1. Пробирку опускают в сосуд 62
с водой, который плавно подогревают. На верхнюю площадку штока поршня помещают грузы (от наборной гири) и таким обра- зом добиваются, чтобы объем газа при различных температурах был одинаковым. Доказательство существования атмосферного давления Убедиться в существовании атмосферного давления можно с помощью следующего опыта. Соединяют короткой резиновой трубочкой два шприца с выдвинутыми поршнями. Один шприц закрепляют в лапке штатива и к штоку его поршня прикрепляют проволочку с петелькой. К петельке подвешивают гирю с набор- ными грузами. Под тяжестью гири поршень нижнего шприца дви- жется вниз. Увеличивают объем воздуха.путем поднятия поршня верхнего шприца, при этом обнаруживают движение гири вверх. Это происходит вследствие действия атмосферного давления на поршень нижнего шприца вверх. Изменение внутренней энергии воздуха при совершении работы С помощью короткой резиновой трубочки соединяют два шприца. В один из них вместо поршня вставляют резиновую пробку с ртутным или электрическим термометром. При сжатии воздуха с помощью второго шприца наблюдают повышение тем- пературы в цилиндре первого шприца. При разрежении воздуха наблюдают понижение температуры. Кипение воды при повышенном и пониженном давлении Колбу емкостью в 250 мл заполняют водой примерно на % ее объема и затыкают резиновой пробкой со сквозным отверстием диаметром до 5 мм. Колбу закрепляют в лапке штатива так, что- бы под нее можно было подвести пламя горелки. Нагревают колбу. После того как вода закипит, уменьшают пламя горелки, чтобы кипение было неинтенсивным. Вставляют в отверстие' пробки шприц емкостью 100 мл и увеличивают давление в колбе, вдвигая поршень. Кипение воды при этом прекращается. При уменьшении давления снова наблюдают кипение воды. Затем убирают горелку и, когда вода перестанет кипеть, вставляют в отверстие пробки шприц. Выдвигая поршень, умень- шают давление в колбе. Вода в колбе снова закипает. Учащимся из таблицы известно, что температура кипения эфира при нормальном атмосферном давлении равна 35°C. Од- нако можно продемонстрировать кипение эфира при комнатной температуре. Для этого в шприц емкостью 10 или 20 мл набирают до 2 мл эфира, затыкают отверстие и поднимают поршень. Давле- ние под поршнем понижается, и эфир закипает. 63
Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре Для демонстрации этого опы- та нужно воспользоваться шпри- цем емкостью 100 мл. Для обеспе- чения герметизации канавку порш- ня шприца нужно перед опытом заполнить вазелином. Шприц соединяют с демонст- рационным манометром (рис. 2) и закрывают свободный кран мано- метра. Стрелку манометра уста- навливают на деление 1 кгс!см2. Воздействуя на шток поршня, уменьшают объем воздуха. Величину объема воздуха под Рис. 2 поршнем определяют по шкале шприца, а соответствующие давления — по шкале манометра. Записывают показания приборов на доске, производят расчеты и убеждаются в том, что для данной массы газа при постоян- ной температуре произведение объема газа на соответствующее давление — величина постоянная. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме Для опыта берут шприц на 10 или 20 мл. Вместо штока к поршню подбирают винт с контргайкой, с помощью которого закрепляют поршень шприца. Трубкой соединяют шприц с мано- метром. Помещают шприц в стеклянную банку с водой, в которую заранее кладут кусочки льда или снега, с тем чтобы вода в начале опыта имела температуру 0°С. Когда воздух в цилиндре охладит- ся до 0°С, закрывают свободный кран у манометра и записы- вают начальную температуру (0сС) и давление (1 кгс/см2). Далее нагревают сосуд с водой и с помощью демонстрационного термо- метра отмечают температуру через каждые 20 °C. Показания тер- мометра и соответствующие ему показания манометра записы- вают на доске и по полученным данным строят график. Убеждаются в том, что при постоянном объеме давление воз- духа изменяется прямо пропорционально температуре. Затем вычисляют по данным одного из измерений термический коэффи- циент давления воздуха. Его значение оказывается близким к Ю,0037, что приблизительно составляет 1/273 часть первоначаль- ного давления воздуха, взятого при 0°С. 64
Зависимость объема данной массы газа от температуры при неизменном давлении Экспериментальная установка для демонстрации этого опыта аналогична той, что описана в предыдущем опыте. Отличие состо- ит лишь в том, что убирают винт и поршень шприца выводят на деление «5», т. е. объем воздуха под поршнем равен 5 см3. При нагревании цилиндра объем воздуха увеличивается, показания манометра практически остаются постоянными, так как поршень легко перемещается. Во время опыта записывают показания демонстрационного термометра и соответствующие им объемы воздуха под поршнем шприца. По результатам опыта строят график, подтверждающий, что при постоянном давлении объем воздуха изменяется прямо пропорционально абсолютной темпе- ратуре. , Г. Р. Глущенко (Славянск-на-Кубани) ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ жидкости При проведении некоторых демонстраций, например при опре- делении коэффициента поверхностного натяжения жидкости, приходится измерять очень малые силы (порядка нескольких де- сятков дин). Обычно в этом случае пользуются рычажными веса- ми, что не всегда удобно и часто недостаточно наглядно. Более удобен для таких опытов описанный ниже динамометр, имеющий чувствительность порядка 7—10 дин. Основой конструкции (рис. 1) является алюминиевый диск- цилиндр Б с осью, волоском, стрелкой''и подшипником от автомо- бильного спидометра. Измеряемая сила прикладывается к тонкой шелковой нити, сбегающей с алюминиевого барабана. На барабане нить укреплена в точке М. Ограничитель- пластинка АВ с отверстием О удерживает нить от соскальзывания с барабана. Колечко К не позволяет нити вцшасть из отверстия и служит, кроме того, для приложения измеряемой силы. Вся конст- рукция крепится на небольшой деревянной панели. Для градуировки динамометр закрепляют в штативе так, чтобы нить, сбегающая с барабана, располагалась вертикально. Нагружая нить миллиграммовыми гирьками, наносят на картон- ной шкале деления. Следует только помнить, что из-за высокой чувствительности прибора стрелка его должна быть тщательно отцентрована. Шкала прибора получается практически равно- мерной. Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости динамометр укрепляют в штативе так, чтобы нить распо- ложилась вертикально. К колечку К динамометра крепят рамку Р. 5 Заказ № 2369 65
A Рис. 1 Рис. 2 Ее длина 3—3,5 см. Под рамку подносят сосуд с жидкостью, пока рамка не погрузится в воду. Затем, опуская сосуд, фиксируют показания динамометра в момент отрыва рамки от поверхности жидкости (рис. 2). Если на одном уроке надо будет измерить по- верхностное натяжение несколь- ких жидкостей (чистая вода, под- сахаренная вода, вода с мылом, масло, керосин), то, чтобы избе- жать загрязнения одной жидко- сти другой, следует для каждой жидкости использовать отдель ную рамку. Так как в положении, указан- ном на рисунке 2, стрелка из-за веса рамки на нуле стоять не будет, следует ее показание до погружения рамки в жидкость отметить, а затем его вычесть из того, которое будёт отсчитано при измерении силы натяжения. В описанном опыте хорошо об- наруживается уменьшение коэф- фициента поверхностного натяже- ния воды при ее нагревании. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В. Ю. Клих (Житомир) Б. Ю. Миргородский (Киев) КОМПЛЕКТ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Предлагаемый комплект включает в . себя четыре прибора: микроамперметр, вольтметр с высокоомным входом, частотомер и омметр с прямой равномерной шкалой. Во всех этих приборах индикаторами служат школьные демонстрационные гальвано- метры по 400 мка (гальванометры от демонстрационных ампер- метров) . Конструкции приборов просты. Их можно изготовить в усло- виях школы. Микроамперметр. Схема микроамперметра приведена на ри- сунке 1. В состав этого прибора входит балансный усилитель 66
Рис. 1 Рис. 3
постоянного тока, собранный на четырех транзисторах. Примене- ние в схеме транзисторов различной проводимости позволяет получить коэффициент усиления порядка 500 при сравнительно малом входном сопротивлении. ' Микроамперметр имеет 4 диапазона измерений: 0—1 мка, 0—10 мка, 0—100 мка, 0—1000 мка. Переключение диапазонов измерений осуществляется клавишным переключателем ГЦ—ГЦ, коммутирующим входные шунтирующие резисторы Ri—R3 (пере- ключатель можно взять от радиоприемника). Потенциометр R^ служит для установки «нуля» микроампер- метра. Ручка этого потенциометра выведена на лицевую панель прибора. Ручки потенциометров R3 и R\7, которыми пользуются только при налаживании прибора, выводят под шлиц. Питается микроамперметр от сети переменного тока через стабилизированный выпрямитель. Налаживание и градуировку прибора начинают с выравнива- ния потенциалов входных гнезд «Вх». Для этого находят такое положение движка потенциометра R6, при котором стрелка галь- ванометра не дает отклонений при замыкании и размыкании вход- ных гнезд. Далее потенциометром R^ ставят стрелку прибора на «нуль» и выполняют калибровку. С этой целью собирают схему, показан- ную на рисунке 2. Потенциометром Rx устанавливают напряжение на вольтметре 1 в и через резистор R2 это напряжение подают на вход микроамперметра. Нажимают клавишу /74 и с помощью переменного резистора Ri7 устанавливают стрелку гальванометра на конце шкалы. Получают предел измерений 0—1 мка. Затем подбирают величины сопротивлений шунтирующих ре- зисторов R3, R2 и Ri (см. рис. 1) для пределов измерений 0—\0мка, 0—100 мка и 0—1000 мка. При этом резистор R2 в схеме, приведенной на рисунке 2, заменяют соответственно резисторами с сопротивлением 0,1 Мом, 10 ком и 1 ком. Высокоомный вольтметр. Схема демонстрационного вольт- метра с высоким входным сопротивлением (250 Мом) показана на рисунке 3. Резисторы Rj—R4 составляют входной делитель напряжения. Лампа ГЦ играет роль электрометрической и рабо- тает в «обращенном» режиме. «Анодной» нагрузкой лампы вклю- чен эмиттерный переход транзистора 1\. Потенциометром R3 уста- навливают величину начального тока через транзистор. Термо- резистор /?7 стабилизирует работу транзистора. Транзистор вместе с резисторами R3, Rg, Rio, Rn и R\2 обра- зует мостовую измерительную цепь, в диагональ которой вклю- чен демонстрационный гальванометр. Вольтметр имеет 4 диапазона измерений: 0—2 в, 0—10 в, 0—100 в и 0—500 в. Переход с одного диапазона на другой осу- ществляется клавишным переключателем. Для градуировки прибора на его вход подают напряжение 2 в (при нажатой клавише ГЦ) и находят такое положение движка 68
Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6 Рис. 7
потенциометра /?б, при котором стрелка гальванометра отклоня- ется на всю шкалу. Демонстрационный частотомер. Схема транзисторного частот томера показана на рисунке 4. Транзисторы и Т2 образуют уси- литель переменного тока, работающий в режиме ограничения напряжения (начиная с 3 в входного напряжения). После огра- ничения переменное напряжение через один из конденсаторов Ci—С4 (в зависимости от положения переключателя) поступает на измерительную часть прибора. Входное сопротивление прибора достаточно велико, порядка 1 Мом. Частотомер имеет 4 диапазона измерений частот: 0—100 гц, 0—1000 гц, 0—10000 гц и 0—20000 гц; Калибровку частотомера осуществляют на частоте 50 гц. Для этого на пределе измерения частоты 0—100 гц (нажата клавиша переключателя ГЦ) на вход прибора подают напряжение с осве- тительной сети и резистором /?4 устанавливают стрелку гальвано- метра на середину шкалы. Рассмотренные измерительные приборы — микроамперметр, высокоомный вольтметр и частотомер — питаются от однотипных стабилизированных выпрямителей с выходным напряжением 9 в (рис. 5). Силовой трансформатор выпрямителя имеет сердечник сече- нием 4,5 см2. Сетевую обмотку (на 220 в) наматывают проводом ПЭЛ-0,12 (2500 витков). Вторичная обмотка имеет 200 витков провода ПЭЛ-0,3. Омметр с прямой равномерной шкалой. На рисунке 6 показана схема для объяснения работы омметра с прямой равномерной шкалой, предназначенного для измерения небольших сопротив- лений. Из схемы видно, что напряжение на вольтметре будет равно: иДх Ur= R*+R ‘ Если Rx во много раз меньше сопротивления R, то uV№-^-rx: i\ Из этой формулы видно, что для резисторов с сопротивлени- ями от 0 до Rx напряжение на вольтметре прямо пропорционально значению измеряемого сопротивления. Это означает, что шкала омметра, построенного по такому принципу, будет прямой и рав- номерной. Схема омметра показана на рисунке 7. Прибор имеет 3 диапа- зона измерений: 0—1 ом, 0—10 ом и 0—100 ом. Диод Д5 в при- 70
боре служит для ограничения тока ----~д через гальванометр в случае непра- вильного выбора диапазона измерений. Градуирование омметра осуществ- ляется по магазину сопротивлений, включаемого в гнезда «7?х». Для пре- дела 0—1 ом магазином набирают со- противление 1 ом и реостатом Т?5 пере- водят стрелку гальванометра на конец шкалы. Аналогично реостатами Т?4 и /?з выполняют установку шкалы на пределы 0—10 ом и 0—100 ом. Ручки резисторов 7?3, Т?4 и Т?5 выводят на зад- нюю стенку прибора под шлиц. Питается омметр от двух стабили- зированных выпрямителей с выходным Рис- 8 напряжением '10 и 100 в. Силовой трансформатор Tpi имеет сердечник сечением 8 см1. Сетевая обмотка I (на 220 в) содержит 1600 витков провода ПЭЛ-0,2. Обмотка II содержит 850 витков провода ПЭЛ-0,15, обмотка III — 150 витков провода ПЭЛ-0,38. Электронные части рассмотренных приборов комплекта имеют однотипное внешнее оформление в виде подставок к школьному демонстрационному гальванометру. На рисунке 8 показан в каче- стве примера внешний вид омметра с равномерной шкалой. В. И. Ринский (г. Ивано-Франковск) УСИЛИТЕЛЬ К ДЕМОНСТРАЦИОННОМУ ГАЛЬВАНОМЕТРУ Описанные в методической литературе усилители к демонстра- ционному гальванометру пригодны для измерений в цепях посто- янного тока, однако их входное сопротивление недостаточно ве- лико для осуществления опытов по электростатике. Получить значительное усиление тока в сочетании с высоким входным сопротивлением можно с помощью обычной электронной лампы, работающей в так называемом обращенном режиме. В настоящей статье описываются такбй усилитель и некото- рые опыты, проводимые с его применением. Принципиальная схема усилителя изображена на риоунке 1. Прямонакальный катод лампы Л\ питается от элемента Б[ через резистор Ri, гасящий избыток напряжения. Испускаемые нака- ленным катодом электроны частично достигают первой сетки и создают в ее цепи ток, измеряемый микроамперметром, который присоединяется с помощью штекеров Шх и Ш3. При сообщении гнезду Г1 и второй сетке отрицательного по отношению к гнезду Г2 (и катоду) потенциала вторая сетка отталкивает электроны и часть их возвращается на катод, не достигнув первой сетки. Та- 71
Рис. 1 ким образом, потенциал второй сетки управляет током первой сетки. Анод лампы соединен с ее катодом и выполняет функции электростатического экрана. На рисунке 2 приведены полученные экспериментально для лампы типа 1К2П графики зависимости тока первой сетки /С1 от напряжения второй сетки Uc2 при соединении микроам- перметра со штекерами ШХШ2 (кривая 1) и Ш^Шз (кривая 2). Первый случай соответствует использованию микроампер- метра с током полного откло- нения 100 мка (например, при постановке некоторых работ физического практикума). Во втором случае усиление доста- точно для работы усилителя совместно с распространенны- ми демонстрационными галь- ванометрами чувствительно- стью 4 • 10-5 а!дел и сопротив- лением рамки 400 ом. Обращенный режим отли- чается от обычного включения лампы тем, что управляющий электрод (вторая сетка) уда- лен от катода больше, нежели выходной электрод (первая сетка). Характерной особен- ностью обращенного режима является весьма малый ток в цепи управляющего электро- да. Поскольку управляющий, электрод имеет отрицательный потенциал, электронная состав- ляющая его тока равна нулю. Что же касается ионной состав- ляющей, то благодаря высо- кому вакууму в лампе и малым межэлектродным напряжений ям, недостаточным для иони- зации остаточных газов, она ничтожно мала. Ток в цепи 72
второй сетки обусловлен лишь утечками по изоляции, и. входное сопротивление, согласно произведенным изменениям, достигает 1011 ом и более. Благодаря столь высокому входному сопротив- лению усилитель с гальванометром может быть успешно приме- нен для демонстрации опытов по электростатике, в том числе и таких, которые с электростатическим электрометром не полу- чаются. Конструкция и монтаж усилителя несложны. Во избежание наводок он собран в металлическом корпусе, служащем экраном. Гнездо Л, вместо которого можно применить зажим, рекоменду- ется установить на пластинке из оргстекла или полистирола, укрепленной в отверстии в стенке корпуса так, чтобы расстояние между гнездом и корпусом было не менее 10 мм. Гнездо Г2 (или заменяющий его зажим) привинчивается к корпусу. Ламповую панель следует взять керамическую типа ПЛК-7. Резистор составлен из двух параллельно соединенных резисторов сопро- тивлением 27—33 ом. Усилитель питается от одного сухого эле- мента типа 332 (ФБС-0,25). Пригодны и другие марганцово-цин- ковые элементы.' Подготовка к работе. При соединяют к гальванометру штекеры ИЦ и Ш3 и замыкают выключатель Вк^. Возникаю- щий при этом начальный ток первой сетки лампы отклоняет стрелку гальванометра, после чего ее устанавливают с помо- щью механического корректо- ра на нуль. В таком состоя- нии усилитель может находить- ся продолжительное время без вреда для источника пита- ния, так как потребление им энергии невелико (ток накала лампы не превышает 30 ма). Дрейф нуля практически неза- метен. Демонстрация электризации тел. Высокая чувствительность усилителя позволяет демонст- рировать наличие электриче- ских зарядов на телах не толь- ко при непосредственном их соединении с гнездом Гь но так- же и через влияние (электро- статическая индукция) на рас- стоянии до 1 м и более. Для этого в гнездо Г\ вставляют *Г1 g *Г2 Рис. 3 73
штырь из жесткого провода длиной около 10 см (рис. 3, а). Гнездо Г2 желательно (хотя и не обязательно) заземлить. Перемещение заряженного тела относительно штыря вызывает отклонения стрелки гальванометра. Существенно, что в данном опыте легко определить и знак исследуемого заряда. При исполь- зовании же электростатических приборов (электрометров и элект- роскопов) определение знака заряда требует дополнительных манипуляций и рассуждений, что удлиняет и усложняет опыт. Кроме традиционных электризуемых трением палочек, целе- сообразно показать электризацию различных материалов и тка- ней. Интересно отметить, что на многих распространенных в обиходе предметах из полистирола (авторучках и карандашах, посуде, коробках, игрушках и т. п.) почти всегда имеется отрица- тельный заряд; возникающий при соприкосновении их с другими телами и сохраняющийся благодаря превосходным изоляционным качествам этого материала. Хорошо электризуются ткани из син- тетических материалов, что обнаруживается при приближении к штырю изготовленной из них одежды. Электризация наблюдается также при трении полиэтиленовой пленки и изделий из нее, а также при взбалтывании жидкостей, содержащихся в сосудах из полиэтилена. Здесь уместно указать, что в связи с весьма широ- ким распространением изделий из полимерных материалов (поли- стирол, полиэтилен, поливинилхлорид, лавсан и др.) приходится в некоторых случаях учитывать их электризацию и принимать меры к ослаблению ее действия. Демонстрация свойств конденсатора. Присоединив к усили- телю раздвижной конденсатор (рис. 3, б) и зарядив его, демон- стрируют увеличение напряжения при уменьшении емкости (раз- двигают пластины). Затем показывают уменьшение напряжения при увеличении емкости, вызванном введением диэлектрика в пространство между пластинами. Если в этом опыте в качестве диэлектрика используют оргстекло, то предварительно следует освободить его от остаточных зарядов, пронеся через некоптящее пламя. Демонстрация контактной разности потенциалов. Присоединя- ют к усилителю соприкасающиеся между собой цинковую и мед- ную (или латунную) пластины (рис. 3, в), м’ежду которыми существует контактная разность потенциалов, сохраняющаяся и после их разделения. Контактная разность потенциалов очень мала и непосредственно не может быть измерена даже при использовании предлагаемого усилителя. Однако если удалить медную пластину от цинковой, то емкость образованного ими конденсатора значительно уменьшится и, как показано в преды- дущем опыте, соответственно увеличится разность потенциалов между ними, что вызовет отклонение стрелки гальванометра, при- соединенного к усилителю. Желательно повторить опыт с пласти- нами из других материалов и убедиться в том, что контактная разность потенциалов будет другой. Этот опыт важен в методи- 74
ческом отношении, так как именно контактная разность потен- циалов лежит в основе явления электризации соприкосновением и трением, а также ряда других явлений. Демонстрация несамостоятельного разряда в воздухе. Присо- единяют к усилителю раздвижной конденсатор и батарею напря- жением 20—50 в (рис. 3, г) и показывают, что ток через воздуш- ный промежуток между пластинами отсутствует. Если же ионизи- ровать воздух между пластинами пламенем или ультрафиолето- вым излучением, то в цепи появляется ток. Полезно продемон- стрировать электропроводность влажного воздуха. Для этого в пространство между разведенными на 3—5 см пластинами сле- дует выдохнуть (не дунуть!) воздух. Заметим, что при добавлении к схеме (рис. 3, а) потенциометра и вольтметра возможно снять вольтамперную характеристику несамостоятельного разряда. > Демонстрация фотоэффекта. Для демонстрации внешнего фо- тоэффекта можно применить любой вакуумный или газонапол- ненный фотоэлемент или же распространенный фотоумножитель, например типа ФЭУ-2 (от киноаппарата), в диодном включении. При этом используют батарею напряжением 6—20 в (рис. 3, д). Желательно частично затемнить помещение или по крайней мере прикрыть фотоэлемент от постороннего света. Гальванометр регистрирует незначительный ток, обусловленный рассеянным освещением. Затем направляют на фотоэлемент свет, например от карманного фонаря, и наблюдают резкое отклонение стрелки гальванометра. Демонстрация пьезоэлектрического эффекта. К усилителю присоединяют пьезоэлемент от звукоснимателя (рис. 3, е), зажа- тый со стороны выводов между двумя мягкими резинками в лапке штатива. Осторожно подвергая пьезоэлемент кручению относи- тельно продольной оси, наблюдают отклонения стрелки гальвано- метра. В случае отсутствия отдельного пьезоэлемента можно под- ключить к усилителю пьезоэлектрический звукосниматель (рис. 3, ж) и колебать его иглу, но этот вариант опыта менее эффектен. Замечания по эксплуатации прибора. Для надежной работы усилителя необходимо, чтобы изоляция входного гнезда 1\ от кор- пуса не ухудшалась под воздействием пыли и влаги. В нерабочем состоянии усилитель должен храниться в чехле, например в поли- этиленовом мешочке. Обладая большим усилением и высоким входным сопротивле- нием, усилитель, естественно, чувствителен к наводкам. Поэтому при демонстрациях рекомендуется располагать его на расстоянии не менее 1 м от проводов и электроприборов, соединенных с сетью переменного тока. Проводники, присоединяемые к гнезду Л (рис. 3, а—3,ж), должны быть по возможности короткими. Что же касается проводов, соединяющих усилитель с гальванометром, то их длина не ограничена. 75
В. Г. Сухарев (г. Акалык Казахской ССР) ОПЫТЫ С ИОННЫМИ ПРИБОРАМИ Для демонстрации свойств и практических применений ион- ных приборов при изучении темы «Электрический ток в газах» в курсе физики IX класса мы пользуемся самодельным комплектом приборов. Комплект состоит из отдельных блоков, смонтирован- ных на фанерных панелях. На лицевой стороне панелей вычер- чена схема соединений. Детали же, как правило, укреплены на тыльной стороне. Блок, изображенный на рисунке 1, является основным. На нем имеется условное изображение стабилитрона, в центре которого помещена октальная цокольная панелька для включения лампы. При демонстрации опытов с другими ионными приборами (неоно- вой лампой, тиратроном) эти приборы устанавливаются в цоколь- ной панельке того же основного блока через соответствующие переходные цокольные колодки; одновременно условное изобра- жение стабилитрона перекрывается условным изображенном той лампы, с которой проводится опыт: неоновой лампы (рис. 2) или тиратрона (рис. 3). На панели основного блока клеммы К\ и К2 предназначены для подключения источника питания, клеммы К3 и К4 — для под- ключения вольтметра, гнезда Гн\ — для включения сменных ре- зисторов, смонтированных на небольших панельках, снабженных контактными штырьками, а гнезда Гн2 й Гн3 — для включения измерителей тока. Клемма К? смонтирована на тыльной стороне панели, где она соединена с лепестком цокольной панельки, явля- ющимся выводом от управляющего электрода при опытах с тиратроном. 76
Рис,. 7 Рис. 8 Рис. 9 _ При помощи клемм К\, Къ Кт, Кб и Кб (клеммы Кб и Кб уста- новлены на тыльной стороне панели) к основному блоку присое- диняются .различные приставки, показанные на рисунках 4—9. В результате получаются различные устройства, работающие на ионных приборах (рис. 10—14). Используемые конденсаторы и резисторы имеют следующие данные: 1) конденсаторы С2 = 0,5 мкф, С3=1 мкф, С4 = 2 мкф; 2) конденсатор Ci является сменным, его емкость можно менять несколькими ступенями от 2 до 4 мкф; 3) резистор #2 = 2—3 ком (2 вт); 4) переменные резисторы R\ = 1,5 Мом, #3 = 4,7 ком (2 вт), #4 = 6,8 Мом; 5) сменных резисторов на отдельных панельках с контактными штырьками имеется четыре — #5 = 24—30/ссш (2вт), #6 = 3 ком (4 вт), #7=100 ком (0,5 вт), #8 = 510 ком (0,5 вт). 77
Сначала рассмотрим демонстрацию свойств наиболее рас- пространенного плазменного диода — неоновой лампы. Для этих опытов используется только основной блок комп- лекта. С помощью переходной цокольной колодки, показанной на рисунке 2, устанавливают неоновую лампу типа МН-3. В гнезда Гн\ включают сменный резистор Т?5, а в гнезда Гн3 — измеритель тока (гальванометр) от демонстрационного ампер- метра, зашунтированного сопротивлением 40 ом. К клеммам К\ и /С2 подключают источник питания с плавной регулировкой напря- жения в пределах 0—250в (ВУП-1 или ВУП-2) и демонстрацион- ный вольтметр, а к клеммам /С3 и /С4 — второй демонстрационный вольтметр для измерения напряжения между электродами нео-^ новой лампы. Увеличивают постепенно напряжение, подаваемое на электро- ды неоновой лампы. При этом учащиеся наблюдают сначала оди- наковые отклонения стрелок обоих вольтметров. Стрелка милли- амперметра при этом остается на нуле. Через неоновую лампу протекает весьма малый ток несамостоятельного разряда, обна- ружить который можно лишь с помощью зеркального гальвано- метра. При напряжении около 60 в происходит зажигание лампы и стрелка миллиамперметра отклоняется. Разряд из несамо- стоятельного переходит в самостоятельный тлеющий. Показание второго вольтметра уменьшается до напряжения горения. При дальнейших увеличениях питающего напряжения наблю- даем изменения силы тока в цепи неоновой лампы и постоянство показаний второго вольтметра. Это значит, что в режиме тлею- щего разряда напряжение между электродами лампы остается неизменным при изменении внешнего питающего напряжения. Далее переключают первый вольтметр к клеммам Ki, Кз- При этом он измеряет напряжение на ограничительном резисторе. Учащиеся замечают, что падение напряжения на ограничи- тельном резисторе оказывается равным разности между питаю- щим напряжением и напряжением Рис. 10 горения неоновой лампы. Это значит, что избыток напря- жения (сверх напряжения горения) гасится ограничи- тельным резистором. Затем можно перейти к рассмотрению применения неоновой лампы для полу* чения пилообразного напря- жения. Для этого к основному блоку присоединяют при- ставки, показанные на ри- сунках 4 и 5. Общий вид 78
полученного таким образом генератора релаксационных колебаний приведен на ри- сунке 10. Как видно из этого рисунка, гнезда Гн2, Гн3 и Гн4 закорачиваются пере- мычками. К клеммам К3, К4 присоединяют вертикальный вход осциллографа ОЭШ-61 (делитель напряжения на ли- цевой панели осциллографа ставят в положение «220 в», а переключатель диапазона развертки — в положение «30 гц»). Сменный конденса- тор Ci берут на 4 мкф. На- пряжение питания (120— 130 в) подводят к клеммам Кв, Рис. 11 Лэ. Учащиеся при этом отмечают возникновение электрических колебаний по вспышкам неоновой лампы. Вращением ручки потенциометра R\ устанавливают наи- меньшую величину его сопротивления. Плавно изменяя частоту развертки осциллографа и регулируя усиление по осям «X» и «У», добиваются четкой неподвижной картины графика пилооб- разного напряжения на экране. Изменяя сопротивление резистора R\, демонстрируют плавное изменение частоты релаксационных колебаний. Переставив пере- мычку из гнезд Гн4 в гнездо Гн5, показывают скачкообразное изменение частоты колебаний. На факультативных занятиях можно показать опыты, раскры- вающие действие стабилитрона тлеющего разряда. Для этого в цокольной панельке основного блока (без переходной колодки) устанавливают стабилитрон типа СГ2С или СГ4С, а в гнезда Гн\ включают сменное сопротивление 7?6- К основному блоку присое- диняют панель, показанную на рисунке 6. (На тыльной стороне этой панели последовательно с переменным резистором 7?3 вклю- чен постоянный резистор Т?2-) Общий вид получающегося устрой- ства показан на рисунке И. В гнезда Гн2 включают миллиампер- метр на 15—20 ма, а к клеммам К2 и К4 присоединяют два вольтметра с пределами измерения до 200 в. Источник питания (ВУП) присоединяют к клеммам К2. Установив максимальное значение сопротивления нагрузки (резистор Rz), включают источник питания и начинают посте- пенно увеличивать напряжение, подаваемое на вход установки, и при достижении напряжения НО—115 в наблюдают зажигание стабилитрона. В этот же момент показание вольтметра на выходе снижается до величины напряжения горения (около 80 в). Поворачивая на небольшой угол рукоятку регулятора напря- жения источника питания то вправо, то влево, наблюдают колеба- 79
, ния -напряжения на входе W 1 I стабилизатора. Напряжение • V а же на его вых°Де остается у :~г- 1 I при этом неизменным. I Затем демонстрируют ТХ. 1ви \ I учащимся постоянство на- V7.-X I пряжения на выходе стаби- > . 1 ‘ |\ лизатора при изменении со- / Р \ противления нагрузки. // \Г На факультативных заня- ” . у тиях можно познакомить уча- щихся со свойствами и при- Рис. 12 менением газоразрядного триода—тиратрона. Для это- го с помощью переходной колодки, показанной на рисунке 3, устанавливают на основном блоке безнакальный тиратрон типа МТХ-90 и присоединяют к основному блоку приставку, изобра- женную на рисунке 7. Общий вид полученного таким образом устройства показан на рисунке 12. В гнезда Гнх включают гасящий резистор Т?5, а в гнезда Гн7 — ограничительное сопротивление Т?7. К гнездам Гн3 и Гн6 присое- диняют соответственно миллиамперметр на 5 ма и демонстраци- онный гальванометр. К клеммам К\, Кч и Кп, К\2 подключают вольтметры, а к клеммам Kiq, К\2 и Кп, К12 подводят регулируе- мые напряжения, соответственно 0—250 в и 0—100 в от источника питания. Вначале измеряют напряжение зажигания промежутка «анод- катод» при нулевом потенциале управляющего электрода. Оно оказывается более 160 в. Затем показывают, что при подаче на управляющий электрод положительного потенциала напряжение зажигания уменьшается. Когда лампа зажглась, изменение потенциала управляющего электрода уже не влияет на анодный ток, и уменьшением этого потенциала нельзя погасить разряд. В качестве примера практического применения тиратрона можно продемонстрировать собранное на этой лампе реле вре- мени (рис. 13). Для этого к основному блоку с тиратроном присо- единяют приставку, показанную на рисунке 8. В гнезда Гн& вклю- чают обмотку поляризованного реле РП-4, а в исполнительную цепь этого реле — электрическую лампу. Другую электрическую лампу присоединяют к входным клеммам Ki3, Кы- К этим же клеммам подводят напряжение питания. При включении питания лампа, присоединенная к входным клеммам, зажигается сразу, а лампа в исполнительной цепи поляризованного реле — спустя некоторый промежуток времени, продолжительность которого можно изменять переменным резистором Т?4. На тиратроне можно также собрать генератор релаксацион- ных колебаний (рис. 14), присоединив к основному блоку с тират- 80
роном приставку, пока- занную на рисунке 9. При этом в гнезда Гнд следует включить резистор /?8, а напряжение питания под- вести к клеммам Kl5, /С1б. Для наблюдения релакса- ционных колебаний надо к клеммам Кз, ^4 присо- единить У-вход осцилло- графа. Большой интерес у учащихся вызывает так- же демонстрация газораз- рядного цифрового инди- катора. Для проведения этой демонстрации мы из- готовили отдельный при- бор (рис. 15) на верти- кальной панели. В центре условного изображения цифрового индикатора укреплена специальная ламповая панелька, в ко- торой устанавливают циф- ровой газоразрядный ин- дикатор, например, тцпа ИН-1 (или ИН-2). Выво- ды катодов лампы присо- единены к 10 клеммам. В цепь питания включены ограничительный резис- тор R = 40 ком (0,5 вт) и переменный резистор /?' = 220 ком. К прибору подводят постоянное на- пряжение 250 в от вы- прямителя. Переключая минусовый провод с одно- го катодного вывода на другой, наблюдают свече- ние катодов, имеющих форму различных цифр. Изменяя сопротивление переменного резистора R', можно также регулиро- вать яркость свечения цифр индикатора. Рис. 13 Рис. 14 6 Заказ № 2369 81
Рис. 16 Цифровые индикаторы находят широкое применение в различ- ных счетно-решающих устройствах. Простейший однокаскадный счетчик электрических импульсов можно собрать по схеме, при- веденной на. рисунке 16, на которой показано совместное включе- ние цифрового индикатора с шаговым реле. Замыкая ключ К на короткое время, посылают импульс тока в обмотку реле. При этом щетка поворачивается на одно деление по шаговому полю и пере- ключает минусовый полюс цепи питания цифрового индикатора с одного катода на другой (соседний). Если вначале светйлась цифра «О», то после посылки нескольких импульсов будет све- титься цифра, указывающая число этих импульсов. В. И. Данильчук (Чебоксары); ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРЕТОВ ИЗ ОРГСТЕКЛА Электретом называют постоянно поляризованный диэлектрик, несущий на одной стороне положительный, а на другой — отри- цательный заряды. Электрет — электрический аналог постоян- ного магнита. Существует несколько методов изготовления электретов пу- тем наложения на диэлектрик сильного электрического поля. Самый распространенный метод получения электретов состоит в нагревании диэлектрика до температуры, близкой или равной температуре плавления, наложении сильного электрического поля и охлаждения диэлектрика в этом поле. Если после охлаждения диэлектрика электрическое поле снять, то диэлектрик останется 82
поляризованным. Полученные этим способом электреты называ- ются термоэлектретами. Для изготовления термоэлектретов применяются как органи- ческие, так и неорганические вещества. Большое распространение получили керамические термоэлектреты. В условиях школы термоэлектреты можно изготовить из орг- стекла. Для этого собирают установку по схеме, показанной на рисунке. Роль обкладок конденсатора играют две металлические пластины, площадь которых порядка 100 см2. Можно использо- вать два металлических диска, имеющихся в комплектах школь- ных электрометров. Обкладки конденсатора укрепляются с помо- щью эбонитовых держателей на штативе. Пластинку из оргстекла толщиной 1—3 мм разогревают над электрической плиткой до полного размягчения. Разогретую пластинку вставляют между обкладками конденсатора и прикла- дывают к ним сильное электрическое поле напряженностью порядка 1000 el см. С этой целью на металлические диски подают высокое напряжение от электрофорной машины или высоковольт- ного выпрямителя. Размеры пластинки из оргстекла должны быть несколько больше размеров обкладок конденсатора. Диски элект- рофорной машины вращают непрерывно до тех пор, пока пластин- ка из оргстекла не затвердеет в электрическом поле. После этого ее вытаскивают из конденсатора и показывают с помощью элект- рометра, что получился термоэлектрет: ориентированные полем молекулы-диполи как бы «вмерзли» в вещество. Электретный заряд пластинки из оргстекла может сохраняться в течение нескольких суток и даже недель. В первую очередь надо показать учащимся, что на одной стороне электретной пластинки находится отрицательный, а на другой — положительный заряд. Для этого кладут электрет на диск электрометра и касаются стержня электрометра пальцем, после чего снимают электрет. Электрометр оказывается заряженным через влияние зарядом, знак которого противоположен знаку заряда ближайшей к элект- рометру плоскости электрета. Поднося затем к электрометру электрет другой плоскостью, наблюдают, что угол отклонения стрелки электрометра увеличивается. Это значит, что на второй плоскости электрета находится заряд противоположного знака. Можно намочить электрет- ную пластинку водой и пока- зать, что после высыхания ее электретные свойства сохраня- ются. Можно попытаться снять заряд заземленным скальпелем. Но это оказывается невозмож- ным, тогда как заряд с наэлек- тризованной трением точно та- кой же пластинки из оргстекла легко снимается. 6* ; 83
ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ' А. А. Устинов (Петропавловск-Камчатский) Для измерения магнитной индукции можно применить ферро- магнитный датчик мостикового типа, который нетрудно изготовить в условиях школы. Сердечник датчика изготавливают из листового пермаллоя толщиной 0,2 мм. Для этого из него вырезают пять квадратных рамок размером 20X20 мм (рис. 1), а также десять узких полосок для двух плеч моста (по пять слоев пермаллоя в каждом). Дли- ну плеча берут немного большей диагонали внешнего контура рамок. На плечи моста (предварительно изолированных тонкой -бумагой) наматывают по 1500 витков медной проволоки диамет- ром 0,12 мм. Плечи моста с обмотками крепятся на пермаллоевой рамке (рис. 2). При этом пластинки плечей моста располагают между пластинками рамки. Полученный ферромагнитный дат- чик для удобства пользования им крепят между двумя пластин- ками из органического стекла, имеющими квадратные отверстия, равные внутреннему отверстию датчика (рис. 3). Для объяснения учащимся принципа действия данного дат- чика нужно провести аналогию с мостиком сопротивлений в цепи постоянного тока. Подадим на одну из обмоток переменное напряжение. Пока датчик находится вне магнитного поля, в другой его обмотке (из- мерительной) не возникает ЭДС, так как в плече, на которое намотана измерительная катушка, магнитный поток равен нулю (мостик находится в равновесии). Когда же мостик помещен во внешнее постоянное магнитное поле, то равновесие моста нару- шается и в диагонали моста появляется переменный магнитный поток, а в измерительной катушке возникает ЭДС индукции, .величина которой практически пропорциональна индукции внеш- него магнитного поля. Наибольшая ЭДС возникает в том случае, «если внешнее поле направлено параллельно сторонам рамки мостика. Датчики такого типа (магнитные зонды) широко используются в различных отраслях народного хозяйства, -науке и технике. Им отдается предпочтение перед датчиками других типов вслед- ствие их высокой чувствительности, надежности и малых раз- меров. Описанный датчик включают совместно со школьным демон- страционным гальванометром, чувствительным по напряжению (гальванометр от школьного демонстрационного вольтметра). С помощью такого датчика можно демонстрировать: 1) зависимость индукции магнитного поля длинного провод- ника с током от величины тока и расстояния от оси проводника; 2) зависимость магнитной индукции кругового тока (в. его дентре) от силы тока и радиуса витка; 84
3) принцип суперпозиции маг- нитных полей; 4) зависимость магнитной ин- дукции в катушке от силы тока и числа витков катушки, приходя- щихся на единицу длины; 5) магнитную защиту; 6) зависимость магнитной ин- дукции от формы сердечника электромагнита. Для проведения демонстрации 2 и 3 был изготовлен прибор, изображенный на рисунке 4, где 1 и 2 — кольцевые проволочные катушки, имеющие по 100 витков провода, рассчитанного на ток 4—5 а. Радиус первого кольца 30 см, второго — 60 см. Постоян- ный ток к проволочным катушкам подводится через клеммы. Кольца крепятся на пластинке из орга- нического стекла, в центре кото- рого имеется круглое отвер- стие. . Для демонстрации принципа суперпозиции магнитных полей сначала подают постоянный ток 2—3 а во внешнее кольцо и дат- чиком измеряют индукцию маг- нитного поля этого тока в центре витка. Затем определяют индук- цию поля, создаваемого током, текущим по второму витку. Не изменяя величины токов в катуш- ках и положения датчика, опреде- ляют индукцию магнитного поля, когда токи текут по обеим катуш- кам сначала в одном направлении, а затем в противоположные сто- роны. Сопоставляя результаты эксперимента, приходят к выводу о сложении магнитных полей. Питание возбуждающей обмотки датчика производится от школь- ного генератора звуковой часто- ты при частоте 800 гц (можно пользоваться и током промышлен- ной частоты). Рис. 1 Рис. 2 85
Для измерения магнитной индукции можно также применять датчики Холла. Опыты с датчиком Холла для школы предложены и описаны в методической литературе. Однако из-за малой чувствительности этих датчиков для измерения возникающей разности потенциалов необходимо пользоваться зеркальным гальванометром или школьным демонстрационным гальванометром с усилителем постоянного тока. Известно, что усилители переменного тока более стабильны и надежны в работе по сравнению с усилителями постоянного тока. Поэтому для измерения индукции постоянного магнитного поля’ датчик Холла лучше питать переменным током и использовать усилитель переменного тока. Нами был использован для опытов датчик Холла типа XI12, который имеет следующие параметры: входное сопротивление — 56 ом, выходное сопротивление — 57 ом, рабочий ток — 10 ма, чувствительность — 900 мквЦа-э). Датчик вставляется в стек- лянную пробирку (рис. 5) на изолирующей пластинке, а провода питания и выводы холловского напряжения пропускаются через пробку, закрывающую пробирку. Стеклянная пробирка защищает датчик от механических повреждений, обеспечивая вместе с тем хорошую видимость самого датчика и выводов, -с помощью кото- рых он включается в установку. Для удобства задания необходимого рабочего тока датчик лучше питать от школьного генератора звуковой частоты. Если его питать от сети переменного тока, то необходимо использовать систему потенциометров, чтобы получить регу- лируемое напряжение в пределах от 0 до 1 в. В качестве усилителя можно использовать усилитель от киноаппарата «Школьник». Инди- катором служит школьный гальванометр от \ вольтметра, его присоединяют к выходу усили- теля. Усиливаемое холловское напряжение по- дается на адаптер. Для устранения помех фото- элемент из усилителя вынимают. С данным датчиком и усилителем хорошо проходят опыты по выявлению зависимости индукции магнитного поля от расстояния до проводника с током и силы тока. Если проводить опыты с достаточно силь- ными магнитными полями, то в качестве инди- катора можно использовать электронный осциллограф. В этом случае датчцк соединяют с вертикальным входом осциллографа, а гене- ратор горизонтальной развертки отключают. О величине индукции магнитного поля судят по длине линии на экране осциллографа. Рис, 5 86
'Возможность использования электронного осциллографа в качестве индикатора является одним из преимуществ питания датчика переменным током. * * * С. Л. Вольштейн (Минск) В учебном пособии по физике для IX класса рекомендуется для измерения индукции магнитного поля воспользоваться не прямолинейным проводником с'током, а небольшим по размеру (в диаметре) витком с током. Определение величины индукции по максимальному вращаю- щему моменту, действующему на виток с током в магнитном поле, имеет ряд преимуществ. Во-первых, применение малого прямо- линейного проводника с током для измерения индукции не может дать точных результатов. Так, в случае неоднородного магнитного поля проводники, на которых подвешен малый проводник, будут сами испытывать действие сил и, следовательно, оказывать влия- ние на отклонение проводника с током. Во-вторых, применение витка малых размеров с током позволяет определить индукцию в любой точке неоднородного магнитного поля, так как в преде- лах размеров витка поле можно считать однородным. При этом проводники, на которых подвешен виток, можно расположить так близко друг к другу, что влияние поля на них будет практически отсутствовать. В школе можно изготовить самодельный индикатор индукции магнитного поля (рис. 1). Для этого используют две плоские катушки диаметром 1,5 и 3,0 см. Каждая из катушек выполнена на легком каркасе, на который наматывается 100—200 витков провода ПЭЛ-0,08—0,1. .Внутри каркаса укрепляется стрелка, изготовленная из дерева или алюминия. Катушки подвешиваются на тонких (из провода ПЭЛ-0,13—0,28), плотно прижатых друг к другу проводниках длиной 1,0—1,2 м. Эти проводники прикреп- ляются к пробке, в которой имеются специальные электриче- ские контакты. На пробке же крепится стрелка-указатель. Спе- циальная шкала позволяет вести отсчет величины индукции маг- нитного поля в условных единицах. Работа с прибором заключается в следующем. Катушку с чо- ком вносят в магнитное поле и располагают таким образом, чтобы нормаль к плоскости катушки совпала с направлением, указы- ваемым северным полюсом магнитной стрелки. Нуль шкалы и стрелка-указатель совмещаются. Для измерения индукции мед- ленно поворачивают пробку со стрелкой-указателем до тех пор, пока нормаль катушки не повернется на угол 90°. При этом плос- кость катушки располагается параллельно линиям индукции поля. В этом положении максимальный вращающий момент, действую- 87
щий на катушку, равен моменту сил упругости проводников, на которых подвешена катушка. Величина вращающего момента пропорциональна числу делений на шкале, отсчитанных стрел- кой-указателем при повороте пробки. Измеряя для одной и той же точки поля вращающий момент при различной силе тока в катушке и различных площадях витков, л Al. i AI2 AI3 обнаруживают, что отношения равны /1О1 12г>2 'з^з /4^4 друг другу. Величину тока в катушке регулируют с помощью рео- стата и измеряют с помощью демонстрационного амперметра. Равенство этих отношений дает основание говорить о том, что каждая точка магнитного поля может быть охарактеризована отношением . Оно определяет величину индукции магнитного 1 поля в выбранной точке. Предлагаемый индикатор позволяет из- мерять индукцию в условных единицах. Чтобы научить учащихся пользоваться отношением ~ для 1 определения индукции, целесообразно в классе решить следую- щую задачу: «На виток с током в выбранной точке магнитного поля действует вращающий момент 4-10-10 н-м. Ток в витке 1а, а площадь витка 3-10~4ж2. Найти индукцию в данной точке». С помощью описанного индикатора индукции магнитного поля можно проверить формулы индукции магнитного поля прямого, кругового токов и соленоида. Опыт 1. На небольшом расстоянии от прямолинейного про- водника с током помещают катушку индикатора (рис. 2). В про- воднике последовательно пропускают токи /1, /2 = 2/1 и /3 = 4/1. 88
Для каждого случая находят (в условных единицах) индукцию В. Из сравнения величин индукций обнаруживается, что В~1. При некотором значении силы тока I помещают катушку инди- катора на различных расстояниях от проводника и измеряют индукцию В. Опыт показывает, что В~-^-. Этим подтверждается Но/ зависимость В=——. 2л/? О п ы т 2. Помещают катушку индикатора в центре кругового тока (рис. 3). Изменяя силу тока и измеряя магнитную индукцию, обнаруживают, что В~1. Затем при одном и том же значении силы тока определяют индукцию в центрах двух круговых токов, имеющих различные радиусы. Убеждаются, что Этим подтверждается формула индукции / D Но/ \ центре кругового тока I В—~—- I. магнитного поля в Опыт 3. Индукция магнитного поля соленоида выражается формулой B = ]XQnI. Для проверки этой формулы помещают катушку индикато- ра внутрь соленоида (рис. 4). При различных значениях силы тока измеряют магнитную индукцию В и убеждаются в том, что В ~ I. Затем при определенном значении силы тока измеряют индук- цию магнитного поля при различных растяжениях спирали (раз- личных п). Эти измерения подтверждают, что В~п. 89
ДЕМОНСТРАЦИЯ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА Получение петли магнитного гистерезиса на экране осциллографа Н. Ф. Хлыбов (Йошкар-Ола) 6,3 в Рис. 1 Для проведения опыта наде- вают на исследуемый образец две одинаковые катушки и к одной из них подводят перемен- ное синусоидальное напряже- ние. Это напряжение одновре- менно подают на У-вход ос- циллографа. Во второй катушке индуцируется ЭДС. Напряже- ние с этой катушки подают на Х-вход осциллографа (рис. 1). На экране при этом получается устойчивая петля гистерезиса для материала исследуемого об- разца. В школе удобно воспользоваться готовым прибором — раз- борным демонстрационным электромагнитом. Собираемая уста- новка показана на рисунке 2. Ручками осциллографа «Делитель», «Усиление X» и «Усиле- ние У» добиваются нужных размеров изображения петли на экране. Если петля гистерезиса расцоложилась на экране по левой диагонали, то следует поменять полярность на Х-входе или на У-входе. Если приготовить несколько образцов в виде цилиндрических стержней соответствующего диаметра из различных ферромагне- тиков, то, применяя те же катушки, можно продемонстрировать Рис. 2 90
различие между петлями гистерезиса у магнитомягких и магнито- жестких материалов. Перед демонстрацией таких опытов следует с помощью осцил- лографа показать, что к первичной обмотке подводится синусо- идальное напряжение, а напряжение, снимаемое со вторичной обмотки, не является синусоидальным. Форма кривой вторичного напряжения и отражает характер кривой перемагничивания образца. Демонстрация нагрева ферромагнетиков вследствие перемагничивания М. С. Боженко (Иркутск) Как известно, площадь «петли гистерезиса» численно равна энергии, необходимой для перемагничивания единицы объема ферромагнетика за один цикл. Ферромагнетик с большой коэр- цитивной силой (широкая петля гистерезиса) называют магнито- жестким, а ферромагнетик с малой коэрцитивной силой (узкая петля гистерезиса) — магнитомягким. Нагревание ферромагне- тика в переменном магнитном поле обусловлено двумя причина- ми: протеканием по нему вихревых токов (токи Фуко) и затра- тами энергии на перемагничивание (явление гистерезиса). Соотношение между этими двумя компонентами потерь зависит при прочих равных условиях от сорта ферромагнетика и от его обработки. Магнитожесткий образец в переменном магнитном поле будет нагреваться сильнее, чем магнитомягкий, причем в магнитожестком образце потери на гистерезис во много раз больше потерь на вихревые токи. Установка для проведения опыта представлена на рисунке 1. Часть магнитопровода универсального трансформатора заменяют испытуемыми стальными брусками размером 65X32X32 мм, изготовленными из одного сорта стали. Но брусок 1 подвергался закалке, а брусок 2 — отжигу. Для измерения повышения темпе- ратуры брусков можно использовать термопары 4 и школьные гальванометры с усилительными приставками. Спаи термопары пропускают через резиновые пробки и помещают в специальные углубления, высверленные в испытуемых брусках. Для термоизо- ляции брусков друг от друга и от магнитопровода трансформа- тора применяют бумажные прокладки 3. Переменное напряжение 220 в подводится к двум катушкам по 120 в, соединенным после- довательно (для симметрии). За 5—6 мин бруски нагревались один до 60, а другой — до 50 °C. Таким образом, если расход энергии на токи Фуко в обоих брусках одинаков, то можно считать, что первый брусок является магнитожестким ферромагнетиком, а второй — магнитомягким (менее жестким). 91
Рис. 2 Опыт можно разнообразить, если приготовить набор брусков из разных сортов стали (сплошные и наборные). Температуру нагрева стальных брусков можно измерять и ртутными лабора- торными термометрами (рис. 2). Можно воспользоваться и Рис. 3 одним гальванометром, вклю- чив его по схеме, показанной на рисунке 3. В этом случае гальванометр будет показы- вать разность температур ис- пытуемых брусков. Перед про- ведением опыта целесообразно показать учащимся, что стрел- ка гальванометра отклоняется только в том случае, когда спаи термопар имеют различ- ные температуры. Для этого термопары помещаются сна- чала в один стакан с холодной водой, затем — в один стакан с горячей водой и, наконец, одну термопару помещают в холодную воду, а другую — в горячую. Только в третьем случае стрелка гальванометра отклоняется. 92
О. Л. Алексеев- (Свердловск! ДЕМОНСТРАЦИЯ ТОЧКИ КЮРИ Для демонстрации точки Кюри ферро- и ферримагнетиков можно использовать простую установку, изображенную на ри- сунке. Установка состоит из двух катушек 1 и 3, стержня 2 (никеле- вого или ферритового), источника переменного тока на 6—12 в и регистрирующего прибора (школьный демонстрационный галь- ванометр, подключенный к катушке 3 средним зажимом и зажи- мом для переменного тока). Одним своим концом стержень- закрепляется в лабораторном штативе, а нагреватель распола- гается непосредственно под средней частью стержня. Для нагре- вания стержня можно использовать газовую горелку или брикеты сухого спирта. При протекании тока через катушку 1 в катушке^ индуциру- ется ЭДС, пропорциональная магнитной проницаемости ц мате- риала сердечника. Для ферромагнитных материалов 1, поэтому индуцируе- мая ЭДС будет значительной. Стрелка гальванометра отклонится почти на всю шкалу. После нагревания сердечника средняя часть его при достиже- нии точки Кюри переходит в парамагнитное состояние. Поэтому индуктивная связь между катушками сильно уменьшается (для средней части сердечника величина ц практически становится равной единице). Происходит как бы образование зазора, по величине равного области парамагнитного состояния сердечника,, что приводит к резкому уменьшению ЭДС, индуцируемой в. катушке. Стрелка гальванометра практически возвращается к нулевому делению шкалы. При охлаждении ниже точки Кюри ферромагнитные свойства сердечника восстанавливаются и индуктивная связь между ка- тушками восстанавливается. В эксперименте лучше всего использовать длинные сердечники (около 20—30 см) диаметром 5—10 мм. Катушка 1 наматыва- ется проводом ПЭЛ-0,25— 0,5 (около 500 витков), катушка 2 — проводом ПЭЛ-0,1 (около 1500— 2000 витков). Диаметр провода и число витков некритичны и могут быть при необходимости изме- нены. 93
Г. Р. Глущенко (Славянск-на-Кубани) ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОВ Одним из фундаментальных опытов школьного курса физики является опыт, иллюстрирующий взаимодействие проводников, по которым протекает ток. В большинстве случаев этот опыт демонстрируется с помощью лент из фольги. Недостатком такой постановки опыта является трудность крепления лент и необхо- димость пропускать по ним значительный (до 10 а) ток. Кроме того, установку почти невозможно хранить и каждый раз ее при- ходится собирать вновь. Предлагаемая здесь самодельная установка очень проста и вместе с тем чувствительна. В своем простейшем виде она выгля- дит так, как показано на рисунке 1. К верхнему и нижнему торцам деревянного бруска прикрепляют гвоздями по две жестяные пластинки. В выступающих концах пластинок делают кернером небольшие углубления, в которые вставляются две проволочные полурамки из медной проволоки диаметром 0,8 мм. Концы полу- рамок заострены. К жестяным пластинкам припаивают провод- ники, с помощью которых полурамки могут быть присоединены к источнику тока. При проведении опыта брусок закрепляют в штативе в верти- кальном положении. Вставив в углубления жестяных пластинок полурамки, наблюдают при одинаковом направлении тока в них притяжение, . а при противоположном направлении тока — отталкивание. Притяжение обнаруживается уже на расстоянии 4—5 см. Система настолько чувствительна, что при включении тока в одной полурамке она при благоприятных условиях прихо- дит в движение вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли. В нерабочем состоянии полурамки и брусок хранятся от- дельно. Рис. 2 94
Рис. 3 Для большего удобства проведения опытов можно прибор немного усложнить; Деревянный брусок прикрепляют к фанер- ' ному прямоугольнику (рис. 2), на котором устанавливают две пары гнезд. К этим гнездам подводят выводы жестяных пласти- нок. Ток к полурамкам подводят через штепсельные вилки, вклю- чаемые в гнезда. В цепь каждой полурамки желательно подклю- чать ключ и реостат. Использование вилок позволяет легко и наглядно менять на- правление тока в полурамках: вилку вынимают из гнезд, пово- рачивают на 180° и вновь вставляют в гнезда. Желательно, чтобы сами полурамки состояли из нескольких десятков витков (можно взять по 20—30 витков). Провод в этом случае должен иметь диаметр не более 0,5 мм. Получившуюся рамку надо аккуратно обмотать, например, тонкими шелковыми нитками. Из кусочков проволоки диаметром 1 мм изготовляют полуоси, которые припаивают к свободным концам рамок. Для обеспечения механической жесткости полуоси привязывают к рамкам, свободные концы полуосей затачиваются на конус. При опытах прибор крепят в штативе, однако можно укрепить его и на небольшой деревянной подставке. При наличии чувствительного динамометра прибор может .быть использован и для демонстрации действия магнитного поля на проводник о током (закон Ампера). В этом случае устанав- ливают только одну полурамку, середину которой тонкой ниточ- кой соединяют с крючком динамометра. Рабочую сторону рамки помещают между полюсами магнита (рис. 3). Измеряют силу, действующую на проводник при различных значениях силы тока. Положив один магнит на другой одноименными полюсами, увели- чивают практически вдвое активную длину проводника и обнару- живают соответствующее увеличение силы, действующей на про- водник. Помещая рамку в разные точки поля, убеждаются в том, что сила Ампера зависит также от индукции магнитного поля. Аналогичный опыт м-ожёт явиться основой для введения понятия индукции магнитного поля. 95
С. Н. Прокофьев (Чебоксары) ОПЫТЫ-ПАРАДОКСЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ЯВЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Величина ЭДС электромагнитной индукции определяется двумя известными формулами: <§ = vBl. (2) Формула (1) позволяет находить величину ЭДС индукции в замкнутом контуре по скорости изменения магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную рассматриваемым контуром. Формула (2) дает величину ЭДС индукции на отрезке длины /, движущемся поступательно в стационарном и однород- ном магнитном поле, для того частного случая, когда направле- ния векторов v, В и I взаимно перпендикулярны. Если же эти векторы не взаимно перпендикулярны и отрезок движется не поступательно в стационарном, но неоднородном магнитном поле, то формулу (2) следует заменить более общей формулой: <§ = [ЩЗ]д7. (2') Правая сторона равенства (2') является смешанным произве- дением трех векторов, причем вектор А/ берется настолько ма- лым, что с достаточной точностью можно считать скорости v всех его точек одинаковыми и вектор В во всех его точках также одинаковым. Нахождение ЭДС для произвольного отрезка, кото- рый в общем случае является криволинейным, сводится к вычис- лению суммы ЭДС, определяемых с помощью формулы (2х) для малых отрезков, на которые можно мысленно разбить данный отрезок. Формула (1) применяется при наличии замкнутого контура и позволяет определить ЭДС индукции для всего этого контура, не говоря о том, какова ЭДС индукции на отдельных его участках. Эта формула отражает положение Максвелла о существовании вихревого электрического поля, возбуждаемого изменяющимся с течением времени магнитным полем. Вихревое электрическое поле и характеризуется ЭДС индукции в любом замкнутом неиз- меняемом и неподвижном контуре, воображаемом в виде матема- тической линии. 96
Формула (2Z) дает возможность вычислить ЭДС индукции не только в отдельных участках, но и во всем замкнутом контуре, движущемся в стационарном магнитном поле,-причем контур при движении может деформироваться. Однако формула (2Z) непри- менима, если магнитное поле меняется с течением времени. Действительно, формула (2') связана с силой Лоренца, точнее, с той составляющей силы Лоренца, с которой действует магнит- ное поле на движущуюся в нем частицу, имеющую электрический заряд. Другая составляющая силы Лоренца, с которой действует на заряженную частицу электрическое поле, всегда существую- щее, если магнитное поле меняется с течением времени, в фор- муле (2') не находит отражения. Простейшим примером, в кото- ром формула (2') неприменима, является неподвижный контур, площадь которого пронизывается меняющимся во времени маг- нитным полем. Имеются случаи, когда ЭДС индукции в замкнутом контуре можно найти как с помощью формулы (1), так и формулы (2), чем иногда пользуются в практике преподавания, выводя фор- мулу (2) из формулы (1) или наоборот. Рассмотрим случай, когда замкнутый неизменяемый контур в виде прямоугольника, изображенного на рисунке 1, движется поступательно со скоро- стью v, параллельной сторонам PQ и SR. Пусть отрезок длины I стороны QR находится в занимающем ограниченную область про- странства стационарном однородном магнитном поле, обозначен- ном -на рисунке точками. В этом отрезке контура согласно фор- муле (2) индуцируется ЭДС £=vBl. С другой стороны, vBl есть скорость изменения магнитного потока, пронизывающего кФ площадь контура, т. е. Формула (1) останется справедливой и в том случае, когда - все стороны контура неподвижны, кроме стороны QR, которая скользит своими концами по прямым PQ и SR со скоростью v, т. е. в случае, когда контур изменяем. Наконец, если наряду со скольжением стороны QR будет иметь место изменение магнитного поля с течением времени в той же области пространства, то ЭДС индукции в замкнутом контуре по-прежнему будет определяться формулой (1), причем в этом Рис. 1 Рис. 2 7 Заказ № 2369 97
случае изменение магнитного потока, пронизывающего поверх- ность, ограниченную контуром, обусловлено двумя причинами: скольжением стороны QR в магнитном поле и изменением маг- нитного поля с течением времени. Формула же (2) в этом случае становится непригодной. Пусть теперь между скользящими контактами Ki и К2 замкну- той цепи PQK1K2RS, изображенной на рисунке 2, находящейся в стационарном однородном магнитном поле, занимающем так же, как и в предыдущих примерах, ограниченную область простран- ства, движется со скоростью v пластина шириной I, целиком на- ходящаяся в магнитном поде. В этой замкнутой цепи согласнд формуле (2) существует ЭДС индукции, равная vBl, которая вызывает индукционный ток. Чтобы определить ЭДС индукции в рассматриваемой цепи с помощью формулы (1), необходимо прежде всего вообразить замкнутый контур, понимая под этим замкнутую линию, выбран- ную соответствующим образом. Участок K2RSPQK1 является вполне определенным. В пластине же между контактами /G и К2 можно вообразить какую-либо дугу, соединяющую их, которая и будет замыкать контур. Беря различные замыкающие дуги, мы можем получить для данной замкнутой цепи бесчисленное мно- жество контуров. В каждом таком замкнутом контуре согласно формуле (1) существует ЭДС индукции, по-прежнему равная vBl, если только дуга, соединяющая контакты Кл и К2, движется вме- сте с пластиной. Упомянутая независимость ЭДС индукции от формы дуги, движущейся вместе с пластиной и соединяющей контакты Ki и К2, следует из того, что ЭДС в замкнутом контуре, который можно образовать из двух различных дуг и который дви- жется поступательно в стационарном однородном магнитном поле, равна нулю. Следует, однако, иметь в виду, что рассматривание формулы (2) как частного случая формулы (1) носит в известной мере формальный характер, так как обе формулы на самом деле отно- сятся к двум различным случаям получения ЭДС индукции: изме- нению магнитного поля с течением времени и движению прово- лочного контура или его деформации в стационарном магнитном поле. И хотя формально формула (1) применима к обоим слу- чаям, она отражает суть физического процесса, лишь когда ЭДС индукции обусловлена наличием вихревого электрического поля, вызванного изменением во времени магнитного поля. Фетишиза- ция формулы (1) может привести к ошибочным заключениям, носящим характер парадоксов. Ниже приводятся некоторые опыты-парадоксы, относящиеся к явлению электромагнитной индукции. Они, на наш взгляд, могут быть поучительными, показывая учащимся, что вывод, сделанный из эксперимента, неправомерно распространять на условия, которые лежат за пределами исходных опытов. Один из 98
таких опытов-парадоксов был осуществлен в начале нашего века академиком В. Ф. Миткевичем. В опыте применяется изображенный на рисунке 3, а тороид М (железное кольцо с равномерной по его поверхности обмоткой из изолированной проволоки). Обмотка окружена металлическим поясом С продолговатой формы. Кроме того, в опыте используется гальванометр с присоединенными к нему длинными проводами, концы которых припаяны к контактным пластинам и /С2, имею- щим изоляционные рукоятки (рис. 3, б). Опыт проводят следующим образом. Взяв контактные пласти- ны Ki и К2 за рукоятки, соединяют их закругленными концами, как показано на рисунке 3, б. Не разъединяя пластины Ki и К2, приводят их в соприкосновение с поясом С, а затем заставляют их скользить по поверхности пояса (рис. 4) до тех пор, пока они вновь не встретятся своими закругленными концами. После этого пластины Ki и К2, находящиеся в контакте друг с другом, сдви- гают в сторону от пояса С. В результате этих операций цепь галь- ванометра, все время остававшаяся замкнутой и сначала не охва- тывавшая магнитного потока тороида, затем его охватывает. Но гальванометр никакого индукционного тока не обнаруживает. Это легко понять, если исходить из формулы (2) или (2'), так как движение частей цепи гальванометра в рассматриваемом опыте происходит там, где магнитного поля нет. Опыт Миткевича не противоречит и формуле (1), если в ней в соответствии с рассмотренным ранее под изменением магнит- ного потока, охватываемого контуром, понимать только такое его изменение, которое обусловлено или нестационарностью магнит- ного поля, или же движением частей контура или всего контура в магнитном поле. В опыте Миткевича полученное изменение маг- Рис. 5 7* 99
Рис. 6 нитного потока, охватываемого цепью гальванометра, не удовле- творяет этим требованиям. Схема подобного рода опыта, но проводимого в ином вари- анте, приведена на рисунке 5, на котором М изображает сечение магнита или электромагнита. Если замкнуть ключ Ki, образу- ется замкнутая цепь гальванометра, не охватывающего магнит- ный поток. Если же ключ Кл разомкнуть, а ключ К2 замкнуть, цепь гальванометра будет охватывать магнитный поток. При таком переключении в цепи гальванометра индукционный ток, естественно, не обнаруживается по тем же причинам, по которым индукционный ток не возникает в опыте Миткевича. На рисунке 6 изображена схема устройства, состоящего из двух катушек А и В. Катушка А может вращаться вокруг.желез- ного сердечника F, на который она надета, а катушка В — вокруг оси OiO2. В железном сердечнике создается постоянный магнит- ный поток с помощью обмотки w, питаемой постоянным током. Свободные концы обмоток катушек А и В соединены с контакт- ными кольцами С\ и С2, которых касаются щетки Ki и К2. К щет- кам присоединен гальванометр G так,, что образуется замкнутая цепь. Если вращать катушку, то магнитный поток, сцепленный с замкнутой цепью гальванометра, будет плавно изменяться. Но при этом в цепи гальванометра не будет индуцироваться ЭДС. Л. И. Вишневский (Вологда) НАЧАЛЬНЫЕ ОПЫТЫ С ОСЦИЛЛОГРАФОМ Электронный осциллограф широко применяется в опытах по физике в IX и X классах. Приступая к использованию осцилло- графа в физическом эксперименте, следует сначала познакомить учащихся с действием и возможностями этого прибора. Именно этой цели служат описанные ниже два опыта. 100
Опыт 1. Роль отклоняющих пластин в электронно-лучевой трубке. Для проведения этого опыта вырезают из жести две полоски размером 4Х1 см и припаивают к ним отрезки тол- стого (0 1,5—2 мм) медного провода длиной 15—20 см. Получен ныё таким образом электроды укрепляют в изолирующем шта- тиве и располагают так, чтобы пластины касались экрана осцил- лографа (см.- рис.). Расстояние между пластинами 4—5 см.. Пластины нужно слегка изогнуть по форме экрана. Генератор горизонтальной развертки осциллографа выклю- чают, усиление по вертикали и горизонтали уменьшают до нуля, световое пятно устанавливают в центре экрана. Яркость луча нужно уменьшить до предела, при котором еще сохраняется види- - мость. Заряжают верхнюю пластину отрицательным зарядом от наэлектризованной эбонитовой палочки. Учащиеся видят, что све- товое пятно смещается вниз (при большом заряде пятно может выйти за пределы экрана). Снимая заряд с пластины прикосно- вением руки, показывают, что луч возвращается на прежнее место. Повторяют опыт, заряжая нижнюю пластину. Затем повторяют опыт, повернув пластины в вертикальное положение (изолирующий стержень с электродами удобно закре- пить в шаровом шарнире). Можно показать эти опыты и с электрофорной машиной, при- соединив пластины к ее бортам. Опыт 2. Принцип осциллографирования. К клеммам регулиру- емого напряжения 0± 100 в универсального выпрямителя (ВУП) присоединяют гальванометр от вольтметра с добавочным сопро- тивлением 20 ком и устанавливают корректором стрелку на сере- дине шкалы. От этих же клемм два провода со штекерами на концах включают в гнезда «X» на задней стенке осциллографа. Генератор развертки и усилитель выключают. Медленно поворачивая рукоятку потенциометра выпрямителя, показывают, что луч перемещается по горизонтали вправо или влево, в зависимости от знака потенциала пластин. Методически целесообразно так включить вольтметр, чтобы направление от- клонения луча и направление отклонения стрелки прибора совпа- дали. Обращают внимание учащихся на очень важное обстоятель- ство: смещение луча пропорционально величине напряжения, подаваемого на пластины. Затем показывают, что таким же свой- ством обладают и пластины вер- тикального отклонения луча. После того как показано действие 'отклоняющих плас- тин, провода от выпрямителя снова подключают к гнездам пластин «X». На вход верти- кального усилителя подают пе- 101
ременное напряжение от сети, поставив в соответствующее поло- жение делитель входного сигнала. Регулируя усиление, получают на экране вертикальную полоску длиной 3—4 см. Затем, пово- рачивая рукоятку потенциометра выпрямителя, заставляют луч наряду с движением по вертикали перемещаться в горизонталь- ном направлении. Луч, участвуя одновременно в двух движениях, будет описывать по экрану сложную траекторию — несколько искаженную синусоиду. Объясняют, что процесс образования осциллограммы подобен процессу вычерчивания графика зависимости напряжения от вре- мени. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В. И. Соломкан (Майкоп) ЗВУКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ экран и ОПЫТЫ с ним Экран, чувствительный к ультразвуковым колебаниям, может быть использован для демонстрации ряда опытов, связан- ных с изучением распространения упругих колебаний в сплошных средах, переноса энергии в волновом процессе и др. В основе действия звукочувствительного экрана лежит тот факт, что некоторые синтетические высокомолекулярные соедине- ния сильно поглощают энергию ультразвуковых колебаний и вследствие этого нагреваются. Для возможности визуального наблюдения температурного поля используется термочувстви- тельная краска. Звукочувствительный экран в некотором роде можно рассмат- ривать как сенсибилизированный к ультразвуку термочувстви- тельный экран. В месте падения на экран пучка ультразвуковых волн его цвет меняется и может сохраняться таким в течение нескольких минут. Для изготовления экрана нужна специальная термочувстви- тельная краска. Пигмент этой краски на основе ртутно-йодистого серебра Ag2HgI4 может быть получен химическим путем по рецепту, описанному в книге Е. Н. Горячкина «Методика препода- вания физики в семилетней школе», т. 3. Высушенное после приготовления ртутно-йодистое серебро тщательно растирают в фарфоровой ступке медленными равно- мерными движениями песта. При растирании не следует допу- скать сильных нажимов, толчков или ударов, могущих вызвать локальные изменения температуры вещества. Дело в том, что значительный нагрев ведет к необратимым процессам, которые могут быть причиной потери термочувствительных свойств. При правильном растирании полученный тонкий порошок должен иметь чистый лимонно-желтый цвет. Перед покрытием поверх- 102
ности порошок смешивают с каким-либо бесцветным лаком. Крас- ка равномерным слоем наносится на поверхность стеклянной пластинки желаемых размеров. После полного высыхания слоя краски его покрывают полихлорвиниловой пленкой. Для.этой цели может быть использована синяя электроизоляционная лента. При наклеивании пленки следует обращать внимание на то, чтобы под ней не образовывалось вспучиваний. Желательно пленку осторожно прокатать валиком, как это делается при глян- цевании фотографий. Края пластинки оклеивают со всех сторон тесьмой или плотной бумагой. Эту окантовку для предотвращения попадания под пленку жидкости покрывают лаком или клеем БФ-2. Изготовленный таким образом экран хранят в темном про- хладном месте. Удобно для него изготовить специальный чехол или конверт из непрозрачного для света материала. При температуре выше 35°С краска меняет цвет с желтого на красный, что связано с полиморфными преобразованиями в кри- сталлической ячейке ртутно-йодистого серебра. Молекулярная структура материалов терйочувствительной краски и стекла такова, что диссипации энергии ультразвуковых колебаний в них практически не происходит, следовательно, не происходит и их нагревания. Однако сильное поглощение энергии механических колебаний наблюдается в высокомолекулярных соединениях. Поэтому полихлорвиниловая пленка является хорошим поглоти- телем энергии ультразвука. Пленка нагревается и вследствие теплообмена нагревается также краска. Изменение цвета краски хорошо просматривается сквозь стекло экрана. Опыты со звукочувствительным экраном проводятся в кюве- те, имеющей хотя бы одну плоскую прозрачную стенку (см. рис.). В кювету с водой со стороны про- зрачной стенки стеклянной стороной наружу устанавливают звукочувстви- тельный экран 1. К противоположной стенке прикрепляют пьезоизлучатель ультразвуковых колебаний 2, возбуж- даемый высокочастотным генератором. Если между излучателем ультразвука и экраном поместить какой-либо полый предмет 5, например пустую коробочку, и медленно перемещать излучатель но горизонтали, то на экране остается зву- ковая тень от предмета. 103
В. П. Аксельрод (Днепропетровск) ДЕМОНСТРАЦИЯ СТОЯЧИХ ВОЛН Продемонстрировать учащимся явление образования механи- ческих стоячих волн можно с помощью простой установки, соб- ранной из следующих приборов: электрического демонстрацион- ного звонка, источника тока напряжением 4—10 в, выключателя, двух штативов с зажимами, двух резиновых шнуров диаметром 1—2 мм, длиной 60—100 см и 30—35 см, соединительных проводов и кусков медной голой проволоки диаметром 0,4—0,7 мм и длиной 6 см (23 шт.). Установку для получения поперечных механических стоячих волн собирают так. В штатив зажимают электрозвонок, как пока- зано на рисунке 1. К молоточку звонка прикрепляют один конец резинового шнура. Другой конец резинового шнура прикрепляют ко второму штативу. Включают звонок в цепь источника тока и с помощью регулировочного винта добиваются наименьшей частоты вибрации якоря. Раздвигая штативы, постепенно создают натяжение резинового шнура. Это следует делать не спеша, чтобы уловить момент, когда пучности будут иметь максимальную амп- литуду. Изменяя длину шнура и его натяжение, добиваются изме- нения числа пучностей и узлов на нем. Следует заметить, что при увеличении числа пучностей и узлов уменьшается амплитуда колебаний, что можно легко объяснить с энергетической точки зрения. При наличии, например, двух пуч- ностей можно добиться амплитуды колебаний 2 см. Явление образования продольных стоячих волн можно проде- монстрировать с помощью выше описанной установки, повернув звонок на 90° относительно его вертикальной оси. Но при этом из-за вибрации корпуса звонка, кроме продольных волн, на шнуре 104
будут возникать и поперечные волны. Чтобы устранить этот побочный эффект, необходимо по возможности уменьшить вибрацию корпуса звонка. Опыт прово- дят в следующем порядке. Укрепляют звонок, как показано на рисунке 2. Один конец шнура присоединяют к якорю звонка непосредственно у молоточка. По всей длине шнура размещают 23 куска проволоки на расстоянии 1 см друг от друга. Число этих проволочек п опреде- ляется из соотношения п = 2та~ 1 (где т — число необходимых для демонстра- ции длин полуволн, а — целое число). Другой конец резинки закрепляют в зажиме второго штатива. Звонок включают в цепь источника тока. Изменяя напряжение резинового шну- ра и частоту вибрации якоря (с помощью регулировочного винта), добиваются мак- симальной амплитуды колебаний в стоя- чей волне при заранее намеченном числе полуволн. Для улучшения условий наблюдения процесса образования стоячих волн сле- дует резиновый шнур и проволочные ин- дикаторы окрасить в черный цвет и поместить позади них белый _„экран. Хорошо также наблюдать тень, отбрасываемую шнуром и проволочками на экран, если их осветить проектором (например, фильмоскопом). ВИБРАТОР К ВОЛНОВОЙ ВАННЕ М. А. Кудайкулов, А. Ф. Файзуллаев (Алма-Ата) В опытах с волновой ванной стабильность частоты, мини- мальное значение амплитуды колебания вибратора и возмож- ность быстрой регулировки этих величин играют большую роль. Мы используем в качестве вибратора к волновой ванне поля- ризованное реле типа РП-5, подвергнутое небольшой переделке, которая выполняется следующим образом. Из тонкой жести выре- зают пластину шириной 5—6 мм и длиной 35—40 мм. На одном конце пластины участок длиной 8—10 мм- изгибают под прямым углом, а второй конец срезают на острый угол (рис, 1). Этим 105
Рис. 1 узким концом пластину крепят с помощью винта к якорю реле. На другом изогнутом конце пла- стины по центру просверливают отверстие диаметром 2—3 мм и против него припаивают гайку, которая служит для закрепления при помощи винта сменных наса- док из комплекта волновой ван- ны. Таким образом к якорю реле приделывают насадкодержатель, как показано на рисунке 2. Реле-вибратор укрепляют на изолирующей подставке, снаб женной стержнем-держателем (рис. 3). Вибратор питают от звуково го генератора типа ГЗШ-63, ГЗ-1 И др. При демонстрации опытов час- тоту колебаний вибратора можно регулировать вращением лимба звукового генератора; амплитуду колебаний регулируют путем из- менения напряжения на выходе звукового генератора или поворо- тами регулировочных винтов у не- подвижных контактов релё. Поскольку чувствительность поляризованного реле увеличива- ется с увеличением числа витков Рис. 3 106
катушки реле, обе обмотки соединяют последовательно: штырьки 2—3 закорачивают, а питание подводят к штырькам 1—4, кото- рые присоединяют к клеммам. При питании вибратора от ГЗШ-63 напряжение снимают с зажимов «600 ом-» и «Общ». Регулировку выходного напряжения звукового генератора производят ручкой «Усиление». При работе с вибратором на частотах, больших 10 гц, целесо- образно применить стробоскопический метод наблюдения. Для предохранения от возможного попадания пыли или брызг жидкости в зазоры между якорем и полюсами магнита можно надеть на вибратор кожух (рис. 3) того же реле, предварительно вырезав в нем отверстие для насадкодержателя. С помощью описанного вибратора можно успешно выполнять все опыты, проводимые с волновой ванной. * * * Г. В. Попов, Б. Г. Попов (Тула) Для расширения возможностей при проведении опытов с вол- новой ванной мы вместо обычного пружинного вибратора приме- няем специальный прибор, который позволяет получать незату- хающие колебания требуемой частоты (до 20 гц), дает возмож- ность демонстрировать влияние сдвига фаз на изменение распре- деления максимумов и минимумов в интерференционном поле, выявлять суть условия когерентности и механизм образования максимумов и минимумов при интерференции волн, демонстри- ровать стоячие волны и также влияние изменения фаз колебаний встречных волн на распределение пучностей и узлов в стоячей волне. Принципиальная электрическая схема прибора приведена на рисунке 1. В качестве задающего генератора используется симметричный мультивибратор, собранный на транзисторах Т\ и Т2; он вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следова- ния которых регулируется сдвоенным переменным сопротивле- нием /?1—7?ю, ручка которого выводится на переднюю панель блока управления (рис. 2). Сопротивление R& подбирается при регулировке амплитуды колебаний в различных положениях пере- ключателя П. Остальные элементы схемы мультивибратора общеизвестны. Коммутирующее устройство представляет собой буферный каскад, нагруженный на электромагнитное реле Р\ типа РЭС-10. Контакты этого реле через переключатель П управляют двумя реле-вибраторами (Р2 и Р3), надежно работающими от напряже- ния 24 в (могут быть использованы реле любого типа на указан- ное напряжение, у которых перемещение подвижной части не менее 1 мм). В задающем генераторе и буферном каскаде исполь- зуются транзисторы типа М.П-13Б. 107
Рис. 1 Рис. 2
Рис. 3 В положении 1—2 переключателя П оба реле-вибратора рабо- тают синфазно, так как цепь питания коммутируется одновре- менно через контакты 3,4 реле Р\. . - В положении 1—3 переключателя П оба реле-вибратора рабо- тают противофазно, так как цепь питания коммутируется попере- менно через контакты 3, 4 и 3, 5 (рис. 1). В положении 1—4 переключателя П будет работать только один вибратор. Искрогасительные конденсаторы С3 и С4 повы- шают надежность работы устройства и увеличивают срок службы р.еле. Блок питания обеспечивает нестабилизированное напряжение 24 в для питания реле и Р3 и стабилизированное напряжение 12 в для питания задающего генератора и коммутирующего уст- ройства. Стабилизация напряжения осуществляется с помощью эле- ментов стабилизирующей цепи, состоящей из резистора 15 и ста- билитрона Д-2. 109
Конструктивно прибор состоит из трех частей: блока управле- ния, вибраторов и кабеля. |>лок управления, в который входят задающий генератор, ком- мутирующее устройство, переключатель П и розетка 11Ц для под- ключения кабеля, монтируется вместе с блоком питания в метал- лическом кожухе, размеры которого показаны на рисунке 2. На передней панели блока управления выведены ручки «Частота» (сдвоенное переменное сопротивление R\—/?ю) и «Фаза» (пере- ключатель /7), выключатель сети ВК\, розетка Шх для подклю- чения кабеля и предохранитель Пр{. Для включения прибора в сеть используется соединительная вилка. На рисунке 3 приведен чертеж кабеля, на концах которого расположены вилки для подключения к розеткам Шх и Ш2. Розет- ка Ш2 подключается с другой стороны к реле-вибраторам. На рисунке 4 показано крепление реле-вибратора к струбцинке, с помощью которой вибратор устанавливают на борту ванны или на штативе. На этом же рисунке видно, как ударник соединен с подвижной частью реле. Обмотки реле-вибраторов соединяют последовательно с помощью гибкого провода длиной 1 м, что позволяет располагать вибраторы в разных местах вдоль борта ванны. Заметим, что контактную группу реле-вибратора можно ис- пользовать, например, для создания стробоскопического эффекта. В заключение приводим перечень деталей, используемых при монтаже прибора. Обозначение на схеме Наименование и тип детали Номинал Коли- чество Приме- чание Ri Сопротивление перемен- ное СП-1 680 ом 1 Спаренное r2 Резистор ОМЛТ-0,5 15 ком 1 R3 Резистор ОМЛТ-0,25 150 ком 1 R< Резистор ОМЛТ-0,25 20 ком 1 R5 Резистор ОМЛТ-0,25 2 ком 1 Re, R7 Резистор ОМЛТ-0,25 5,6 ком 2 Rs Резистор ОМЛТ-0,25 20 ком 1 Подбор 12— 30 ком r9 Резистор ОМЛТ-0,25 2 ком 1 Rio Сопрот. переменное СП-1 680 ом 1 Спаренное Rn Резистор ОМЛТ-0,25 1 ком 1 R12 Резистор ОМЛТ-0,25 150 ом 1 R13 Резистор ОМЛТ-0,25 12 ком 1 R14 Резистор ОМЛТ-0,25 3,9 ком 1 R15 Резистор ОМЛТ-2 750 ом 1 Cl Конденсатор КЭ-1 м 10 мкф 30 в 1 c2 Конденсатор КЭ-1 м 10 мкф 30 в 1 C3 Конденсатор КБМ 0,1 мкф 1 C< Конденсатор КБМ 0,1 мкф 1 C5 Конденсатор К50-ЗА 500 мкф 50 в 1 110
П родолжение Обозначение на схеме Наименование и тип детали Номинал Коли- чество Приме- чайте Д1 Диод Д7В 1 с Д2 Стабилитрон Д814Г 1 Дз—Дб Диод Д7В 4 П-Г3 Транзистор МП-13Б 3 Р1 Реле РЭС-10 РСЧ. 524. 312 1 р2, Рз Реле 2 Вк Микротумблер МТ-1 1 п Переключатель 1 Пр\ Предохранитель 0,5 а 1 Трх Трансформатор 1 Рассмотрим теперь один из опытов, в котором используется данный прибор, — демонстрацию интерференции волн на поверх- ности воды. Этот опыт проводят в такой последовательности: 1. Соединяют кабелем блок управления с вибраторами. 2. Включают вилку питания блока управления в сеть, но вы- ключатель питания оставляют в положении «Выкл.». 3. Закрепляют вибраторы на борту ванны таким образом, чтобы шарики ударников погружались в воду примерно наполо- вину (вибраторы располагают возможно ближе друг к другу). 4. Ручку «Фаза» (переключатель 77) ставят в положение, при котором работает только один вибратор, и включают питание. Поворачивая ручку «Частота» (сдвоенный потенциометр 7?i—7?ю), наблюдают за изменением длины волны (она обратно пропорцио- нальна частоте колебаний). 5. Поворачивают ручку «Фаза» в положение, при котором оба вибратора работают синфазно. Фиксируя различные частоты, наблюдают за изменением густоты расположения интерференци- онных максимумов и минимумов. 6. Установив определенную частоту колебаний, кладут на дно ванны какой-либо непрозрачный тонущий небольшой предмет (например, металлическую гайку или шайбу) так, чтобы его тень на экране совмещалась с максимумом колебаний в данном месте интерференционного поля. Затем поворачивают ручку «Фаза» в положение, при котором вибраторы колеблются в противофазе. При этом на месте максимума образуется минимум. При обрат- ном повороте ручки на 0 картина возвращается к первональному виду. Новая интерференционная картина устанавливается в сред- нем за 1 сек,. Поворачивая ручку «Фаза» с 0 на 180° и обратно достаточно часто (например, 2 раза в секунду), наблюдают исчез- новение интерференционной картины вследствие нарушения усло- вия когерентности. 7. Установив определенную небольшую частоту колебаний и включив один вибратор, измеряют с помощью линейки длину об- 111
разевавшейся волны. Не изменяя частоты колебаний, включают оба вибратора синфазно. Измеряют разность расстояний от удар- ников до точки поля, в которой был отмечен максимум. Медленно передвигая вдоль борта ванны один из вибраторов, наблюдают за перемещением максимумов и минимумов и останавливают вибра- тор, когда на месте максимума образуется минимум. Измеряют снова разность расстояний от ударников до данной точки поля. Сравнивая геометрическую разность хода волн в первом и втором случаях, убеждаются в том, что в первом случае разность хода волн равна четному числу полуволн, а во втором — нечетному. 8. Устанавливают вибраторы на противоположных краях ванны друг против друга. При работе вибраторов образуются стоячие волны. Наиболее отчетливая картина стоячих волн на- блюдается в средней части ванны. Обращают внимание на то, что расстояние между двумя соседними пучностями или двумя соседними узлами в два раза меньше длины волны, создаваемой одним вибратором при той же частоте колебаний. При изменении фазы с 0 на 180° и обратно наблюдается перемещение пучностей и узлов. П. Ф. Волков, В. В. Майер (Глазов) СВЕТОВАЯ ИНДИКАЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКОВЫХ волн В статье предлагается новый метод демонстрации опытов по акустике. Идея метода заключается в следующем. Если в звуко- вом поле быстро перемещать по некоторой траектории малоинер- ционную лампу, яркость свечения которой в каждой точке траек- тории пропорциональна интенсивности звука в этой точке, то в силу инерционности зрительного ощущения глаз отметит распре- деление яркости света, характеризующее распределение интенсив- ности звука по траектории движения лампы. Траекторию целе- сообразно взять близкой к прямолинейной. Практически доста- точным приближением к прямой является дуга окружности боль- шого радиуса. Вместе с лампой перемещают расположенный рядом с ней микрофон, преобразующий звуковые колебания в электрические. Последние поступают в усилитель низкой частоты, к выходу которого и подключена лампа. Чтобы искажения зву- кового поля были незначительными, микрофон и лампа должны иметь небольшие размеры. Для проведения опытов предлагаемым методом мы используем следующие приборы: школьный звуковой генератор типа ГЗШ-63, звуковой излучатель, измерительный щуп, усилитель низкой частоты, набор экранов и раму для уста- новки экранов. Излучатель состоит из выточенного из органического стекла каркаса (рис. 1) и укрепленного в нем электромагнитного кап- 112
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 сюля типа ДЭМШ-1. Общий вид излучателя показан на рисун- ке 2. . Рупор склеен из картона. Длина рупора 270 мм, диаметр его горловины 28 мм, диаметр раструба 90 мм. Рупор может свободно насаживаться на каркас излучателя и вместе с последним закреп- ляться в штативе (рис. 3). Измерительный щуп представляет собой деревянную штангу сечением 1 см2 и длиной около полуметра, на одном конце которой закреплена пластинка из винипласта, текстолита или иного упру- гого и достаточно прочного материала толщиной 2—3 мм, а на другом — звуковой индикатор. Измерительный щуп за упругую пластинку зажат в лапке универсального штатива так, чтобы была обеспечена возможность изменения длины свободного участ- ка этой пластинки (рис. 4). Звуковой индикатор (рис. 5) состоит из укрепленных на гети- наксовой плате размером 1,5X30X50 мм3 микрофона типа ДЭМШ-1 и неоновой лампы типа МН-3. Провода длиной около 1 м, идущие от микрофона и лампы, снабжены штекерами и про- тянуты вдоль штанги щупа. Усилитель низкой частоты собран на четырех маломощных транзисторах типа МП42 с коэффициентом усиления по току |3 = 20—30 (рис. 6). Данные элементов схемы следующие: 7?! = 6,8 к, 7?2=1 Мом, ^з = 8,2 к, 7?4=180 к, 7?5 = 24 к, 7?6 = 4,3 к, R7= 150 к, Р8= Ю к, С}~С2=С3 = 5,0 мкф (12 в). Трансформатор Тр{ представляет собой стандартный выходной трансформатор кадровой развертки типа ТВК-70 Л-2 (сердечник Ш16X24, пер- вичная обмотка содержит 146 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,47 мм, а вторичная — 300 витков такого же провода диаметром 0,12 мм). Питание усилителя осуществляется от батареи карман- ного фонаря, дающей напряжение 4,5 в. Вход усилителя соеди- няется с микрофоном звукового индикатора посредством экрани- рованного проводника, а выход его подключается к неоновой 8 Заказ № 2369 ИЗ
лампе с помощью гибких многожильных проводников в хлорвини- ловой изоляции. Регулировку чувствительности установки производят перемен- ным резистором 7?i. Экраны для демонстрационных опытов вырезают из органиче- ского стекла толщиной 2 мм. Мы рекомендуем изготовить два одинаковых прямоугольных экрана размером 30x50 см2 и один экран размером 10x50 см2. Рама для установки экранов имеет размеры 55X 105 см и соб- рана из деревянных реек сечением 3X3 см2 с прорезанными в них пазами шириной 3—4 мм. Капсюль типа ДЭМШ-1, используемый в качестве источника звука, имеет собственные резонансные частоты, близкие к 3,8 и 11 кгц. Поэтому возбуждать излучатель целесообразно именно на этих частотах. Длина волны звука при этом составляет приблизи- тельно 9 и 3 см, что позволяет поставить все наиболее существен- ные опыты на демонстрационном столе сравнительно небольших размеров. Поскольку капсюль типа ДЭМШ-1 имеет открытую с обеих сторон мембрану и, следовательно, при использовании его в ка- Рис. 6 114
честве микрофона реагирует на градиенты давлений, звуковой индикатор необходимо располагать так, чтобы звук падал на мембрану капсюля под возможно небольшим углом. Для этого в некоторых опытах придется изменять ориентацию индикатора относительно измерительного щупа. Методика использования измерительного щупа достаточно проста. Щуп помещают в исследуемое звуковое поле так, чтобы индикатор мог перемещаться по траектории, видной всему классу, и рукой приводят его в колебательное движение с частотой 1—3 гц. При этом желательно, чтобы класс был затемнен (по крайней мере частично) или чтобы траектория движения индика- тора была видна учащимся на темном фоне. При постановке опытов необходимо иметь в виду, что, по- скольку яркость свечения неоновой лампы описанного индикатора не пропорциональна интенсивности звука, следует всякий раз подбирать оптимальные значения силы звука излучателя и чув- ствительности индикатора. В качестве примера рассмотрим несколько простых демонстра- ций с описанным оборудованием. Отражение звука. Располагают излучатель с рупором, плоское зеркало и измерительный щуп так, чтобы расстояния от зеркала до излучателя и индикатора были соответственно равны 60 и 30 см (рис. 7). Возбуждают излучатель на частоте 11 кгц и, приведя измерительный щуп в колебательное движение, показывают рас- пределение интенсивности звука, получающееся при его отраже- нии. Поворачивают зеркало вокруг вертикальной оси и демон- стрируют соответствующий поворот отраженного зеркалом звукового пучка. В опыте в качестве зеркала лучше применять экран шириной 10 см. В этом случае отраженный пучок получа- ется достаточно узким и его смещение по траектории движения индикатора при повороте зеркала хорошо заметно. Демонстрация получится еще более выразительной, если одно- временно со звуковым сигналом направить на зеркало световой пучок. Тогда опыт хорошо подтверждает, что для волн различной природы закон отражения один и тот же. Фокусировка звука цилиндрическим зеркалом. Стянув прямо- угольный экран размером 30X50 см2 двумя нитями с привязан- ными к их концам металлическими крючками, получают цилинд- рическое зеркало, длина хорды которого должна составлять 46 см. Фокусное расстояние такого зеркала, как показывают расчет и ' измерения, около 18 см. Собирают установку по схеме, изобра- женной на рисунке 8, так, чтобы расстояния от зеркала до излуча- теля и индикатора были соответственно равны примерно 60 и 30 см. Возбуждают излучатель на частоте 11 кгц и, перемещая цилиндрическое зеркало по биссектрисе угла, образованного лучом, падающим в его центр, и отраженным лучом, показывают изменение длины светящейся зоны траектории движения индика- тора, т. е. демонстрируют фокусировку звука зеркалом. 8* 115
Рис. 9 Стоячая звуковая волна. На расстоянии 1 —1,5 м от экрана размером 30X50 см2 располагают излучатель. Затем вводят инди- катор в звуковое поле и разворачивают его относительно штанги щупа так, чтобы между ним и штангой образовался угол 30—45° (рис. 9). Возбудив излучатель на частоте 3,8 кгц, приводят в коле- бательное движение индикатор и обращают внимание класса на получившуюся картину стоячей волны. Увеличивают частоту звука до 11 кгц и отмечают уменьшение расстояния между сосед- ними пучностями стоячей волны в три раза. Измеряют длину зву- ковой волны и вычисляют скорость звука в воздухе. Зеркало Ллойда. На расстоянии 0,8—1 м от центра экрана размером 30X50 см2 располагают излучатель; щуп помещают так, чтобы звуковой индикатор мог перемещаться на небольшом расстоянии от экрана (рис. ГО). Возбуждают излучатель на частоте 11 кгц и показывают распределение интенсивности звука, получающееся при интерференции волн, идущих от источника и его мнимого изображения в зеркале. Уменьшают угол падения звука на зеркало, увеличивая тем самым расстояние между источ- ником звука и его мнимым изображением, и показывают умень- 116
шение расстояния между максимумами интерференционной кар- тины и рост их числа. На рисунке 11, а и б приведены фотографии картины, получающейся в опыте с зеркалом Ллойда при разных углах падения звука на зеркало. В процессе демонстрации обра- щают внимание учащихся на то, что в'опыте Ллойда в тех местах интерференционной картины, где согласно расчету геометриче- ской разности хода должны получаться максимумы интенсивности звука, наблюдаются минимумы. Объясняют результат опыта потерей полуволны при отражении звука от «акустически более плотнбй среды». Уменьшают частоту звука до 3,8 кгц и показы- вают соответствующее изменение интерференционной картины. Дифракция звука на экране. Закрепленную в штативе раму располагают на расстояниях 80 и 20 см от излучателя и индика- тора соответственно. Возбуждают излучатель на частоте 3,8 кгц и, поместив в пазы рамы экран размером 30X50 см2, вдвигают его в звуковой пучок (рис. 12). При этом показывают, что наблю- давшаяся при неограниченном звуковом пучке сплошная светлая полоса, лишь по краям которой были видны незначительные пере- пады интенсивности, сужается, причем в области геометрической тени от экрана появляются отчетливо выраженные максимумы и минимумы интенсивности звука. Фиксируют экран в положении,, симметричном относительно оси звукового пучка, и демонстриру- ют дифракционную картину, в центре которой расположен макси- мум интенсивности звука. При дальнейшем движении экрана по пазам рамы в ту же сторону картина изменяется в последователь- ности, обратной первоначальной. Увеличивают частоту звука до И кгц и обнаруживают за экраном более четкую тень, чем при частоте 3,8 кгц. Заменяют широкий экран узким (шириной 10 см) и показывают, что тень в этом случае мрнее выражена. При часто- те звука 3,8 кгц и при использовании узкого экрана тени практи- чески нет. Дифракция звука на щели. На расстояниях 50 и 30 см от щели, образованной вставленными в пазы рамы экранами размером 30X50 см2, располагают соответственно излучатель без рупора и звуковой индикатор (рис. 13). Возбуждают излучатель на час- тоте..! 1 кгц и, приведя индика- тор в движение, изменяют ши- рину щели, демойстрируя по- лучающуюся дифракционную картину. При указанных пара- метрах установки в щели укла- дывается две зоны Френе- ля, если ее ширина составляет примерно 22 см. В этом слу- чае дифракционная картина состоит из центрального мини- мума и расположенных симмет- Рис. 11 117
рично относительно него макси- мумов интенсивности. Измене- ние ширины щели в любую сторону от указанного значения приводит к появлению в цен- тре картины максимума интен- сивности звука. При постанов- ке опыта необходимо следить за симметричным расположе- нием щели относительно, оси звукового пучка. Дифракция звука на- двух щелях (опыт Юнга). Для полу- чения двойной щели использу- ют все три экрана. Ширина ще- лей должна быть равна шири- не «непрозрачного» промежут- ка между ними. Излучатель с рупором располагают на рас- стоянии 60 см, а звуковой инди- катор — на расстоянии 40 см от рамы с двойной щелью (рис. 14). При указанном соотношении между шириной щелей и шири- ной промежутка между ними интерференционная картина должна состоять из трех .мак- симумов. Это и демонстрируют, возбудив излучатель на одной из его резонансных частот и приведя индикатор в колебательное движение. Перемещением широкого экрана перекрывают одну из щелей и показывают кар- тину, получающуюся при дифракции звука на оставшейся щели. Делают вывод, что интерференционная картина в опыте Юнга получается за счет интерференции звуковых волн, дифрагиро- ванных на обеих щелях. В. В. Майер (Глазов) ДВА ОПЫТА ПО УЛЬТРААКУСТИКЕ Для проведения описанных в этой статье опытов мы исполь- зуем магнитострикционный излучатель, обеспечивающий получе- ние ультразвуковых колебаний с частотой порядка 100—200 кгц1. 1 См.: Майер В. В. Демонстрация стоячих ультразвуковых волн в жид- кости. — «Физика в школе», 1972, № 6. 118
1. Демонстрация коагуля- ции гидрозолей. Набрав в ко- роткую стеклянную трубку сус- пензию крахмала в воде, поме- щают ее нижним концом на торец вибратора работающего излучателя. Расположив эту трубку вблизи конденсора про- екционного аппарата, проеци- руют ее внутренний объем с по- мощью объектива на экран (рис. 1). Обращают внимание учащихся на то, что крахмал коагулирует непосредственно у поверхности жидкости в трубке. Поскольку поверхность жидко- сти свободна, то в. ее плоскости образуется пучность смещений стоячей волны. Таким образом, опыт показывает, что крахмал коагулирует в пучностях сме- щений или в узлах давлений стоячей волны. Однако не все гидрозоли коа- гулируют в пучностях смеще- ний стоячей волны. Это нетруд- но показать на примере эмуль- сии керосина в воде. Для при- готовления эмульсии в сосуд, имеющий в своем дне кран, наливают воду и поверх нее — слой керосина. Погружая ферритовый вибратор магнитострик- ционного излучателя, обеспечивающего получение ультразвука с частотой 15—25 кгц, до границы раздела жидкостей, получают эмульсию керосина в воде. Дают возможность эмульсии некото- рое время отстояться, чтобы крупные капли керосина успели всплыть вверх, и, открыв кран внизу сосуда, сливают ее в про- бирку, отделяя тем самым эмульсию от керосина. Полученную эмульсию набирают в стеклянную трубку, кото- рую помещают на вибратор излучателя. Спустя некоторое время после начала облучения наблюдают, как капельки керосина коа- гулируют, но теперь уже не в пучностях, а в узлах смещений, верхний из которых отстоит от поверхности жидкости на четверть длины волны ультразвука (рис. 2). Из этих опытов делают вывод, что диспергированное в жид- кости вещество коагулирует в узлах смещений, если его плотность меньше плотности жидкости, и в пучностях смещений, если его плотность превышает плотность жидкости. 119
Рис. 3 Для более эффективного подтверждения этого вывода можно провести опыт с жидко- стью, которая представляет со- бой одновременно эмульсию ке- росина и суспензию крахмала в воде. Поскольку керосин коагу- лирует в узлах смещений, а крахмал — в узлах давлений, эти вещества окажутся в труб- ке пространственно разделен- ными. 2. Демонстрация принципа действия ультразвукового интер- ферометра. Простейшая схема предложенного в 1925 г. Пирсом ультразвукового интерферометра для измерения скорости звука изображена на рисунке 3. Напряжение высокой частоты от элект- ронного генератора подается на пьезоэлектрический излучатель 4, помещенный на дне сосуда 3, заполненного газом или жид- костью-. Параллельно излучателю расположен отражатель 1. При перемещении отражателя (величина перемещения отсчитывается по шкале 2) в сосуде периодически устанавливается стоячая волна: столб жидкости или газа резонирует, когда на поверхности излучателя образуются пучности давлений стоячей волны. В эти моменты постоянная составляющая анодного тока в цепи лампы генератора уменьшается. Измеряя анодный ток,, можно таким образом фиксировать моменты образования стоячей .волны (мо- менты наступления резонанса). Расстояние, на которое нужно переместить отражатель, чтобы получить два последовательных минимума анодного тока, равно половине длины волны ультра- звука. Измерив это расстояние и зная частоту колебаний, можно вычислить скорость звука в веществе, заполняющем интерферо- метр. Интерферометрические измерения скорости звука широко при-' меняются в науке. Ультразвуковой интерферометр для выполнения лабораторной работы описан Л. И. Анциферовым Ч Разработанный нами прибор является демонстрационным: он предназначен для демонстрирования принципа действия ультра- звукового интерферометра. Схема излучателя и возможные варианты расположения конца трубки с жидкостью относительно вибратора изображены на ри- сунке 4 (/ — трубка с жидкостью, в которой образуется стоячая ультразвуковая волна; 2 — чашечка диаметром 40 мм и высотой 20 мм; 3 — ферритовый вибратор излучателя; 4 — резиновая прокладка, в которой за середину закреплен вибратор; 5 — стойка 1 Анциферов Л. И. Физический практикум. М., 1972. 120
излучателя; 6 — обмотка возбуждения; 7 — подмагничивающие вибратор магниты). Общий вид излучателя показан на рисунке 5. Поскольку уменьшение анодного тока, вызванное возникно- вением стоячей волны, по крайней мере в десятки раз меньше первоначальной его величины, то для измерения изменения анод- ногр тока следует использовать схему компенсации, приведенную на рисунке 6. Точкой А схема подключается к положительному полюсу источника питания, а точкой В — к среднему отводу высо- кочастотного трансформатора. Питание генератора может осу- ществляться как постоянным, так и переменным током. В схеме компенсации использован школьный демонстрационный гальвано- метр. Шунтирующий его постоянный резистор R\ имеет сопротив- ление 10—30 см. Используемый в схеме переменный резистор Rz имеет сопротивление 250 ом. Источником питания служит бата- рейка карманного фонаря. Демонстрацию с ультразвуковым интерферометром проводят в следующем порядке. В чашечку излучателя наливают слегка подкрашенную воду. Трубку длиной 20—30 см с внутренним диа- метром 4—8 мм, соединенную с резиновой грушей (рис. 7), распо- лагают относительно торца вибратора, как показано на рисунке 4. Нажимая пальцами на грушу, набирают воду в трубку так, чтобы образовался столб воды высотой 10—20 см. Затем параллельно гальванометру присоединяют резистор R\ и настраивают генера- тор в резонанс с вибратором. Изменяя сопротивление резистора Rz, компенсируют анодный ток генератора так, чтобы стрелка гальванометра установилась посередине шкалы. После этого отключают резистор R\ и при необходимости вновь компенсируют анодный ток. Возникающие при питании генератора переменным током незначительные колебания стрелки прибора, не превышаю- щие четверти деления шкалы, не мешают проведению опыта. Вра- щая ручку струбцины, медленно сжимают или разжимают грушу,, изменяя! тем самым высоту столба .воды в трубке. При этом обращают внимание учащихся на периодическое изменение пока- 121
Рис. 7 заний гальванометра. При тщатель- ной наладке установки стрелка при- бора отклоняется почти на всю шкалу. Методически более целесообра- зен несколько иной вариант демон- страции. В чашечку излучателя вместо подкрашенной воды нали- вают суспензию крахмала в воде и набирают ее в трубку, как описано выше (в этом опыте лучше исполь- зовать трубку с внутренним диамет- ром около 4 мм и располагать ее конец на расстоянии 0,5—1 мм от торца вибратора). Изменяя высоту столба жидкости, отмечают, что при одном из экстремальных показаний гальванометра в трубке устанавли- вается стоячая волна, причем пуч- ности смещений обозначаются крах- малом; при другом экстремальном значении тока волна исчезает. Обра- тив внимание учащихся на поляр- ность батареи (рис. 6) и направ- ление отклонения стрелки гальвано- метра, отмечают, что, когда в труб- ке устанавливается стоячая волна, анодный ток ламп генератора до- стигает минимума. Чтобы явление было хорошо заметно всему классу, стоячую волну, обозначенную в трубке частицами крахмала, сле- дует спроецировать на экран, как было описано выше. ОПТИКА А. В. Самофал (Череповец) ОПЫТЫ С ИНФРАКРАСНЫМИ ЛУЧАМИ При изучении инфракрасного излучения в курсе физики сред- ней школы часто ограничиваются экспериментальным подтвер- ждением только теплового действия этих лучей, так как обычно их обнаруживают по нагреву поглощающих тел. Это создает у учащихся, мнение, что данным лучам присущи только тепловые свойства. Но, как известно, превращение в теплоту не относится 122
к их специфическим свойствам. Тепловой эффект является только результатом поглощения излучения. Повышение температуры тел наблюдается и при поглощении ими излучения других участков электромагнитного спектра — рентгеновского, ультрафиолетового или видимого. Наоборот, когда инфракрасные лучи проходят сквозь очень прозрачные для них экраны, нагревания не наблюда- ется. Как известно, одним из основных свойств инфракрасного излучения является то, что при его попадании на возбужденный фосфоресцирующий экран происходит гашение фосфоресценции. Это явление может быть использовано для обнаружения инфра- красного излучения, что лежит в основе большинства из описан- ных ниже демонстраций. При проведении ойытов применяется следующее оборудование: универсальный проекционный аппарат с лампой накаливания (220 в, 300 вт), призма треугольная, фос- форесцирующий экран (можно использовать полоску из набора по фосфоресценции, дающую светло-зеленое свечение), фоторе- зистор, чувствительный к инфракрасному излучению (например, типа ФСД-Г1), школьный демонстрационный гальванометр, ис- точник тока с напряжением 20 в, настольная лампа. В качестве фильтра, пропускающего инфракрасные лучи и поглощающего видимый свет, можно использовать выпускаемый промышленностью стеклянный фильтр типа ИКС-1 или другой фильтр, предназначенный для этой цели. При отсутствии фильт- ра, выделяющего инфракрасные лучи, достаточно два поляроида из школьного набора по поляризации света установить в рейте- рах оптической скамьи проекционного аппарата так, чтобы их главные направления были взаимно перпендикулярны. Два «скрещенных» поляроида не пропускают видимую часть спектра, но пропускают инфракрасную. Хорошие результаты дает и самодельный фильтр, который изготавливается следующим образом. Берут лист оконного стек- ла нужного размера и наносят на него слой битумного лака. Этот лак выпускается промышленностью для предохранения металлов от коррозии и свободно продается в хозяйственных магазинах. Толщина слоя лака подбирается следующим обра- зом. Вначале на лист стекла наносят слой лака и ставят его вер- тикально, чтобы лак постепенно стекал. Когда слой станет та- ким, что через него будет видна нить накала электрической лампы (60 вт, 220 в) на расстоянии порядка 1 м, то лист стек- ла располагают горизонтально и дают возможность лаку вы- сохнуть. Для предохранения окрашенного слоя от механических повреждений необходимо светофильтр покрыть тонким стеклом и окантовать его с помощью лейкопластыря или изоляционной ленты. Все опыты проводятся в затемненном помещении. 123
Гашение фосфоресценции. Установка собирается на скамье проекционного аппарата из осветителя с конденсором, ширмы со щелью, объектива и фосфоресцирующего экрана. В конденсоре лучше оставить одну линзу. Фосфоресцирующий экран закреп- ляют в лапке штатива так, чтобы в нужные моменты его можно было легко и быстро поворачивать <к классу. Сначала вместо фос- форесцирующего экрана ставят непрозрачный экран и получают на нем четкое изображение щели. Выключив лампу проекционного аппарата, ставят на место непрозрачного экрана фосфоресци- рующий экран, предварительно возбудив его светом от настоль- ной лампы. Экран ярко светится. Если теперь установить фильтр, выделяющий инфракрасные лучи, и включить лампу проекционного аппарата, то через 5—10 сек на светящемся экране Появится четкая темная полоса. Обнаружение инфракрасного излучения в сплошном спектре. С помощью треугольной призмы получают спектр на экране, рас- положенном на расстоянии 40—60 см от призмы. Затем фильт- ром выделяют инфракрасные лучи и помещают предварительно возбужденный фосфоресцирующий экран на то место, где нахо- дился обычный экран. Через несколько секунд на светящемся экране появляется темная полоса. Отметив стрелкой-указателем се положение и убрав фильтр, наблюдают, что темная полоса находится за пределами видимого спектра. Получение пучка инфракрасных лучей. Для выделения пучка инфракрасных лучей удаляют конденсор из проекционного аппа- рата и перемещением объектива добиваются параллельности пучка видимого света. Фильтр устанавливают между источником света и объективом. Предварительно возбужденный фосфорес- цирующий экран помещают примерно на расстоянии 50 см от объектива и наблюдают на нем темное пятно, диаметр которого легко измерить. Затем, снова возбудив экран, помещают его на расстоянии около 20 см. Размеры появившегося темного пятна на экране не меняются, что служит доказательством параллель- ности инфракрасных лучей в полученном пучке. Отражение инфракрасных лучей. Полученный от проекцион- ного аппарата с помощью диафрагмы со щелью узкий парал- лельный пучок инфракрасных лучей направляют под некоторым углом на плоское зеркало или любой лист материала, хорошо отражающего инфракрасное излучение. Затем, на расстоянии примерно 50 см от отражающей поверхности, находят такое по- ложение предварительно возбужденного фосфоресцирующего экрана, при котором на нем наблюдается резко ограниченная темная полоса. (Установка располагается так, чтобы учащиеся могли наблюдать со всех мест демонстрируемое явление.) Исходя из опыта, убеждаются в том, что угол падения лучей равен углу их отражения. Фокусирование инфракрасных лучей вогнутым зеркалом. От проекционного аппарата получают направленный расходящийся 124
пучок видимого света. На расстоянии 0,8—1 м от проекционного аппарата под небольшим углом к падающему пучку распола- гают вогнутое стеклянное зеркало или зеркало Пикте. Затем при помощи фильтра выделяют инфракрасные лучи. Предварительно возбужденный фосфоресцирующий экран помещают примерно на расстоянии, немного большем фокусного расстояния зеркала (в видимом свете), и наблюдают на экране появление темного пятна. Переместив экран ближе к зеркалу или удалив от него, наблюдают увеличение размеров темного пятна. Преломление инфракрасных, лучей. От проекционного аппа- рата с помощью диафрагмы со щелью получают узкий парал- лельный пучок видимого света, который потом перекрывают фильтром. Поместив на пути инфракрасных лучей предваритель- но возбужденный фосфоресцирующий экран, наблюдают на нем резко очерченную темную полосу. Замечают место полосы и убирают светящийся экран. На подъемный столик ставят тре- угольную призму таким образом, чтобы выделенный пучок попа- дал под некоторым углом на одну из ее граней. Возбудив снова фосфоресцирующий экран, помещают его на прежнее место, но теперь темной полосы на нем мы не наблюдаем. С целью эконо- мии времени этот опыт надо проделать предварительно и опре- делить, где примерно будет находиться преломленный пучок. Поставив возбужденный фосфоресцирующий экран на предпо- лагаемое место, мы снова будем наблюдать на экране темную полосу. Опыт подтверждает, что призма изменила направление пучка инфракрасных лучей, преломив его. Фокусирование инфракрасных лучей линзой. Отодвигая длин- нофокусную линзу от конденсора проекционного аппарата на небольшое расстояние, получают сходящийся пучок видимого света. При этом определяют ее фокусное расстояние. Затем при помощи фильтра выделяют инфракрасные лучи. Пред- варительно возбужденный фосфоресцирующий экран уста- навливают от линзы на расстоянии, примерно равном фокусному расстоянию линзы (в видимом свете). На экране наблю- дают темное маленькое пятно. Перемещая экран по направ- лению к линзе, наблюдают увеличение размеров этого пятна. Измерения показывают, что фокусное расстояние линзы в види- мом свете меньше, чем в инфракрасных лучах. Демонстрация дифракционного спектра инфракрасных лучей. Для проведения демонстрации пользуются установкой, схема которой дана на рисунке 1 (где 1 — лампа накаливания на 220 в, 300 вт, 4 — фильтр, пропускающий инфракрасные лучи, 6 — дифракционная решетка с периодом 0,01 мм, 7 — фосфорес- цирующий экран). На расстоянии 10—15 см от конденсора 2 с одной линзой устанавливают в вертикальном направлении раз- движную щель 3. Перед щелью ставят объектив 5 и получают рез- кое изображение щели на экране. Расстояние от дифракционной решетки до экрана приблизительно равно 50—70 см. Также необхо- 125
димо, чтобы пучок по возможности покрывал решетку, но не выхо- дил. за ее пределы; тогда на экране получается яркое изображе- ние щели, а по обе стороны от него располагаются яркие дифрак ционные полосы спектральных цветов. Вначале получают спектр видимого света, а затем, выделяя инфракрасные лучи и помещая предварительно возбужденный фосфоресцирующий экран на место непрозрачного экрана, на- блюдают на светящемся фоне экрана центральную темную полосу, по обе стороны которой видны по две темные полосы. Это и есть дифракционные максимумы инфракрасного излучения первого и второго порядков. Для обнаружения дифракционных максимумов и минимумов можно использовать фоторезистор ФСД-Г1. Его включают по схеме, представленной на рисунке 2. Источником тока служит батарея аккумуляторов на 20 в, а индикатором — демонстраци- онный гальванометр, чувствительный по току. При этом вначале получают, дифракционный спектр видимого света, а затем, выделяя при помощи фильтра инфракрасные лучи и перемещая фоторезистор вдоль спектра, демонстрируют изме- нение показаний гальванометра. Тем самым обнаруживают дифракционные максимумы нулевого, первого и второго поряд- ков инфракрасных лучей. Для наглядности необходимо, получив дифракционный спектр в видимой области, выделить фильтром инфракрасные лучи только в нижней половине спектра. Тогда, перемещая фоторе- зистор в инфракрасную область, .удобно сравнивать положение максимумов инфракрасной и видимой областей. Следует отметить, что, исходя из этой демонстрации, легко определить длину волны инфракрасного излучения. Полное внутреннее отражение инфракрасных, лучей. Это явле- ние наблюдается при переходе лучей из среды, оптически более плотной, в среду, оптически менее плотную. Для его демонстра- ции собирают установку, аналогичную установке для проведения демонстрации полного отражения видимого света Используемый для обнаружения инфракрасного излучения фоторезистор ФСД-Г1 1 См.: Буров В. А. Демонстрационный эксперимент по физике в стар- ших классах средней школы. Под ред. А. А. Покровского, ч. 2. М., 1968, с. 341. 126
включают по схеме, представленной на рисунке 2. Вначале демонстрируют опыт с видимым светом. Затем выделяют инфра- красные лучи. Если фоторезистор поместить в какую-нибудь точку по направлению преломленного луча, то гальванометр даст показания. Поворачивая диск с закрепленным на нем стек- лянным полуцилиндром, добиваются полного отражения. Теперь при любом положении фоторезистора гальванометр под по- луцилиндром не будет давать показаний. В то же время над верхней частью полуцилиндра обнаруживаем отраженный луч. Лабораторная работа по измерению длины волны инфракрас- ных лучей. Формируя у учащихся представления о волновых свойствах инфракрасного излучения, что очень важно для пони- мания единой природы электромагнитных колебаний, целесооб- разно, на наш взгляд, поставить лабораторную работу по изме- рению длины волны этого излучения. Для выполнения лабора- торной работы используют установку, изображенную на рисунке 1. Только вместо фосфоресцирующего экрана устанав- ливают обычный экран. Расстояние от дифракционной решетки до экрана примерно 1 —1,5 м. Датчиком инфракрасного излуче- ния служит фоторезистор ФСД-Г1 (можно воспользоваться и другим фоторезистором, чувствительным к инфракрасному излу- чению, например ФС-КД или ФС-А4), включенный по схеме, которая приведена на рисунке 3 (где 1 — фотосопротивление, 2 — батарея аккумуляторов на 20 в, 3 — усилитель к гальвано- метру, усиливающий в 30—40 раз, 4 — демонстрационный галь- ванометр, чувствительный к малым токам). Работу можно выполнить и без усилителя к гальванометру, только при этом придется экран приблизить к источнику излуче- ния на расстояние около 80 см. Для выполнения соответствующих измерений получают на экране дифракционную картину в видимой области и отмечают место спектра нулевого порядка. Затем с помощью фильтра выде- ляют инфракрасные лучи. Помещая фоторезистор в отмеченное место спектра нулевого порядка, наблюдают, как стрелка гальванометра отклоняется на максимальное число делений. Медленно перемещая фоторезис- тор по экрану перпендикуляр- но направлению распростране- ния излучения в одну из сто- рон, наблюдают уменьшение показаний гальванометра, а при дальнейшем перемещении — их увеличение. Это и есть первый дифракционный макси- мум. Продолжая перемещать фоторезистор и наблюдая за показаниями гальванометра, 127
можно обнаружить область второго максимума для инфракрас- ного излучения. тл Ж , d(a-\-b) . , , Исходя из формулы 77—— (где а + Ь — пе- Dn риод дифракционной решетки, п — порядок спектра, d — рас- стояние от центрального максимума до максимума первого порядка, D — расстояние от дифракционной решетки до макси- мума нулевого порядка), легко определить длину волны данного излучения. Надо заметить, что мы выделяем лучи не строго монохрома- тические, а целую полосу, содержащую некоторый диапазон длин волн. Поэтому расчет носит приближенный характер. Защита от инфракрасных лучей. От лампы накаливания уни- версального проекционного аппарата при помощи фильтра выде- ляют инфракрасное излучение и направляют его под некоторым углом на металлическую пластину. С помощью фоторезистора, чувствительного к инфракрасному излучению, включенного в цепь демонстрационного гальванометра, находят положение отраженного пучка. Заменив металлическую пластину кусочком шерстяной ткани, повторяют опыт. Замечают, что показания гальванометра во втором случае уменьшаются. Из опыта делают вывод, что ткань поглощает инфракрасное излучение, а металли- ческие поверхности это излучение отражают. 128
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ФРОНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ И. Ф. Чучалин (Йошкар-Ола) ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ НЕВЕСОМОСТИ И ПЕРЕГРУЗКИ Рис. 1 Изучение явлений невесомости и перегрузки можно провести в форме экспериментального исследования зависимости веса тела от ускорения, с которым оно движется по вертикали. Для этого необходимо изготовить динамометр, фиксирующий наи- большие и наименьшие показания во время опыта. Конструкция такого динамометра показана на рисунке 1. На корпусе динамометра Бакушинского кре- пится полоска 1 из упругой жести, которая удер- живается за счет трения и может перемещаться по корпусу под действием небольшого усилия. Концы полоски слегка подогнуты и располага- ются на лицевой стороне динамометра. При изучении явления невесомости стрелку- указатель 2 устанавливают под полоской 1, как показано на рисунке. При ускоренном движении динамометра с грузом вниз пружина сжимается и стрелка 2 перемещает полоску 1 вверх. Последняя фиксирует наименьший вес груза во время его движения. При торможении пружина растягивается и стрелка 2 переходит через выступ фиксатора 3, а при обратном движении пружины стрелка улав- ливается этим выступом. Так предотвращаются колебания пружины. Для изучения перегрузок устанавливают стрелку выше полоски, а фиксатор — в перевер- нутом виде — выше стрелки. Схема установки для проведения опыта показана на рисунке 2. Через неподвижный блок 1 перекинута нить, к одному из концов которой крепится груз 3, а к другому — динамо- метр 4 с грузом 2. Резиновая лента 5 служит для торможения системы. Массу груза 3 можно изменять и получать движение системы то в одну, 9 Заказ № 2369 129
Рис. 2 то в другую сторону. При этом фиксируют максимальные и минимальные показания динамометра. Если m3<m2 + m4, то учащиеся наблю- дают уменьшение веса, а при т3 = 0 — состояние невесомости. При m3>m2 + m4 система движется в обратную сторону и динамометр фиксирует перегрузки. Экспериментальные резуль- таты можно подтвердить расчетом. При- мем, что нить и блок 1 невесомы, а трение ничтожно мало. Тогда можно записать следующую систему уравнений: m2g — Ti = ~m2a, Ti-j-m^g — Т=—пг^а, -Т-]-т3§=тза. Решая эту систему уравнений, находим: а (щ3 —m2 —m4)g Ш2~ЬШз_Ь^4 Вес тела 2, численно равный силе упругости Т\, определяется равенством: P2=T1 = m2(g + a). Изменяя соотношение между массами т3 и m2 + m4, учащиеся наблюдают зависимость веса тела 2 от ускорения, с которым оно движется. В. Ф. Шилов (Москва) ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИЦИНСКОГО ШПРИЦА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Проверка закона Бойля—Мариотта Оборудование: шприц емкостью 10 мл без иголки, манометр с ценой деления 0,05 кгс!см2. Соединяют короткой резиновой (или полиэтиленовой) труб- кой шприц с манометром. Предварительно устанавливают пор- шень шприца на делении 10 мл. Плавно приводят поршень в движение и каждый раз при изменении объема воздуха на 1 см3 записывают ^показания манометра. При подготовке оборудова- ния к работе стрелку манометра нужно поставить на деление 1 кгс/см2. 130
Результаты измерений и вычислений записывают в таблицу: № п/п р (кгс/см2) V (см5) pV 1 1 10 10 2 9 3 8 4 < 7 Убеждаются в том, что при различных значениях объема произведение рУ остается приблизительно неизменным. Проверка уравнения состояния газа Оборудование: шприц емкостью 10 мл, манометр с ценой деления 0,05 кгс!см2, термометр, химический стакан с водой. Поршень шприца устанавливают на делении 5 мл. Шприц соединяют с манометром трубочкой. Вывинчивают шток поршня и помещают шприц вместе с термометром в химический стакан с водой комнатной температуры. Через 3—4 мин записывают показания термометра, манометра и объем воздуха в шприце. Отливают из стакана примерно половину воды и доливают в него кипятка. Термометром осторожно перемешивают воду и после того, как температура установится, производят повторные измерения. Результаты измерений и вычислений заносят в таб- лицу: № п/п р (кгс/см2) V (см5) Т (°К) РУ Т 1 2 Определение коэффициента объемного расширения , воды Оборудование: пробирка размером 200X20 мм, шприц емкостью 1 мл с иглой, термометр, два химических стакана емкостью 0,8 л. В резиновую пробку вставляют иглу шприца. Пробирку напол- няют водой и затыкают ее резиновой пробкой так, чтобы вода выступала из иглы. Соединяют шприц с иглой и погружают про- 9* 131
бирку вместе с термометром в стакан с горячей водой. В течение 5—6 мин вода в пробирке прогревается и расширяется. О расши- рении воды можно судить по тому, как она набирается под пор- шень шприца. Перед тем как перенести пробирку и термометр в стакан с холодной водой, записывают показания термометра и объем.воды в шприце. После погружения пробирки в стакан с холодной водой вода в пробирке охлаждается и объем ее сокращается. Через 5—6 мин, когда температура воды в пробирке и в стакане сравняется, запи- сывают показания термометра и объем воды в шприце. Затем по формуле ' AV . Vi(6-6)' вычисляют коэффициент объемного расширения воды. В одном из опытов нами были получены следующие резуль- таты: 6 = 20 °C, 6 = 50 °C, Г = 55 см3, AV = 0,5 см3. По этим данным получаем: 0,5 см3 Р 55 сл13-30 град (3 = 0,0003 град-1. Аналогичным образом можно определить коэффициент объ- емного расширения воздуха. Только при этом нужно взять сухую пробирку, шприц емкостью 10 мл (так как коэффициент объем- ного расширения воздуха примерно на порядок выше, чем у воды) с легкоподвижным поршнем. С. Т. Пантюхов- (Смоленск) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА Предлагаемый метод нахождения ЭДС и внутреннего сопро- тивления источника тока (гальванического элемента) заключа- ется в следующем. Напряжение на полюсах замкнутого источника тока линейно зависит от силы тока I в цепи, так как ЭДС источника и его внутреннее сопротивление г — постоянные величины: U=&-Ir. (1) Графически эта зависимость изображается прямой линией (рис. 1). Отрезок, отсекаемый графиком наноси ординат, изобра- 132
Рис. 2 жает ЭДС источника тока, а отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, — силу тока короткого замыкания. Зная ЭДС и силу тока короткого замыкания 1К находим внут- реннее сопротивление источника: Внутреннее сопротивление источника можно также опреде- лить по формуле Можно рекомендовать следующий порядок выполнения рабо- ты: 1. Собирают цепы по схеме, приведенной на рисунке 2. Жела- тельно последовательно с реостатом R включить резистор Ro, пре- дохраняющий миллиамперметр от возможной перегрузки. 2. При нескольких положениях движка реостата фиксируют показания вольтметра и миллиамперметра. 3. После определения положений экспериментальных точек в координатах U и I проводят с помощью линейки «наилучшую» прямую, т. е. прямую на наименьшем расстоянии от большинства точек. 4. Продолжая график до пересечения с осью ординат, опреде- ляют ЭДС источника. 5. Пользуясь графиком, определяют внутреннее сопротивле- ние источника по формуле (2). 133
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ Г. С. Фестинатов, М. И. Гринбаум (Москва) МАЛОГАБАРИТНЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА При выполнении ряда работ школьного физического практи- кума необходим осциллограф. Использование для этих целей вы- пускаемых промышленностью осциллографов не совсем оправ- дано из-за их высокой стоимости. Ниже приводится описание простого малолампового осцилло- графа, изготовление и налаживание которого доступно учащимся старших классов под руководством учителя физики. Схема прибора. Принципиальная схема осциллографа приве- дена на рисунке 1. Прибор состоит из следующих узлов: усили- теля по вертикали, выполненного на лампе пальчиковой серии 6Ж32П, генератора развертки, собранного на такой же лампе, электронно-лучевой трубки 5ЛО38И и выпрямителя для питания ламп электронно-лучевой трубки. Усилитель вертикального отклонения луча собран по реостат- ной схеме. Исследуемый сигнал через разделительный конденса- тор Ci подается на потенциометр Ri и на переключатель ГС (уста- новленный в верхнее по схеме положение), откуда он поступает на управляющую сетку лампы Ль При установке переключа- теля ГС в нижнее по схеме положение напряжение сигнала, через конденсатор С28, подается непосредственно на вертикально откло- няющие пластины электронно-лучевой трубки. Резистор R2 в катоде лампы Л1 служит для создания автома- тического смещения на ее управляющую сетку. Для улучшения частотной характеристики усилителя в области высоких частот емкость конденсатора С2, шунтирующего этот резистор, выбрана небольшой и в зависимости от верхнего предела частот может иметь величину порядка 1000—10000 пф. Если же осциллограф предназначается для исследования низких (звуковых) частот, то емкость конденсатора С2 целесообразно увеличить до 0,5—1,0 миф, что несколько увеличит общий коэффициент- усиления схемы по вертикальному входу. Точно так же при наблюдении- низких частот для увеличения коэффициента усиления схемы желательно увеличить сопротивление резистора R4 до 75 ком. С сопротивления анодной нагрузки, резистора R4, через разде- лительный конденсатор С3 усиленное напряжение сигнала пода- ется на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. В анодную цепь лампы JC включен развертывающий фильтр ^26^23, предотвращающий возникновение связи между лампами Л1 и Л2 через источник питания. Без этого фильтра изменение 134
Рис.
тока в одной из ламп вело бы к какому-то изменению тока в дру- гой лампе, а это, в свою очередь, привело бы к искажению осцил- лограммы. Через конденсатор С4 и переключатель П2, когда он находится в верхнем по схеме положении, снимается часть сигна- ла, необходимая для синхронизации генератора развертки иссле- дуемым напряжением. При переводе переключателя П2 в нижнее по схеме положение на генератор развертки может быть подано напряжение внешней синхронизации. Амплитуда внешнего напря- жения для синхронизации должна быть не менее 20 в. Генератор горизонтальной развертки, дающий напряжение пилообразной формы, собран по транзисторной схеме на лампе 6Ж32П. Цепь, образованная деталями и С5 в экранной и антидинатронной сетках, образует собственно генератор с положительной обратной связью. Правая часть схемы, состоящая из деталей /?ю, Rn, jRis и Ci2, образует линеаризующий элемент, так называемый интегра- тор Миллера. Не вдаваясь в детали протекающих в схеме процес- сов, отметим, однако, что колебания напряжения на антидина- тронной сетке управляют током, проходящим через лампу. Управляющая сетка Л2 через резистор /?1з и часть резистора 7?ц присоединена к источнику питания, и конденсатор Ci2 може^ заряжаться почти до величины анодного напряжения. Ток, про- ходящий через лампу, вызывает падение напряжения на резис- торе анодной нагрузки Rio, и конденсатор Ci2 разряжается через лампу Л2 и резистор Rn, Ri2, создавая прямой ход развертки. Так как анодный ток пентода в широких пределах не зависит от напряжения на аноде, то прямой ход развертки будет достаточно линеен и его амплитуда достигнет 70% напряжения питания. Только с момента, когда падение напряжения на резисторе анод- ной нагрузки переместит рабочую точку лампы на изгиб анодной характеристики пентода, анодный ток начнет быстро падать, а экранный ток возрастет, что повлечет уменьшение потенциала экранной сетки. Это уменьшение потенциала через конденсатор С5 передается на антидинатронную сетку, что еще больше умень- шает анодный ток, пока он не прекратится совсем. Время сущест- вования анодного тока определяется постоянными времени цепей экранной и антидинатронной сеток (R9C5 и R8C3) и равно вре- мени обратного хода. В момент прекращения анодного тока падение напряжения на резисторе Ri0 не происходит и в цепи управляющей сетки начи- нает проходить ток, вызывающий быстрый перезаряд конденса- тора С[2 и начало повторения нового цикла работы генератора. С помощью одноплатного переключателя П8—П8" можно производить грубую регулировку частоты горизонтальной раз- вертки. Емкости конденсаторов С3—С8 и С\2—Ci5 выбраны так, чтобы перекрывался диапазон частот от 20 гц до 20 кгц. Этот диапазон разбит на четыре поддиапазона: 20—160 гц, 140— 920 гц, 700\гц — 5 кгц, 4,5—20 кгц. Плавная регулировка частоты развертки внутри каждого поддиапазона производится измене.- 136
нием смещения на управляющей сетке генераторной лампы при помощи потенциометра /?ц. Резистор Ллз включен для ограниче- ния изменения частоты. С анода лампы Л2 через разделительный конденсатор Ci6 по- дается пилообразное напряжение на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Амплитуда пилообразного напряжения не регулируется. К экранной сетке Л2 присоединяется цепочка деталей R7, Сд, Сю и Дв, .которая формирует импульсы отрицательной поляр- ности, используемые для гашения луча при обратном ходе раз- вертки. Эти импульсы через конденсатор Сц подаются на управ- ляющий электрод (модулятор) электронно-лучевой трубки. Питание осциллографа осуществляется от общего силового трансформатора. Два выпрямителя собраны на полупроводнико- вых диодах по однополупериодной схеме с фильтрами. Один конец повышающей обмотки силового трансформатора заземляется. Напряжение, снимаемое с вывода повышающей обмотки, выпрям- ляется диодами Д4 и Д5, сглаживается фильтром, образованным конденсаторами Ci7, Ci8 и резистором R28, и используется для питания ламп. Его величина на выходе фильтра порядка 400 в. Незаземленный конец той же повышающей обмотки силового трансформатора соединяется со вторым выпрямителем, образо- ванным диодами Д1, Д2, Дз- Диоды включаются так, чтобы вы- прямленное напряжение было отрицательным относительно кор- пуса и шасси прибора. После фильтра, образованного конденса- торами Cig—С22 и резистором R24, это напряжение величиной порядка 600 в подается на фокусирующий и управляющий элект- роды электронно-лучевой трубки. Фокусировка луча осуществля- ется потенциометром R2\, а яркость регулируется потенциометром R22- На концах резисторов Rig и R20 образуются напряжения, рав- ные по величине и противоположные относительно корпуса по знаку. Эти напряжения используются для перемещения луча по горизонтали и вертикали с помощью потенциометров Ri7 и R^. Резистор Ди предназначен для предотвращения замыкания на корпус исследуемого напряжения через конденсатор С24, а рези- стор /?15 не допускает замыкания на землю через конденсатор С2з напряжения развертки. Конденсаторы С28 и С24 обеспечивают дополнительную фильт- рацию напряжений, смещающих луч. Величины резисторов Ri4, R15 и конденсаторов С28, С24 некритичны — они могут колебаться в достаточно широких пределах. Несмотря на простоту схемы, чувствительность осциллографа по вертикальному входу достаточно велика и достигает 20 мм на 1 в, что вполне достаточно для проведения работ практикума по физике. В тех же случаях, когда чувствительности осциллографа недостаточно, можно использовать усилитель низкой частоты, имеющийся в числе приборов физического кабинета. 137
Конструкция прибора. Внешний вид осциллографа показан на рисунке 2. Он монтируется на коробчатом стальном шасси, кото- рое одновременно служит и экраном для электронно-лучевой трубки от магнитных полей рассеяния силового трансформатора. Чертеж лицевой панели приведен на рисунке 3. Шасси с лице- вой панелью соединяются установочными втулками переменных резисторов и Rs, переключателя П3 и входных зажимов. Отвер- стия в шасси и лицевой панели для этих деталей общие. На перед- ней, лицевой панели осциллографа расположены все ручки управ- ления переменными резисторами Рис. 3 и переключателями, а также входные зажимы или гнезда под однополюсные витки для сигнала и внешней синхро- низации. Размещение деталей на шасси показано на рисунке 4. Сверху шасси располагаются лампы Лх и Л2, конденсато- ры фильтра Си, Cis и элект- ронно-лучевая трубка. Кон- денсаторы Си, Cis устанавли- ваются в специальной стой- ке из дюралюминия. К верх- ней части этой же стойки хомутиком крепится трубка. Чертежи этой стойки, а так- же стойки для установки кон- денсаторов Cig—С22 приве- дены на рисунках 5, а. и 5, б. 138
Конденсаторы Ci9—С22 изолируются от шасси пластмассо- выми шайбами. Все остальные детали монтируются в под- вале шасси. Большая часть резисторов и конденсаторов схемы располагается на монтажной плате с двусторонним монтажом. Порядок установки деталей на плате, коммутация лепестков платы и адреса выводных соединительных проводников приводятся на рисунке 6. Отдельная плата с полупроводниковыми диодами и конденсаторы Сь С3, С25, С26, Си, Ci6> С23, С24 типа МБГО-2 на рабочее напряжение 400 в устанавливаются также в подвале шасси. Конденсаторы С5—С3 и Ci2—С15 размещаются непосредственно на переключателе /73. Силовой трансформатор вместе со всеми деталями располагается под шасси. Его следует Рис. 5 139
Рис. kl/6 В1Э
располагать возможно дальше от электронно-лучевой трубки, лучше всего за ней, но выбранные размеры прибора не оставляют для него иного места. Приводимое расположение силового транс- форматора возможно только в том случае, если шасси будет вы- полнено из стали толщиной не менее 0,8 мм: В противном случае необходимо увеличить длину шасси прибора и силовой трансфор- матор разместить за трубкой, поместив ее в специальный экран. Силовой трансформатор для осциллографа . изготовляют из накального трансформатора от телевизора «Рекорд». С него акку- ратно убирают все накальные обмотки и проводом ПЭВ диамет- ром 0,1—0,12 мм наматывают высоковольтную обмотку, содержа- щую 3700 витков с отводом от 2400 витка. Поверх этой обмотки наматывают проводом ПЭВ диаметром 0,51—0,55 мм накальную обмотку, состоящую из 40 витков. В качестве экрана электронно-лучевой трубки может быть при- менен отрезок водопроводной трубы с внутренним диаметром 60—70 мм и толщиной стенок порядка 3 мм. Экран можно также изготовить из полосы кровельного или трансформаторного желе- за, обогнув им в пять слоев деревянную болванку диаметром 60 мм и пропаяв наружный шов по всей длине. Выполняя монтаж переменных резисторов R\, Rs, R22, R\\, следует подпаивать к ним проводники так, чтобы при вращении их осей слева направо уровень сигналов, ими регулируемых, уве- личивался. Крепится электронно-лучевая трубка и, если нужно, ее экран к лицевой панели посредством кольца из эбонита, выпол- няемого по чертежу рисунка 7. Внешние размеры прибора 135X195X220 мм. Используемые детали должны иметь допуски номинальных , величин по второму классу (±10%). Налаживание прибора. Удобнее всего налаживать малогаба- ритный осциллограф с помощью другого осциллографа и звуко- вого генератора. Эти приборы позволяют точно установить диапазоны частот развертки и проверить форму развертываю- щего пилообразного напряжения. Однако можно достаточно удовлетворительно наладить осциллограф и без них.- Вначале проверяют работу высоковольтного выпрямителя и работу органов управления лучом. Для этого осциллограф включают в сеть без ламп Лх и Л2. Авометром измеряют на- пряжения на выходе фильтров Си и Cig. Они должны соответ- ствовать величинам, указанным выше. После этого вращением оси переменного резистора R22 проверяется регулировка ярко- сти изображения. При переводе 141
оси R из одного крайнего положения в другое яркость должна изменяться от максимума до нуля. Изменяя положение оси пере- менного резистора R2i, проверяют работу цепи фокусировки луча. Так как в это время развертка еще не включена, то не следует добиваться очень малого сфокусированного пятна на экране элект- ронно-лучевой трубки, чтобы не разрушить люминофор экрана. После этого вращением осей потенциометров проверяют наличие смещения лучей по вертикали (/?1б) и Горизонтали (Rn). После наладки регулировок приступают к проверке и наладке генератора пилообразного напряжения. Проверяют наличие гене- рации на всех поддиапазонах и достаточность амплитуды давае- мого им напряжения. Для этого при помощи резистора R22 доби- ваются небольшой яркости свечения экрана осциллографа, а затем устанавливают в панель лампу Л2. Когда нить накала лампы прогреется, на экране электронно-лучевой ^трубки должна появиться горизонтальная линия. Если трубка закреплена не очень удачно, то линия может оказаться не горизонтальной, а наклонной. В этом случае следует ослабить винты крепления трубки и повернуть ее соответствующим образом. Меняя поло- жение переключателя П3, убеждаемся в существовании генерации на всех поддиапазонах и в том, что амплитуда пилообразного напряжения достаточна для полной развертки по горизонтали. Если монтаж выполнен правильно и величины элементов, ука- занные на принципиальной схеме, выдержаны точно, то генератор развертки начинает работать сразу и форма пилообразного на- пряжения получается хорошей. Если на каком-либо поддиапазоне генератор не работает, то следует проверить соответствующие конденсаторы из групп С5—С8 и С]2—Ci5. Вообще емкости кон- денсаторов группы С'5—С& должны быть раз в десять меньше емкости конденсаторов Ci2—С15. Неправильное соотношение между величинами емкостей этих конденсаторов ведет к ухудше- нию формы кривой пилообразного напряжения и к увеличению времени обратного хода луча. Если окажется, что длительность обратного хода чрезмерно велика и форма его так искажена, что не происходит ее гашения, следует уменьшить сопротивление резистора R&. Его можно уменьшать до 91 кож,-однако при этом несколько уменьшается амплитуда пилообразного напряжения. В том случае, когда амплитуда пилообразного напряжения полу- чается недостаточной (линия развертки не растягивается на весь экран), следует увеличить сопротивление резистора Rg до 75 ком. Если амплитуда пилообразного напряжения слишком велика — Л уменьшить сопротивления резисторов Ry и R8. Если окажется, что при хорошей' форме пилообразного напряжения обратный ход столь велик, что напряжение развертки приближается по форме к треугольной, то нужно увеличить сопротивление резистора /?13 или уменьшить сопротивление резистора R\2. Затем приступают к налаживанию усилителя вертикального отклонения луча. В панель ставится лампа, и после прогрева ее 142
накала касаются отверткой входного зажима усилителя. По пове- дению луча на экране осциллографа судят о том, работает усили- тель или нет. Далее проверяют, правильно ли выбран режим работы лампы Л\ по постоянному току. Для этого на входные зажимы усилителя подают синусоидальное переменное напряже- ние порядка .6 в, например, с накальной обмотки трансформатора. Вращая ось потенциометра Ri, постепенно увеличивают напряже- ние на сетке лампы Л\ и наблюдают на экране осциллографа, когда форма напряжения начнет искажаться. Верхняя и нижняя части синусоиды должны искажаться одинаково. Если искажение «срез» наблюдается только в одной из них, то следует изменить величину сопротивления резистора R3. При наличии .звукового генератора проверяют также равно- мерность частотной характеристики усилителя. Для этого, уста- новив произвольную частоту развертки, подают на вход усили- теля напряжение в 1 в с генератора, контролируя по прибору величину подаваемого напряжения. Меняют подаваемую частоту в интервале 20 гц—20 кгц и наблюдают за изменением амплитуды кривой на экране осциллографа. Если эта амплитуда уменьшается на верхних частотах, то следует уменьшить емкость конденсатора С2, если же, наоборот, увеличивается, то емкость этого конденса- тора следует увеличить. В заключение приводим список деталей, необходимых для изготовления осциллографа. Резисторы постоянные типа МЛТ-2 вт: Ri8 — 39 к, R19 — 20 к, /?2з— 1,6 к, R24 — 62 к, R2& — 5,1 к; МЛТ-1 вт: R±— 51 к, R9— 43 к, Rio — 56 к; МЛТ-0,5 вт: 1?2 — 330 к, R3 — 560 ом, R6 — 300 к, Ry—Rs — 39 к, R12 — 100 к, Ri3 — 200 к, Rn—R15 — 3,3 ом, R20 — 300 к, R28 — 820 к, R2y — 91 к, R28 — 150 к. Резисторы переменные типа СПО-0,5: R{ — 1,0 ом, R5 — 47 к, R\i, Ri6> Rw> R21 — 470 к, R22 — 100 к. Конденсаторы постоянной емкости: Сь С3, С и, С\6, С2з, С24, С25, С2б, С2у типа МБГО-2 на 0,25 мкф, 400 в, С9 — типа МБМ на 1,0 мкф, 160 в, С\2 — типа КБГИ на 0,1 мкф, 200 в, С5 — типа КБГИ на 0,01 мкф, 200 в, С2 — типа КСО на 5200 пф, С± — 6800 пф, С6 — 2000 пф, С7 — 430 пф, С8 — 100 пф, С14 — 4300 пф, СГ5 — 1000 пф, С10 — 510 пф, С13 — типа БМ-2 на 0,02 мкф, 200 в, Си, Cis — типа К50-3 на 50,0 мкф, 450 в, С19—С22 — типа К50-3 на 10,0 мкф, 450 в. Полупроводниковые диоды Дх—Д6 — типа Д7Ж- Переключатели 1Д и П2 типа ТВ-2-1; П3 — типа ПГК5п 2Н. 143
Г. М. Гайдучок, М. М. Сверида (Ивано-Франковск) Е. В. Коршак (Киев) САМОДЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО МЕХАНИКЕ При выполнении работ практикума «Определение ускорения при свободном падении тел» и «Изучение законов кинематики» необходимо измерять небольшие интервалы времени. В методи- ческой литературе описано большое количество сложных и доро- гостоящих секундомеров, которые могут быть использованы при выполнении этих работ. Нами разработано и проверено на прак- тике простейшее записывающее устройство, дающее возможность определить малые интервалы времени по записи на бумаге коле- баний с частотой 100 гц на протяжении измеряемого промежутка времени. Прибор для записи колебаний (рис. 1) состоит из электромаг- нита, который питается переменным током частотой 50 гц при напряжении 12 в и кнопки включения К. К якорю электромагнита прикреплен карандаш. Если тянуть вдоль бумаги этот карандаш 144
и на некоторое время замкнуть цепь электромагнита, то на бума- ге запишется периодическая кри- вая, соответствующая частоте ко- лебаний якоря 100 гц. Подсчитав число колебаний, можно опреде- лить длительность промежутка времени, в течение которого цепь катушки электромагнита . была замкнута. Установка для выполнения ра- боты практикума «Определение ускорения при свободном паде- нии» показана на рисунке 2, а схе- ма включения — на рисунке 3. Рис. 4 Установка состоит из электромаг- нитного держателя 1, выключателя 2 и записывающего устрой- ства 3. Держатель (рис. 4) представляет собой электромагнитное реле, к якорю которого прикреплена защелка. К основанию реле прикреплена пластинка с отверстием. В шарик завинчен стерже- нек с зубцом. Стерженек вставляют в отверстие, а защелка за- цепляется за зубец и удерживает шарик. Устройство выключателя показано на рисунке 5. При проведении опыта устанавливают шарик в держателе и подключают записывающее устройство. Затем начинают тянуть вдоль бумаги карандаш записывающего устройства и нажимают кнопку К. При этом держатель дтпускает шарик, а записывающее устройство на протяжении времени падения шарика вычерчивает периодическую кривую. Когда шарик падает на пластинку вы- ключателя и размыкает цепь, записывающее устройство перестает действовать. Подсчитав число колебаний п, находим время паде- ния (t = n-0,01 сек). Погрешность определения времени не прево- сходит длительности полупериода питающего переменного тока,, т. е. 0,005 сек. Ускорение находят из известной формулы для сво- бодною падения тел: 1 gi2 10 Заказ № 2369 145
Рис. 6 Для выполнения работы практикума «Изучение законов кинематики» собирают уста- новку, показанную на рисунке 6. Через два шкива нить легкоподвижных прочная 120—150 см. нити прикреплены на которые кладут грузов массой по перегрузки в виде (6 перегрузков по перекинута длиной К концам площадки, грузы (6 50 г) и пластинок 50 г). Левую (по рисунку) площадку в начальном поло- жении удерживает защелка - электромагнитного держателя, которая своим выступом за- цепляется за зубец стержня, скрепленного с площадкой. Защелка связана с якорем электромагнита, как и в преды- дущей работе. Против правого груза на необходимой высоте устанавливается площадка концевого выключателя. К шта- тиву прикреплен стержень с вилкой для снятия пластинча- тых перегрузков при определе- нии мгновенной скорости дви- жения грузов. прибору подключают записываю- Для выполнения работы щее устройство, как показано на рисунке 3. На площадках уста- навливают грузы по 50 г и на правую площадку — перегрузок 50 г. Левую площадку опускают в нижнее положение и приводят в зацепление с защелкой. Затем начинают тянуть по листу бумаги карандаш записывающего устройства и нажимают на кнопку К- При этом электромагнит оттягивает защелку и опускает систему грузов. Пока правый груз не достигнет площадки выключателя, на бумаге будет записываться периодическая кривая. При помо- щи линейки определяют путь, пройденный правым грузом от начального положения до площадки выключателя. Подсчитав число полных колебаний, определяют время движения грузов. Опыт повторяют при различных путях движения груза. По полученным результатам проверяют соотношение: si:s2:s3: ... =/2 ... Для исследования зависимости скорости равноускоренного движения от времени, как и в предыдущем случае, определяют 146
путь s и время t равноускоренного движения. На место выключа- теля помещают вилку для снятия перегрузка, а выключатель опускают на 10 см вниз. После снятия перегрузка система будет двигаться равномерно. Скорость этого движения можно опреде- лить, измерив путь s и время t движения системы. Измерение скорости повторяют несколько раз после прохождения системой в равноускоренном движении различных путей. Результаты изме- рений и вычислений вносят в таблицу: , № и/п (см) п t (сек) S' (см) п' t' (сек) s' — s (см) t'-t (сек) s' — S v — t'-t (см/сек) По этим данным проверяют соотношение: ui:u2:из: ... = Е: tz’.ts. ... Г. М. Гайдучок, И. М. Лучкив, В. Г. Нижник (Ивано-Франковск) ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ Удельную теплоемкость газа при постоянном объеме cv можно определить по формуле: где Qv — количество теплоты, полученной газом массы т при изохорическом нагревании на АГ. В этом случае объем газа не изменяется (AV = 0) и газ не совершает работы (Д=рАУ —0). Поэтому первый закон термо- динамики можно записать так: Qv = AE, (2) где АЕ — изменение внутренней энергии газа. Используя фор- мулу (1), получим: АЕ = /псуАГ. (3) При изохорическом нагревании газа изменение температуры АГ можно определить из закона Шарля: Pi Р кр р ~^=~Т или Г1 Г АГ Г откуда ДТ=^1. р (4) ю* 147
Учитывая (4), можно уравнение (3) записать так: л г ^РТ АЕ=mcv —-— . Р (5) Заряженный до напряжения U конденсатор С имеет энергию „. си2 Е]г=------. k 2 (6) Если этот конденсатор разрядить на проволоку, помещенную в исследуемый газ, то его внутренняя энергия увеличится на Er. Тогда можно записать: СЕ2 . - — тсу крТ Р (7) Массу газа можно определить по формуле m=QV, . (8) где q — плотность и V — объем газа. Из уравнения (7), учитывая (8), можно определить удельную, теплоемкость газа с: Ср U2 Cv~ 2TqV Ар ’ (9) Для выполнения работы применяется установка, показанная на рисунке 1. Стеклянная колба 1 объемом 0,5—1 л закрыта рези- новой пробкой 2, через которую протянуты два куска медной Рис. 1 проволоки 3 диаметром 0,8—1 мм. К нижним их концам припаяна прово- лочная спираль R из константановой проволоки диаметром 0,1 мм и сопро- тивлением 25 ом. В пробку вставлена тройная стеклянная трубка 4, к кото- рой присоединен небольшой самодель- ный водяной манометр 5. Через трубку 6 колба соединяется с атмосферой. Электрическая схема приведена на рисунке 2, где R — проволочная спи- раль, С — конденсатор на 200 мкф, V — вольтметр постоянного тока на 150 в, В — универсальный школьный выпрямитель. В начале опыта трубку 6 открывают и в колбе устанавливается атмосферное давление р. Переключатель П ставят в положение 1, и конденсатор заряЖа- 148
ется до напряжения^ U, которое по- казывает вольтметр V. Если пере- ключатель П поставить в положение 2, то конденсатор разрядится через спираль R, воздух нагреется и дав- ление воздуха увеличится. Прираще- ние давления Ар измеряют по мано- 2 П 1 метру 5. Изменением объема воздуха можно пренебречь, так как AV<^V. Рис' Работу выполняют в такой последовательности: 1. Собирают установку согласно рисунку 2. В колбе устанав- ливают атмосферное давление. 2. Измеряют'температуру Т и давление р воздуха. Объем воз- духа V в установке должен быть предварительно измерен учите- лем с погрешностью, не превышающей 1%. 3. Заряжают конденсатор примерно до напряжения 100 в, а затем разряжают его через спираль. Измеряют максимальное увеличение давления воздуха Ар. 4. По полученным результатам вычисляют удельную теплоем- кость Су А. А. Быков, Д. И. Рейнгарц (Ленинград) ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЛОТНОСТИ НАСЫЩАЮЩЕГО ПАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ При изучении вопроса о равновесии жидкости и пара удобно пользоваться таблицей, выражающей зависимость плотности на- сыщающего пара от температуры. Получение такой зависимости может служить темой лабора- торной работы в физическом практикуме по основному или факультативному курсу физики. Связь между плотностью и давлением дает уравнение Менде- леева—Клапейрона: m RT RT откуда _ 10~-Wr р Q~~ R т • Измеряя при различных температурах давление насыщенного пара р, можно по этой формуле вычислить соответствующие зна- чения плотности q. Опыт проводится с ацетоном. Относительная 149
молекулярная масса Мг ацетона (С3Н6О) равна 58. Если давление измеряется в н/ж2, то формула для вычисления плотности насы- щающего пара ацетона имеет вид: q = 0,07 кг-град р н-м Т ’ Работа выполняется следующим образом: из шара для взве- шивания воздуха откачивают воздух при помощи насоса Комов- ского или любого другого форв-акуумного насоса. Затем в шар вво- дят 5—20 мл чистого ацетона. Чтобцг при этом в сосуд не попал воздух, резиновую трубку, надетую на горловину шара для взве- шивания воздуха, опускают в ацетон и осторожно приоткрывают зажим. Затем шар соединяют с демонстрационным манометром со шкалой 0—1,6 ат или любым другим стрелочным вакуумметром. Для получения зависимости давления насыщающего пара^т тем- пературы шар с ацетоном нагревают от 10 до 50—55 °C в водяной бане. Давление отсчитывают через каждые 5 град изменения тем- пературы. Для ускорения процесса установления теплового равновесия рекомендуется шар с ацетоном время от времени покачиватй. Основная погрешность в этой работе происходит от неполной откачки воздуха из шара. ' Если в шар ввести небольшое количество ацетона (около 1 мл}, то при определенной температуре (зависящей от количест- ва ацетона) вся жидкость испарится и дальнейшее нагревание приведет к тому, что пар станет ненасыщающим, и его давление будет линейно зависеть от температуры. Плотность же пара будет оставаться постоянной. Проведение такого опыта представ- ляет также большой интерес для учащихся. Результаты описанных опытов учащиеся должны иллюстриро- вать графиками зависимости давления и плотности от темпера- туры. В. П. Пушкарь (с, Солдатское Сумской обл.) ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ Особенностью выполнения работы по выращиванию кристал- лов является большая длительность ее: кристаллы некоторых солей были получены нами весом до 80—100 г и росли в течение двух месяцев. Поэтому оказалось более целесообразным прово- дить эту работу параллельно с изучением темы «Строение кри- сталлов», выделяя для этого каждый день 5—7 мин после заня- и ** тии. Для проведения работы необходимо следующее оборудова- ние: 1) кристаллизатор на Г—2-л; 2) химический стакан на 0,5 л; 3) колба коническая; 4) весы; 5) разновесы; 6) термометр; 7) пин- 150
цет; 8) лезвия; 9) стеклянная палочка; ГО) деревянные палочки прямоугольного сечения длиной 10—20 см; 11) фильтровальная бумага; 12) воронка; 13) капроновые нити; 14) спиртовка или электроплитка; 15) штатив с муфтой и лапкой; 16) мензурка; 17) пенопластовый ящик (можно использовать и любой другой выполненный из материала с низкой теплопроводностью) на 1 — 1,5 л с плотно закрывающейся крышкой; 18) дистиллированная вода около 0,25 л; 19) набор веществ, из которых предполагается вырастить монокристаллы. Необходимо предварительно отобрать те вещества, из которых наиболее просто получить монокристаллы. С этой целью мы про- вели серию экспериментов, в результате которых отобрали следу- ющие вещества: CuSO4.5H2O, K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6]-3H2O, KA1(SO4)2- 12HoO, KCr(SO4)2- 12H2O, NiSO4-7H2O, KMnO4, КгСггОу, Ма2Сг2О7-2Н20, FeSO4-7H2O. Кристаллы CuSO4-5H2O и K3[Fe(CN)6] наименее чувствительны к чистоте проводимых опытов и скорости роста кристаллов. Поэтому вначале целесооб- разно начать выращивание кристаллов из насыщенных растворов именно этих солей, а после приобретения необходимых практиче- ских навыков приступить к получению монокристаллов из осталь- ных веществ с тем, чтобы впоследствии создать коллекцию моно- кристаллов. Для выращивания кристаллов мы использовали два метода создания пересыщения раствора. Первый метод заключа- ется в том, что сосуд с насыщенным раствором соли, где растет подвешенный на нити кристалл, оставляют открытым. При этом часть воды испаряется и раствор становится пересыщенным. Этот метод лучше всего применять при выращивании кристаллов из тех веществ, растворимость которых при комнатной температуре больше 15—20 г безводного вещества на 100 г раствора. Второй метод создания пересыщения раствора основан на уменьшении растворимости веществ при снижении температуры раствора. Этот метод гораздо более эффективен, чем первый, од- нако он требует проведения многочисленных предварительных экспериментов по определению необходимой скорости роста кри- сталлов с тем, чтобы форма выращиваемых монокристаллов была возможно ближе к идеальной. Кроме того, использование второго метода значительно увеличивает трудоемкость подготовительных работ. Поэтому при выращивании кристаллов из большого количе- ства веществ целесообразно разумно сочетать оба метода, при- меняя второй метод только в тех случаях, когда растворимость вещества слишком мала, т. е. когда получение кристаллов с использованием первого метода практически невозможно. Работа выполняется в такой последовательности. Используя таблицы или графики растворимости веществ, опре- деляют массу вещества, необходимого для приготовления 150 г насыщенного при 20°С раствора. После этого отвешивают нужное количество вещества и, отмерив мензуркой объем воды, .который численно равен разности между массой раствора (150 г) и массой 151
растворяемого вещества, готовят в конической колбе насыщенный раствор. Для того чтобы вещество растворялось быстрее, воду предварительно нагревают до температуры на 10—20° 'выше комнатной. Затем приготовленный раствор сливают в химический стакан. Если раствор содержит механические примеси, то его сна- чала тщательно фильтруют. После этого стаканы с растворами необходимо поместить в шкаф (для того, чтобы в них меньше попадала пыль), оставив его открытым. На этот первый этап работы мы отводили 30 мин учебного времени. Обычно на следу- ющий день выпадают мелкие кристаллы, которые выращивают до тех пор, пока они не достигнут 3—5 мм длины. После этого с помощью пинцета кристаллы вынимают и из всех кристаллов отбирают 3—4 кристалла, которые содержат минимальное коли- чество изъянов: бесформенных образований, царапин и т. д. Эти кристаллы подвязывают к капроновым нитям и с помощью дере- вянных х-палочед-перекладин укрепляют в стакане так, чтобы кристаллы, находясь в растворе, не касались стенок стакана и друг друга (см. рис.). Дальнейшая работа заключается в периодическом осмотре кристаллов один раз в день, удалении лезвием новых центров кристаллизации с основных кристаллов, а также с нитей, по мере их появления. Все проводимые работы, а также наблюдения запи- сывали в специальный дневник, который вела каждая группа уча- щихся. Второй метод создания пересыщения дает возможность значи- тельно ускорить рост кристаллов. Так, по данным проведенных нами опытов на выращивание с помощью первого метода кристал- лов CuSO4-5H2.O массой 10 г требуется около тридцати дней. Для выращивания же таких кристаллов по второму методу необхо- димо двенадцать дней. Второй метод мы с успехом использовали при выращивании монокристаллов К2Сг2О7, а также КМпО4. Для выращивания монокристаллов указанных веществ необходимо приготовить 150 г раствора этих веществ, насыщенного при температуре, кото- рая на 5—7° выше комнатной. Затем сосуды с растворами помещают в пе- нопластовые ящики для уменьшения скорости снижения температуры рас- твора, а вместе с ней и скорости роста кристаллов. Обычно через 24 часа из растворов выпадают мелкие (длиной около 1 мм)' кристаллы. Если кри- сталлы все же оказались настолько малы, что привязать их к нитям невозможно, то необходимо провести их доращивание. Для этого из стака- на выбирают несколько наиболее круп- 152
них кристалликов. В стакан же добавляют такое же коли- чество вещества, какова масса всех вынутых из него кристал- лов, и, нагревая раствор до температуры на 10—15 °C выше комнатной, растворяют оставшиеся в стакане кристаллы. После этого раствору дают остыть до температуры, при которой он станет насыщенным. Затем, помещая на дно стакана вынутые кристаллы так, чтобы они не касались друг друга, снова ставят его в ящик. Когда кристаллы подрастут, их необходимо подвя- зать к капроновым нитям и поместить в сосуд так, чтобы они не касались стенок. Этим методом нами были получены сравнительно крупные оранжево-красные кристаллы К2СГ2О7 массой более 3 г, а также темно-фиолетовые кристаллы КМпО4 массой около 2 г. Для получения более крупных кристаллов используют крис- таллизатор, большого объема. Кристаллы некоторых веществ, например NiSO4-7H2O, FeSO4- • 7Н2О, теряя кристаллизационную воду, постепенно разрушаются. Поэтому такие кристаллы необходимо хранить в хорошо закры- тых пробирках. В. В. Коба (Магадан) СНЯТИЕ ВНЕШНЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЕСНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Промышленность выпускает для школ прибор для проведения практической работы «Определение зависимости мощности на валу электрического двигателя от числа оборотов». Эта работа связана с измерением только механических величин и выполня- ется она учащимися VIII класса. Однако прибор можно использо- вать и в IX классе при изучении электричества. С ним может быть проведена работа по изучению специфических свойств электро- двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением путем снятия его внешней характеристики. Электродвигатель постоянного тока с последовательным воз- буждением отличается весьма значительным пусковым моментом при меньшем, пусковом токе, чем у двигателя с параллельным возбуждением. Кроме того, для двигателя этого типа характерна мягкая скоростная характеристика (скорость двигателя резко изменяется при изменении нагрузки). В тех случаях, когда элект- рический привод должен обладать указанными качествами, при- менение электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением становится весьма желательным. Электродвига- тели постоянного тока с последовательным возбуждением приме- няются преимущественно для электрической тяги (электротранс- порт, электрокраны, стартер для запуска двигателя автомобиля). Под внешней характеристикой электрического двигателя пони- мают зависимость тока в обмотке якоря от числа оборотов: 153
Ix=f(n)- Для выполнения работы собирают цепь по схеме, пред- ставленной на рисунке 1. Как видно из схемы, в цепь включают пусковой реостат. Следует иметь в виду, что холостой ход электродвигателя по- стоянного тока с последовательным возбуждением не допуска- ется, так как скорость двигателя превысит допустимую, как гово- рят, пойдет вразнос. Поэтому пуск двигателя осуществляют под нагрузкой, которую прикладывают к шкиву путем натяжения динамометрами тормозной ленты. Для снятия внешней характе- ристики двигатель запускают под нагрузкой, которая после выве- дения пускового реостата доводится натяжением тормозной ленты примерно до 120% номинальной по показанию амперметра. Записав показания приборов (вольтметра, амперметра и счет- чика оборотов), уменьшают нагрузку и снова записывают показа- ния приборов. Так повторяют измерения 5—6 раз при все меньших значениях нагрузки (тока якоря). Результаты заносят в таблицу. № п/п п (рб!мин) /я («) и (6) - По полученным данным строят внешнюю характеристику, общий вид которой показан на рисунке 2. Как видно из этого графика, с увеличением числа оборотов электродвигателя потреб- ляемый ток уменьшается. Это объясняется так. Ток в якоре определяется формулой U — E ~ Гя+Гв ’ Я где Е — ЭДС в якоре. С увеличением числа оборотов ЭДС увели- чивается, а разность в числителе U—Е уменьшается; поэтому уменьшается и ток, потребляемый электродвигателем. 154
Скорость двигателя можно регулировать также изменением напряжения. Для этой цели может быть использован пусковой реостат, рассчитанный на длительное протекание рабочего тока. Однако при таком способе снижение скорости происходит за счет поглощения части энергии в реостате, что снижает КПД электро- привода. Другой способ регулирования скорости вращения осно- ван на включении реостата параллельно обмотке возбуждения. Такую цепь учащиеся могут собрать, если имеется двигатель с отдельными выводами, от якорной обмотки и обмотки возбужде- ния. * В. И. Соломкин ч (Майкоп) ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА Из существующих способов определения скорости звука наи- большую методическую ценность представляет метод акустиче- ского интерферометрирования. Наряду с достаточно высокой степенью точности измерения он относительно прост и доступен пониманию учащихся старших классов. Практическое ознакомле- ние учащихся с методом на примере акустических колебаний под- готавливает их к изучению аналогичных методов измерения в радиофизике и оптике. Знакомить учащихся с методом акустического интерферомет- рирования проще всего на примере определения скорости звука в жидкостях. Так как дисперсия скорости звука в жидкостях практически отсутствует, то все измерения можно производить в области ультразвуковых частот. Это позволяет значительно уменьшить размеры измерительной аппаратуры и добиться боль- шей точности измерений. Для проведения лабораторной работы по определению скоро- сти ультразвука указанным методом прежде всего необходим учебный ультразвуковой интерферометр (рис. 1), который может быть изготовлен в школьных мастерских по чертежам (рис. 2). Конструкция интерферометра такова, что она позволяет использовать его сов- местно с простейшим термостатирующим устройством — лабораторным калоримет- ром. На рисунке 2 интерферометр показан в разрезе. Корпус 1 и крышка 2 выточе- ны из гетинакса. Скрепленные болтами 5, они образуют основание, прибора, предо- ставляющее собой крышку к школьному лабораторному калориметру (его конту- ры обозначены пунктиром). Пьезопла- стинка 4, например, из поляризованной Рис. 1 155
Рис. 2 керамики титаната бария свободно вставляется в центральное отверстие в корпусе прибора и посредством пружины 5 прижи- мается контактным винтом 6 к мембране 7 из тонкой металличе- ской фольги (медь, латунь). К мембране припаяно кольцо 8 с тремя резьбовыми отверстиями под болты 3 (обозначены на рисунках 2,6 и 2, г). Таким образом, втброй контакт пьезопла- стинки осуществляется через мембрану 7, один из болтов 3 и ла- тунную пластинку 9 (на рисунке 2, б она обозначена пунктиром). Клеммы 10 и 11 служат для присоединения пьезоизлучателя интерферометра к выходу ультразвукового генератора. Подвижный плоский рефлектор состоит из основания 12, коль- ца 13 и тонкой мембраны 14 (рис. 2, а и 2, д). Все детали рефлек- тора изготовлены из гетинакса различной толщины. Склеенные вместе, они образуют полую цилиндрическую коробочку. Отверс- тие 15 служит для крепления рефлектора к ходовому винту 16 механизма перемещения. Отверстие 17 необходимо для прохода направляющей шпильки 18. 156
С помощью ручки 19 механизма перемещения, удерживаемой чекой 20 (рис. 2, а и 2, в), ходовой винт вместе с рефлекто- ром может перемещаться поступательно. Величину перемеще- ния измеряют'штангенциркулем (рис. 3). Расположение отверстий на,крышке прибора показано на рисунке 2,6. Отверстие 21 служит» для погружения термометра в исследуемую среду, находящуюся во внутреннем сосуде кало- риметра. В качестве источника переменного тока высокой частоты, необходимого для возбуждения пьезоизлучателя, может быть использован любой мало- мощный генератор. Нами использован ультразвуковой генератор, собранный по схе- ме Тесла (рис. 4). Дета- ли, используемые в этом ге- нераторе, имеют следующие номиналы: £1 = 300 пф, С2=15 пф,- С3=С6=С7 = = 3300 пф, С4 = 430 пф, С5 = = 25 пф, С8 = 4700 пф, = = 51 кбм, R2=6,8 ком: Катушка Lx выходного трансформатора содержит 60 витков провода ПЭЛ-0,3, а катушка L2 — 22 витка провода ПЭЛ-0,4. Для регистрации измене- ния постоянной составляю- щей тока в анодной цепи лампы генератора исполь- зуют гальванометр, который включают по компенсацион- ной схеме (рис. 5). Напря- жение в анодной цепи не превышает при измерениях 20 в. Его удобно снимать с левых клемм полупро- водникового выпрямителя ВУП-1. Работу выполняют в сле- дующем порядке. Рефлектор устанавливают в такое поло- жение, при котором наблю- дается одно ' из крайних отклонений стрелки галь- ванометра. Замечают на- чальное положение реф- Рис. 3 Рис. 4 157
Ультра - звуковой генератор Акустичес кий интер- ферометр Рис. 5 лектора. Вращением рукоятки интерферометра рефлектор перемещают от излучателя (или к нему). При этом происхо- дят периодические изменения условий возникновения стоячих волн, а следовательно, и режима излучения. Изменяется анод- ный ток генератора. Каждое отклонение стрелки гальвано- метра соответствует перемещению рефлектора на расстояние, равное половине длины ультразвуковой волны в исследуемой среде. Отсчитывают некоторое число отклонений стрелки п и замечают конечное положение рефлектора. Расстояние I между конечным и начальным его положением, деленное на половину числа отклонений стрелки п, дает длину волны X ультразвука в данной среде: На факультативных занятиях можно предложить учащимся выполнить одно из приводимых ниже дополнительных заданий. Задание 1. Определить зависимость скорости ультразвука в жидко- сти от температуры. Для решения этой задачи в калориметр наливают воду, подо- гретую до температуры не выше 60 °C, и выполняют все измерения, необходимые для определения скорости ультразвука. Те же изме- рения повторяют затем при других, более низких температурах. Строят график зависимости скорости ультразвука от темпера- туры. Такое же исследование проводят для других жидкостей (спирт, глицерин). Сравнивают графики зависимости скорости ультразвука от температуры для разных жидкостей и выясняют, чем они различаются и чем сходны. Записывают эту зависимость аналитически в общем виде. 158
Задание 2. Исследовать за- висимость скорости ультразвука в растворе поваренной соли от кон- центрации раствора. Составляют три раствора поваренной соли (NaCl) раз- личной концентрации: 2,5, 5 и 10%. При одной и той же температуре определяют ско- рость ультразвука в каждом из них и делают вывод о кон- центрации раствора по зна- чению скорости ультразвука в нем. Рис. 6 После этого целесообразно предложить учащимся следующую задачу для решения. Задача. Сколько граммов бромистого натрия (NaBr) содержится в трех литрах его водного раствора, если скорость распространения ультразвука в нем при постоянной температуре равна 1600 м)секЗ Для решения этой задачи предлагают учащимся воспользо- ваться графиком (рис. 6) зависимости скорости ультразвука в растворе бромистого натрия от концентрации раствора. (Отв. 900 г) В. В. Майер (Глазов) ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА ПРИ ПОМОЩИ ТРУБКИ КУНДТА Известно, что если в заполняющем трубку Кундта газе уста- новилась стоячая волна, то налитый в' трубку тонкий слой жид- кости периодически выжимается из пучностей давлений (узлов смещений) и поднимается в узлах давлений (пучностях смеще- ний). Это приводит к тому, что в самом слое жидкости образуется своеобразная стоячая волна. Вспучивания жидкости могут дейст- вовать подобно собирающим линзам. Если над трубкой Кундта расположить лампу, прямая нить которой перпендикулярна труб- ке, то вспучивания жидкости дадут изображения нити лампы на помещенном под трубкой экране. Полученные изображения очень резки и позволяют с большой точностью измерить расстояния между пучностями стоячей волны в газе, заполняющем трубку. Схема установки приведена на рисунке 1, а ее общий вид пока- зан на рисунке 2. На двух универсальных штативах укрепляют лампочку карманного фонаря 1, трубку Кундта 2 с герметически закрывающим одно ее отверстие отражателем 3, магнитострикци- онный излучатель 4 с ферритовым вибратором длиной 140 —- 159
160 мм и белый экран 5. Лампочка должна быть расположена на расстоянии 0,5—1 м от трубки так, чтобы ее нить накала была перпендикулярна трубке. В качестве трубки Кундта можно использовать любую стеклянную трубку длиной 100—200 мм и внутренним диаметром 8 мм. В трубку свободно и в то же время без значительного зазора должен входить вибратор магнито- стрикционного излучателя. Белый экран, представляет собой фа- нерное основание, на котором кнопками закреплена полоска бумаги. Экран должен быть расположен так, чтобы расстояние между ним и трубкой Кундта можно было изменять в пределах 5—20 см. Рис. 1 Измерив расстояния а (рис. 1) от источника света до слоя жидкости, расстоя- ние b от слоя жидкости до экрана и расстояние xti между k — tn и (&+!)—m изображениями источника, можно по формуле 2а xh a-\-b k (1) (вывести смогут сами уча- щиеся) найти длину волны звука. Работу проводят в такой последовательности. Нали- вают.в трубку Кундта воду (или иную смачивающую стекло и не сильно летучую жидкость) так, чтобы обра- зовался слой толщиной 1 — 3 мм. В открытый конец трубки на глубину 1—2 см вводят ферритовый вибра- тор магнитострикционного излучателя. ~ лучатель к Рис. 2 Подключив из- школьному зву- 160
ковому генератору, например, типа ГЗШ-63, настраивают генератор в резонанс с вибратором. Перемещая трубку Кундта относительно вибратора, добиваются образования стоячей волны (вспучивания воды в пучностях смеще- ний). Включают лампочку и перемещают экран, изменяя расстоя- ние между ним и трубкой Кундта так, чтобы на экране получились резкие ,изображения источника (свет, отраженный от стенок трубки, при этом, как правила, не мешает ни наблюдениям, ни измерениям). Остро отточенным карандашом или иглой отмеча- ют на экране положения изображений. Измеряют расстояния а и Ь\и записывают частоту генератора. Убрав экран, измеряют штангенциркулем расстояния Xk между отмеченными &+1 поло- жениями изображений источника. По формуле (1) вычисляют длину звуковой волны. А затем, пользуясь формулой c=V, (2) определяют скорость звука в воздухе. Расстояния Xk могут быть измерены с точностью по крайней мере 0,1 мм (это ширина изображения). Поэтому основная по- грешность при измерении скорости звука вносится генератором, шкала которого не позволяет определить частоту достаточно точно. Чтобы повысить точность измерений, можно заранее при определенных табличных условиях провести опыт и по найденной длине волны и данной в таблице скорости звука определить частоту. Поскольку вибратор излучателя в опыте возбуждается на основной собственной частоте, то c$ = 2lf, (3) где I — длина вибратора, Сф — скорость звука в ферритовом стержне. Величину с$ сообщают учащимся (в инструкции к лабо- раторной работе). Тогда они, измерив длину вибратора /, вычис- ляют частоту f. При выполнении этой работы необходимо хотя бы частично затемнить помещение (прямой свет не должен попадать на экран). Отметим, что в организационно-методическом отношении достоинством работы является то, что при ее выполнении резуль- таты непосредственных измерений величин a, b, k и xh будут у всех учащихся различными. 11 Заказ № 2369 161
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ НА ФАКУЛЬТАТИВНЫХ ЗАНЯТИЯХ А. А. Быков, Д.. И. Рейнгарц (Ленинград) ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООТДАЧИ Учащиеся, выполняя эту работу, исследуют зависимость тем- пературы охлаждающегося тела от времени и мощности тепло- отдачи от температуры. В работе используются: технические весы с разновесом, термо- метр 0—100 °C, сосуд с водой (химический стакан, колба или сосуд от калориметра) и часы. Простота необходимого оборудования позволяет провести работу фронтально. Работу выполняют в такой последовательности. В сосуд нали- вают 50—100 г горячей воды (80—100°С). Сосуд устанавливают на теплоизолирующую подставку (например, кусок пенопласта) или подвешивают на нитях к штативу. Температуру воды и сосуда измеряют термометром через равные промежутки времени, напри- мер через каждые 5 мин. По полученным результатам строят график зависимости температуры от времени (см. рис.). Отметим, что вначале при большой разности температур между остываю- щим телом (воды и сосуда) и окружающей средой (воздух) охлаждение происходит быстрее, чем при малой разности темпе- ратур в последующие моменты времени. Для получения зависимости мощности теплоотдачи от раз- ности температур между телом и окружающей средой необходимо определить количество теплоты, теряемой телом в единицу вре- мени. Так как в пределах небольших интервалов времени зависи- мость температуры охлаждаемого тела от времени можно считать линейной, то для такого интервала вводится понятие средней тем- пературы fCp, определяемой как среднее арифметическое темпе- ратур в начале и конце интервала. Поэтому можно строить гра- фик зависимости мощности теплоотдачи от разности между средней температурой интервала и температурой окружающей среды /0- Количество теплоты AQ, отданной телом за время Ат, опре- деляется формулой AQ= (cimi-j-c2m2) А/, где Ci — удельная теплоемкость сосуда, mi — масса сосуда, с2 — удельная теплоемкость воды, т2 — масса воды, А/ — изменение температуры за вре- мя Ат. 162
Следовательно, мощность теплоотдачи W равна: W=-^~ = (ciirii + с2т2) . Ат Ат Значения для различных температур можно определить, проводя касательные к кривой зависимости температуры от вре- мени. Результаты одной из лабораторных работ приведены в таб- лице 1 (зависимость температуры тела от времени) и в таблице 2 (зависимость мощности теплоотдачи от разности средних темпе- ратур интервалов tcp и температуры окружающей среды t0). Опыт был проведен при следующих данных: £0 = 23°С, Ci = = 880 джКкг-град), mi = 0,131 кг, с2 = 4190 джЦкг-град), т2 = = 0,077 кг. По данным таблицы 2 строят график, из которого видно, что мощность теплоотдачи быстро растет с увеличением разности тем- ператур. Таблица! Т а б л и ц а 2 т (сек) /(°C) 0 69 300 61 600 55 900 50 1200 46 1500 43 1800 40 2100 38 2400 36 2700 34,5 3000 33 3300 32 3600 31 /ср (°C) /ср—'to (град) W (вт) 65 42 11,7 58 35 8,7 52,2 29,5 7,25 48 25 5,8 44,5 21,5 4,35 41,5 18,5 4,35 39 16 2,9 37 14 2,9 35,2 12,2 2,2 33,7 10,7 2,2 32,5 9,5 1,5 31,5 8,5 1,5 Н. И. Шефер, И. А. Киреев (Оренбург) РАСЧЕТ И ИСПЫТАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ В работе используется следующее оборудование: терморези- стор ММ.Т-4 (1,2 ком), реле РП-5, авометр АВО-63, батарея акку- муляторов на 4—6 в, внутренний стакан калориметра с нагрева- телем, термометр до 100 °C, магазин сопротивлений КМ.С-4, элект- рическая лампочка на 6,3 в, выключатель, соединительные провода. Терморезисторы используются в качестве датчиков термореле и терморегуляторов. п* 163
, Действие термореле состоит в следующем. При изменении тем- пературы терморезистора изменяется сила тока в нем. Если последовательно с терморезистором включить обмотку электро- магнитного реле, то изменения тока могут вызвать срабатывание реле (рис. 1). При этом в исполнительной цепи происходит вклю- чение электрической лампы, звонка, сирены и т. п. С помощью термореле производится не только температурная сигнализация, но и автоматическая стабилизация температуры — термостатирование рабочих объемов в различных технологиче- ских установках, например при выращивании кристаллов, в инку- баторах и т. п. Схема автоматической температурной стабилизации аналогич- на показанной на рисунке 1. Нужно только выполнить два допол- нительных условия. Во-первых, терморезистор следует поместить в термостатируемый объем и, во-вторых, вместо сигнального уст- ройства включить нагреватель 7?н, расположив его вблизи термо- резистора (рис. 2). Тогда при достижении температуры t\, при которой сила тока в цепи терморезистора вызовет срабатывание реле, нагреватель будет выключен. Последующее охлаждение приведет к увеличению сопротив- ления терморезистора и к уменьшению тока питания реле. Когда этот ток уменьшится настолько, что при температуре tz<.t\ реле сработает и замкнет цепь нагревателя, начнется повышение тем- пературы до /1, затем произойдет вторично ее понижение до t2 и т. д. В результате таких периодических включений и выключений нагревателя температура в объеме, где расположены нагреватель и терморезистор,' будет колебаться вблизи некоторого среднего Рис. 3 Рис. 2
значения (рис. 3). Амплитуда колебаний температуры зависит от многих факторов: от температурного коэффициента сопротивле- ния терморезистора, от разности между током срабатывания и током отпускания реле, от соотношения сопротивлений терморе- зистора и обмотки реле, от условий теплообмена между терморе- зистором и нагревателем, а также между термостатируемым объ- емом и средой и др. Магазин сопротивления 7?м служит для изменения сопротив- ления и тока в цепи терморезистора. Очевидно, что при увеличе- нии сопротивления 7?м температура, до которой должен нагреться терморезистор, чтобы реле сработало, станет более высокой, а при уменьшении 7?м срабатывание реле произойдет при более низкой температуре. Выполняя данную работу, учащиеся должны рассчитать, какое сопротивление 7?м нужно выставить на магазине сопротивлений для того, чтобы в цепи терморезистора при.температуре проте- кал ток, равный току срабатывания реле /ср? Согласно закону Ома при закороченных клеммах АВ где U — напряжение питания, — сопротивление терморе- зистора при заданной температуре t\ (находится из графика, при- веденного на рисунке 4), 7?р — сопротивление обмотки реле (изме- ряется авометром). Для определения тока срабатывания реле не обязательно собирать отдельную цепь. Достаточно постепенно уменьшать сопротивление магазина сопротивлений до тех пор, пока не сработает реле. Об этом можно судить на слух или по загоранию лампочки, включенной в исполнительную цепь. Ток срабатывания определяется по показаниям авометра, включен- ного как миллиамперметр к клеммам АВ. Измерив все величины, входящие в выражение (1), можно вы- числить искомое сопротивление: Rw.==~j (Rtt-^-Rp). (2) * ср Работу выполняют в такой последовательности: 1. Измеряют авометром напряжение батареи U и сопротивле- ние обмотки реле /?р. 2. Собирают установку и определяют ток срабатывания реле путем постепенного уменьшения сопротивления магазина до мо- мента загорания лампочки. При определении тока срабатывания реле клеммы АВ для подключения авометра не должны быть закорочены. 3. Находят по графику (рис. 4) сопротивление терморезистора для заданной температуры срабатывания, например /1 = 50 °C. к 165
R (коп) Рис. 4 Рис. 5 4. Рассчитывают сопротивление 7?м по формуле (2) и выстав- ляют полученное значение на магазине сопротивлений. 5. Подключают источник питания и убеждаются в правиль- ности произведенного расчета. О включении нагревателя можно судить по загоранию лампочки, включенной параллельно с ним. 6. Рассчитывают Дм для стабилизации температуры при tx — = 60 °C и проверяют правильность расчета на опыте. Монтаж установки производят на крышке от набора Горячки-" на, как показано на рисунке 5. При подготовке оборудования спираль нагревателя берут на мощность 6—8 вт. При использовании нагревателя мощностью более 8 вт происходит «залипание» контактов реле. Для повышения чувствительности реле РП-5 по току обе его обмотки соединяют параллельно. - Кончик термометра и терморезистор помещают вблизи друг друга (их можно стянуть резиновым колечком). Нагреватель рас- полагается несколько ниже термометра и терморезистора. Контрольные вопросы 1. Какое влияние на режим работы термореле оказывает соот- ношение сопротивлений обмотки реле и холодного сопротивления терморезистора? 166
2. Как изменится температура, при которой произойдет сра- батывание реле, если увеличить напряжение питания цепи термо- резистора? 3. Как изменится температура срабатывания реле, если об- мотки реле зашунтировать? Г. М. Ставрулов (Бердянск) I ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА В этой работе учащиеся определяют энергию, запасенную в конденсаторе, как количество теплоты, выделившейся в процессе разряда конденсатора. Для измерения количества теплоты можно воспользоваться самодельным проградуированным термоскопом, совмещающим в себе калориметр и термометр (рис. 1). Разряд конденсатора производится через тонкую проволочку 5, поме- щенную в сосуд 1, плотно закрытый пробкой 2 и соединенный с капиллярной трубкой 3. В трубку перед опытом набирается столбик жидкости 4. Во время разряда воздух, находящийся в сосуде, вследствие нагревания расширяется, и столбик жидкости в капилляре смещается на некоторое расстояние А/, отсчитывае- мое по шкале. Прибор не требует специальной тепловой защиты, так как разряд конденсатора и процесс изменения объема воздуха происходят за столь короткий промежуток времени, что потерями тепла через стенки сосуда и другие детали прибора можно пре- небречь. Рассеяние же энергии после измерения не имеет отноше- ния к результатам опыта. Смещение столбика жидкости А/ оказывается пропорциональ- ным количеству выделенной в термоскопе теплоты. Действи- тельно, Q — Свозд * АЛ Рис. 1 167
1 2 Из уравнения Менделеева—Клапейрона определяют массу т = рУр RT а из уравнения закона Гей-Люссака — прирост температуры AV S-А/ Л ~ V-a~ V-a ’ где S —ллощадь сечения канала трубки. Подставляя выражения для т и А/, получают: Q = c ВОЗД S V-а М, т. е. Q = const-АГ Когда ключ находится в положении «1» (рис. 2), конденсатор заряжается до определенной разности потенциалов. Перевод ключа в позицию «2» позволяет разрядить его через прибор. Сна- чала проводятся опыты по выяснению зависимости между величи- ной энергии и емкостью конденсаторов при одном и том же напряжении. Для этого разряжают через термоскоп конденсатор Ci известной емкости, затем конденсатор С%, емкость которого в два раза больше, и т. д. Каждый раз записывают величину ем- кости и значение А/.», Затем исследуют, как энергия одного и того же конденсатора зависит от напряжения между его обкладками. Получаемые результаты подтверждают, что энергия конденсатора пропорцио- нальна его емкости и квадрату разности потенциалов между обкладками: п~си2. 168
В заключение сделаем несколько замечаний по технике экс- перимента. Для прибора наиболее подходящей является капил- лярная трубка, применяемая медиками при анализах крови. Кон- денсатор берут емкостью 1000 мкф и заряжают его до 6 в. При этом смещение столбика жидкости А/ составляет около 60 мм. Высота столбика жидкости (подкрашенный спирт) в капилляре равна 1,5—2 см. Нельзя допускать разрыва столбика. Для выве- дения начала столбика на нулевое деление шкалы можно вос- пользоваться винтовым зажимом, надетым на резиновую трубку, соединяющую капилляр с прибором. Изменяя его с помощью степени сжатия трубки, можно в некоторых пределах смещать столбик жидкости. Проволочка (использовался константан диа- метром 0,05 мм, длиной 15 см), помещенная в термоскоп, не должна касаться стенок сосуда. Прибор целесообразно смонтировать на вертикальной или наклонной панели. Капиллярная трубка должна занимать гори- зонтальное положение. А. А. Быков, Д. И. Рейнгарц, В. М. Терехов (Ленинград) ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ На факультативных занятиях по теме «Магнитные свойства вещества» можно предложить учащимся выполнить в практикуме опыты, иллюстрирующие свойства ферромагнетиков. Исследование зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от индукции намагничивающего поля Опыт проводят на установке, схема которой представлена на рисунке 1. В качестве исследуемого образца используется замкну- тый сердечник школьного универсального трансформатора. Катушка Li на 120 в этого трансформатора служит для измене- ния индукции Во намагничивающего поля. На нее подают напря- жение от клемм 0—250 в выпрямителя ВУП-1. Постоянный ток в цепи этой «управляющей» катушки регулируют в пределах до 200 ма. Для регистрации этого тока используют гальванометр от демонстра- ционного амперметра. Па- раллельно гальванометру включают шунт Ri. Сопро- тивление шунта зависит от типа гальванометра. Напри- мер, при использовании галь- ванометра в металлическом корпусе надо в качестве 12 Заказ № 2369 169
шунта применить «спираль на колодке» сопротивлением 1 ом, а для гальванометра в пластмассовом корпусе — спираль на колодке сопротивлением 0,5 ом. Вторая «измерительная» катушка L содержит (1200 + 2400) витков, служит для измерения индукции магнитного поля В сер- дечника. Индикатором в данном эксперименте является электронный осциллограф. Напряжение с резистора R = 200 ом подается на вер- тикальный канал осциллографа. Генератор развертки выключают. Тогда длина светящегося вертикального отрезка на экране про- порциональна амплитудному значению напряжения UR. В соот- ветствии с законом Ома для переменного тока UB = IR=^-R = (1) Z 1/ 2 Г(^+^+г)2+Хь где <§ — амплитудное значение ЭДС источника, г — внутреннее сопротивление источника, RL — активное сопротивление катушки L, a XR=(i)L — реактивное сопротивление этой катушки. При замкнутом сердечнике и частоте переменного тока 50 гц реактивное сопротивление катушки достигает 5—6 ком, что во много раз больше активного сопротивления цепи: Поэтому Ur XL ©L (2) В свою очередь индуктивность L «измерительной» катушки прямо пропорциональна магнитной проницаемости ц сердечника: где N — число витков, S — площадь сечения, I — длина катушки. Подставляя выражение (3) в формулу (2), получаем: и й G)|1|1oW2S Отсюда видно, что амплитудное значение напряжения на резис- торе R (а стало быть, и длина вертикального отрезка на экране осциллографа) обратно пропорционально магнитной проницае- мости р сердечника. Опыт проводится следующим образом. Регулируя напряжение на выходе выпрямителя, увеличивают силу тока в управляющей катушке. При этом растет индукция намагничивающего поля Во. Длина отрезка на экране осциллографа также растет, что свиде- 170
тельствует об уменьшении магнитной проницаемости ц. По точкам строят график зависимости величины, обратной длине отрезка на экране, от тока в управляющей катушке. Это и есть график зависимости р от Во в относительных единицах. Получить началь- ный участок возрастания магнитной' проницаемости в слабых полях в данном опыте не удается, так как максимум магнитной проницаемости у трансформаторной стали достигается лишь в очень слабых полях. Это, однако, не умаляет значения данного опыта, так ,как для практики наибольший интерес представляют более сильные поляг. Чтобы ток в катушке L определялся только ее индуктивно- стью, необходимо, чтобы трансформатор, образованный катуш- ками L и Lx, работал в режиме холостого хода (только в этом случае верна приведенная выше формула для UR). Для этого в цепь катушки Lx включают еще катушку Л2, обладающую боль- шим сопротивлением переменному току. Это может быть катушка на (1200 + 2400) витков, надетая на отдельный замкнутый сер- дечник. ' Использование осциллографа в качестве индикатора перемен- ного тока вызвано двумя причинами: 1) его чувствительность по переменному току превышает чувствительность стрелочных при- боров; 2) осциллограф позволяет контролировать отсутствие пульсаций выходного напряжения выпрямителя в цепи «управля- ющей» катушки (пульсации могут исказить результаты экспери- мента) : если отключить источник переменного напряжения 6,3 в в цепи «измерительной» катушки, закоротив клеммы подключения к источнику переменного напряжения, то амплитуда пульсаций (высота светящейся линии на экране) будет значительно меньше амплитуды сигнала при включенном источнике переменного напряжения 6,3 в. Описанная схема содержит основные элементы магнитного усилителя, широко применяемого в современной технике. Наблюдение петли гистерезиса В качестве исследуемых образцов можно взять обрезок водо- проводной трубы, сердечник универсального трансформатора и напильник. На образец надевают две катушки «220 в» от уни- версального трансформатора (рис. 2). Через катушку Lx, соединенную последовательно с резистором Rx = 30 ом, пропус- кают переменный ток от авто- трансформатора РНШ. Сигнал с резистора Rx подают на Х-вход. электронного осцилло- графа (генератор развертки осциллографа предварительно Рис. 2 12* 171
выключают). Мгновенное значение напряжения на резисторе Bi пропорционально мгновенному значению силы тока в катушке L\ и, следовательно, мгновенному значению индукции Во намагни- ченного поля. Значит, смещение светового пятна вдоль горизон- тальной оси экрана осциллографа пропорционально Во- Напряжение на катушке L2 пропорционально скорости измене- Дф Дф ния магнитного потока . В свою очередь, пропорцио- АВ нально ---, At т. е. скорости изменения индукции магнитного поля в исследуемом образце. Назначение так называемой интегрирую- щей цепочки, состоящей из резистора В2 и конденсатора С, — АВ превратить напряжение, пропорциональное , в напряжение, пропорциональное В. При соответствующем выборе Вг и С (В2=Ю ком, С = 4 мкф) напряжение Uc снимаемо'е с конденсато- ра С, пропорционально мгновенному значению магнитного потока Ф, который, в свою очередь, пропорционален мгновенному значе- нию индукции В магнитного поля в сердечнике. Интегрирующая цепочка действует следующим образом. Если активное сопротивление Вг значительно больше реак- тивного сопротивления цепи, то для мгновенного значения тока i можно записать: .__1 АФ В2 At Но i=^-; где д —мгновенное значение заряда на обкладках конденсатора С. Следовательно, Ад 1 АФ At R2 At ’ или . АФ А</— Отсюда: ф q=-^—l-const. Вг По условию опыта статический заряд на конденсаторе отсутст- вует и Ф 172
Поскольку q = CUc, то c~~CRz U или ис~в. Напряжение с конденсатора С подают на У-вход осциллографа. Следовательно, отклонение Луча по вертикали пропорционально В. Тем самым обеспечивается наблю- даемая на экране зависимость В от Во. Если материалом сердечника Рис.' 3 является высокоуглеродистая сталь (в качестве сердечника используется напильник), то на экране наблюдается достаточно большая по площади петля гистерезиса (рис. 3). На петле четко фиксируются харак- терные точки 1, 2, 3 и 4. Значение индукции В в точках 3 и 4' характеризует остаточное намагничивание, а значение индукции Bq намагничивающего поля в точках 1 и 2 — коэрцитивную силу. Для низкоуглеродистой мягкой стали (обрезок водопроводной трубы) петля гистерезиса получается значительно уже — остаточ- ное намагничивание и коэрцитивная сила невелики. Для трансформаторной кремниевой стали (ярмо сердечника от универсального трансформатора) вместо петли получается практически наклонная прямая. Остаточное намагничивание и коэрцитивную силу можно считать равными нулю. Магнитная индукция В линейно зависит от Во. Однако, если сердечник от универсального трансформатора замкнуть и установить на вы- ходе РНШ напряжение 220—250 в, то линейность нарушается и на экране видна узкая петля и участки магнитного насыщения. Наблюдение температурной зависимости магнитной проницаемости Как известно, если нагревать ферромагнетик, то при достиже- нии определенной температуры, называемой точкой Кюри, проис- ходит разрушение доменной структуры и ферромагнетик превра- щается в парамагнетик. Для наблюдения температурной зависи- мости магнитной проницаемости ферромагнетика удобно взять образец из алюмель-сплава (94% Ni, 2,5% Мп, 2% А1, 1% Si), применяемого при изготовлении термопар. Точка Кюри у алю- меля невысока — порядка 150°C, в то время как у железа она составляет 770 °C. Опыт осуществляют следующим образом. Собирают трансфор- матор с двумя небольшими катушками, разнесенными на 20— 173
50 мм, и незамкнутым сердечником в виде куска проволоки из алюмеля. Катушки содержат по 2—5 тысяч витков (можно ис- пользовать готовые катушки от электромагнитных реле). Одна из катушек питается переменным током от автотрансформатора РНШ. Сигнал со второй катушки подают на У-вход осциллографа (генератор развертки предварительно выключают). На экране воз- никает светящаяся вертикальная черта, длина которой пропорцио- нальна магнитной проницаемости алюмеля. Напряжение, подава- емое на первую катушку, регулируется таким образом, чтобы ток через эту катушку был близок к максимально допустимому (по- рядка 50—150 ма); при этом надо следить за тем, чтобы в течение 15—20 мин не вызвать перегрева катушки. Затем нагревают алю- мелевую проволоку пламенем спиртовки или спички. При температуре 150 °C длина светящейся черты на экране осциллографа резко уменьшается. При охлаждении сердечника его магнитные свойства восстанавливаются. Если поместить транс- форматор в сушильный шкаф, снабженный термометром, то можно построить по точкам график зависимости длины вертикаль- ной черты на экране осциллографа, пропорциональной магнитной проницаемости алюмеля, от температуры. Весьма интересно исследовать температурную зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика в слабых намагничи- вающих полях. Понижая напряжение на выходе РНШ, умень- шают силу тока в первичной обмотке настолько, чтобы при макси- мальном усилении в У-канале осциллографа сигнал со вто- рой обмотки еще четко наблюдался. При нагревании сердечника примерно до 90°С магнитная проницаемость остается почти посто- янной, затем она начинает расти и достигает максимума при 140— 145°С. При дальнейшем повышении температуры магнитная про- ницаемость резко уменьшается. Этот результат выступает тем эффективнее, чем слабее намагничивающее поле. Увеличение магнитной проницаемости ферромагнетика вблизи точки Кюри носит название эффекта Топкинсона. Объясняется этот эффект снятием анизотропии намагничивания ферромагне- тика в слабых внешних полях при приближении к точке Кюри. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПО АСТРОНОМИИ А. Д. Марленский, А. Г. Восканян * (Москва) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ СОЛНЦА В основе астрофизических методов познания небесных тел лежит всестороннее качественное и количественное изучение , поступающих'от них электромагнитных излучений. Самыми чувст- вительными приемниками излучений небесных тел в области видимых, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей являются 174
Отверстие в насадке Рис. 1 фотоэлементы. Использование фотоэлементов в специальных схе- мах (фотоумножители, усилители электрических сигналов) позво- ляет регистрировать отдельные кванты приходящих излучений. Если при этом учесть, что фотоэлектрические методы по срав- нению с визуальными и фотографическими являются еще и более точными, то легко понять, почему они получили столь широкое распространение в современных астрономических исследованиях. Поэтому и учащихся средней школы следует познакомить в об- щих чертах с тем, как проводятся фотоэлектрические наблюдения небесных тел. Опираясь на материал, содержащийся в учебнике, и используя таблицу «Астрофизические методы наблюдений»1, можно по- яснить сущность фотоэлектрического метода наблюдений. Эти пояснения надо дополнить демонстрацией простейших фотоэлект- рических наблюдений. Самым подходящим небесным объектом для этой цели является Солнце, изображение которого проеци- руют с помощью телескопа на экран. Поскольку изображение диска Солнца на экране имеет относи- тельно небольшие размеры, то необходимо иметь миниатюрный приемник света, который позволял бы сравнивать яркости различ- ных деталей солнечного диска, в том числе солнечных пятен. Наи- более подходящим для этих целей является выпускаемый про- мышленностью германиевый фотодиод типа ФД-1. Чувствитель- ность этого фотодиода позволяет без посторонних источников тока и усилителей регистрировать фототоки с помощью демонст- рационного гальванометра (от амперметра). Для удобства проведения опыта целесообразно фотодиод’ закрепить на рукоятке, а на его активную часть надеть насадку- диафрагму. На рисунке 1 показан в разрезе фотодиод ФД-1 с насадкой- диафрагмой. Насадка состоит из спаянных между собой цилиндра 1 Левитан Е.'П., М и х а й л о в А. А. и др. Таблицы по астрономии, М., 1970. 175
и круга с отверстием в середине. Размеры цилиндра насадки выбирают так, чтобы он свободно надевался на фотодиод и удер- живался на трении. Вся насадка изготавливается из тонкой луже- ной жести и окрашивается в белый цвет.^ Диаметр внутреннего отверстия 1 —1,5 мм. На круге насадки (диаметр около 15 мм), как на экране, хорошо можно видеть изображения различных деталей солнечной поверхности и смещать .их по направлению к отверстию, имеющемуся в центре насадки. Электрические выво- ды фотодиода удлиняют при помощи других проводов, проходя- щих внутри рукоятки. Фотоэлектрические наблюдения проводятся так. К окулярному концу школьного телескопа-рефрактора крепят солнечный экран с наклеенной белой бумагой. Для уменьшения влияния посторон- него рассеянного света на получаемое изображение. Солнца экран следует оградить трехгранным раструбом из картона, причем так, чтобы лучи, идущие от окуляра, проходили внутри него. Внутрен- ние поверхности раструба надо окрасить черной краской. Для того чтобы солнечные лучи не мешали отчетливо наблюдать детали изображения солнечного диска, спроецированного на экран, раскрытая сторона раструба должна быть немного повер- нута вниз. После общего обозрения солнечного диска, при котором обра- щают внимание учащихся на уменьшение его яркости по краям, на строение и расположение солнечных пятен и факельных полей, приступают к фотоэлектрическим наблюдениям. Для этого рядом с телескопом ставят демонстрационный гальванометр с подклю- ченным к нему фотодиодом. Передвигая фотодиод по изображе- нию солнечного диска на экране, наблюдают за отклонениями стрелки гальванометра и убеждаются в том, что яркость диска в разных участках неодинакова. Для построения точной кривой яркости вдоль диаметра сол- нечного диска и определения на ее основе температур следует закрепить фотодиод в середине экрана так, чтобы он одновре- менно находился в середине солнечного диска. Затем точкой отме- чают на экране положение какой-либо детали на солнечном диске. Когда через минуту эта деталь вследствие суточного вращения Земли сместится на экране, то второй точкой отмечают новое ее положение и через эти точки проводят прямую — суточную парал- лель. Если сместить трубку телескопа в направлении суточного вращения, то изображение солнечного диска выйдет за фотодиод. Через некоторое время солнечный диск вследствие суточного вра- щения станет надвигаться на фотодиод, причем так, что послед- ний пересечет солнечный диск по диаметру. Установив рядом с гальванометром метроном, ждут, когда край солнечного диска коснется фотодиода. В этот момент один из учеников начинает четкий отсчет секундных ударов метронома: «Ноль, один, два, три и т. д.». Остальные учащиеся делают отсчеты положений стрелки гальванометра на соответствующие секунды. Так как 176
стрелка вначале движется достаточно быстро и сразу не удается добиться хороших результатов, наблюдения повторяют несколько раз. Можно при этом одному из учащихся дать задание записы- вать отсчеты гальванометра в моменты: 0, 5, 10, 15, ... сек, а вто- рому — в моменты 1, 6, 11, 16, ... сек, третьему в моменты 2, 7, 12, 17, ... сек. и т. д. На основе средних значений для каждого отсчета строят график, откладывая по горизонтальной оси время, а по вертикальной — показания гальванометра (рис. 2). Посколь- ку скорости отклонения стрелки гальванометра значительны в начале и конце наблюдений, а в середине они малы, то на графике для начальных и конечных участков кривой следует наносить точки через секундные интервалы, а в середине — через 5 или даже 10 сек. После получения отсчетов вдоль диаметра солнечного диска фотодиод подводят под солнечные пятна. Если пятно достаточно большое, то отсчеты производят отдельно для его тени и полу- тени. । Построив график изменения яркости вдоль диаметра солнеч- ного диска и обсудив его, предлагают учащимся начертить гра- фик изменения температуры вдоль солнечного диаметра. По- ясняют при этом, что показания гальванометра можно считать прямо пропорциональными энергии попадающего в фотодиод света. Сообщают также, что температура в центре солнечного диска равна 6300°К. Согласно формуле Стефана—Больцмана энергия излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой сте- пени температуры: E=g-T\ 177
где о — постоянная, равная 5,67-10~8 вт/ (м2-град4). Отсюда сле- дует, что энергии излучений двух одинаковых по площади участ- ков солнечного диска будут связаны с их температурами следую- щим образом: £2 П’ Учитывая, что отсчеты гальванометра пропорциональны попа- дающим в фотодиод потокам световой энергии, а также что пло- щадь отверстия фотодиода при всех измерениях одинакова, мож- но записать: Считая, что отсчету ц, произведенному в центре диска, соот- ветствует температура 6300°К, можно определить температуры в остальных местах солнечного диска: 4 ___ Т2=63Оо1/—. г li На рисунке 3 показана полученная в одном из опытов кривая распределения температур вдоль солнечного диаметра. Построена она на основе графика яркости. Так же отмечена температура солнечного пятна. 178
К наблюдателю После этого необходимо рассмотреть физические причины по- темнения изображения солнечного диска к краю. При помощи рисунка-4 легко показать, что излучающая способность фото- сферы зависит от угла наблюдения и объясняется на основе непрозрачности солнечного вещества и естественного уменьшения температуры вверх. Приходящие к нам излучения от различных участков солнечного диска представляют собой излучения различ- ных по глубине слоев Солнца. Суммарная же энергия излучения Солнца равна излучению такого же по размерам тела с темпе- ратурой 6000°К. Эту температуру принято называть эффективной. Как видно из приведенного графика, температура центральной части диска выше, а по краям диска ниже эффективной темпера- туры Солнца.
ВНЕКЛАССНАЯ РАБОТА П. П. Лугов, В. М. Парамонов (Ставрополь) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ СИГНАЛОВ В ШКОЛЕ Сконструированное и построенное нами при активном учас- тии членов физико-технического кружка автоматическое устрой- ство предназначено для звуковой и световой сигнализации, свя- занной с учебным процессом. Оно выполняет следующие функции: включает и выключает школьные звонки строго по расписанию; включает и выключает световые табло с надписями, указы- вающими номер смены, номер урока в данной смене, номер пере- мены, названия дней недели (кроме воскресенья); включает и выключает установленные на каждом из четырех этажей свето- вые табло с надписями «Спешите на урок» (за две минуты до начала урока) и «Тише: идут уроки!» (в течение всего урока). Довольно длительная эксплуатация автомата в условиях нашей школы показала надежность в работе и целесообразность применения этого устройства. Автомат состоит из следующих основных узлов: 1) датчика времени (настенные маятниковые часы с двух- недельным заводом); 2) двух шаговых реле, имеющих по восемь контактных рядов; 3) одного электромагнитного реле, срабатывающего при не- большом напряжении и малой силе тока; 4) трех электромагнитных реле, срабатывающих при напря- жении 24 в: одно из них должно иметь четыре группы замыкаю- щих контактов, а в двух других используются только по одной группе замыкающих контактов; 5) двух тепловых реле, срабатывающих при напряжении 12 щ одно из которых имеет размыкающие контакты, а другое — за- мыкающие; 6) блока питания, состоящего из силового трансформатора с несколькими вторичными обмотками и выпрямителей на полу- проводниковых диодах; 7) шести световых табло с соответствующими надписями. В общих чертах работа устройства состоит в следующем (рис. 1). Когда датчик времени (минутная стрелка часов) замы- кает цепь промежуточного реле Pi, то сработает электромагнитное 180
реле Р2, контакты которого 4—4 замыкают цепь электрического звонка. Наряду со звуковым сигналом подаются и соответствую- щие световые сигналы, включение которых обеспечивается соот- ветствующими ламелями и гребенками шаговых реле ШР{ и ШР2. Схема устройства (рис. 2 на вкладке). На циферблате часов по окружности, описываемой концом минутной стрелки против цифр 1, 2, 3, ..., 12, устанавливаются по два контакта. Один кон- такт из каждой пары располагается точно против деления, соот- ветствующего данной цифре, а другой — на два деления (две минуты) раньше. На окружности, описываемой концом часовой стрелки, против деления, соответствующего цифре 7, устанавли- вается один дополнительный контакт. От каждого из нужных контактов при помощи пайки отводится тонкий изолированный проводник. Затем все проводники сплетаются в один общий жгут и концы каждого из них в номерном порядке припаиваются к кон- тактам платы, укрепленной на внутренней стенке футляра часов. От противоположных контактов платы отводится сквозь отверстие в боковой стенке футляра часов такое же количество скрученных в жгут проводников. Другие концы этих проводников (также в номерном порядке) подключаются к штырькам вилки штепсель- ного разъема. Розетка с гнездами этого разъема укреплена на футляре, в котором смонтировано все устройство. Разрыв между контактами,на плате необходим для удобства задания автомату нужной программы. Это делается путем соединения проводника- ми определенных номеров левых контактов платы с определен- ными номерами правых (согласно расписанию звонков). Провода от розетки с гнездами в номерном порядке (1, 2, ..., 12) подключаются к первой ламели шагового реле ШР^. Нулевой провод, связанный с дополнительным контактом 7 на циферблате часов, проходит через замыкающие контакты БК-1, укрепленные на шаговом реле ШРХ сбоку. Остальные контакты ламели Лх оста- ются незанятыми, а свободные контакты ламели Л2 (с 19-го по 181
26-й) закорачиваются для обеспечения самохода шагового реле и установки всех его гребенок в первоначальное положение. Как видно из схемы, ламель Л2 и гребенка обеспечивают вклю- чение (в нужное время) электромагнитного реле Р3, замыкающие контакты которого включают подсветку надписи «Спешите на урок» (за две минуты до урока). У ламели Л3 закорачивают все контакты с .нулевого до 18-го. Она обеспечивает включение подсветки надписи «Смена». Ламель Л4 с гребенкой включают световое табло с номерами уроков или перемены. Контакты этой ламели, начиная с 4-й, сое- динены в группы: 4—5—6, 7—8—9, 10—11—12, 13—14—15, 16—17 и отдельно 18 (перед шестым уроком предварительный звонок не дается — пятиминутная перемена). Назначение и способ вклю- чения ламелей и Ла ясно из схемы. Причем 19-й контакт ламели Л6 обеспечивает включение второго шагового реле ШР2, которое предназначено только для включения подсветок к надпи- сям, указывающим дни недели и номер смены. Поэтому в нем использованы только две ламели (Л{ и Л2), в которых включены контакты с нулевого по 23-й включительно. Контакты с 24 по 26-й закорочены для обеспечения самохода шагового реле ШР2 и уста- новки его в исходное положение. Изолированные контакты на циферблате соединяются с «мас- сой» часов через легкие пружинящие ползунки, припаянные к концам минутной и часовой стрелок. Работа основного узла. Пусть, например, ползунок минутной стрелки коснулся контакта «6» (7 ч 30 мин — сигнал на линейку дежурных по школе). Цепь выпрямителя на 12 в будет замкнута и ток пойдет по следующему пути: вывод «+12 в» — катушка реле Pi — гребенка ламели Л1 — 1-й контакт ламели Л1 и далее через соединенные между собой 1-й и 6-й кон- такты на плате, через 6-й контакт на циферблате часов, минутную стрелку и «массу» часов к выводу «—12 в» источника. Промежу- точное реле Pi сработает. Его контакты замкнут цепь катушки электромагнитного реле.Р2, питающегося от выпрямителя на 24 в. При этом ток пойдет по следующему пути: вывод « +24 в» — об- мотка реле Р2 — размыкающие контакты теплового реле РТу — замыкающие контакты реле Pi, вывод «—24 в». Все четыре груп- пы замыкающих контактов реле Р2 (1 — 1, 2—2, 3—3, 4—4) сра- ботают: будут замкнуты цепь звонка на 220в (контакты 4—4), цепь теплового реле PTi (контакты 3—3), цепь шагового искателя ШР1 (контакты 2—2). Якорь ШРХ будет притянут к сердечнику катушки. Контакты 1—1 блокируют контакты реле Pi и реле Р2 получает питание независимо от надежности контакта между ползунком минутной стрелки и соответствующим контактом на циферблате часов. Продолжительность звукового сигнала определяется не про- должительностью нахождения ползунка минутной стрелки на контакте (это очень долго — до 40—50 сек), а временем срабаты- 182
вания теплового реле РТ{ (у нас — порядка 12—15 сек). Как только тепловое реле РТ\ сработает, связанные с ним контакты разомкнутся и выключится реле Р2. Все его контакты разомкнут- ся; тем самым разомкнутся цепи звонка катушки ШРХ. Гребенки ШРЛ перескочат на соседний контакт, и прибор будет готов к новому импульсу. Следующий сигнал будет подан в 7 ч 58 мин (за 2 мин до урока), когда минутная стрелка коснется этого кон- такта, так как на плате левый контакт «12, а» соединен с правым контактом «2». Затем последует сигнал в 8 ч (на первый урок), так как на плате левый контакт «12,6» соединен с правым кон- тактом 3). И так всю смену по расписанию. Когда прозвучит звонок с последнего урока (18-й контакт ламели Л\), гребенки ШРХ переместятся на 19-й контакт и нач- нется самоход, который установит гребенки в исходное положение. Для этой цели установлено второе тепловое реле РТ2 с размыка- ющим контактом. Самоход работает следующим образом. Начиная с 19-го кон- такта ламели Л2 вторая гребенка через контакт, связанный с яко- рем ШРЪ подключает обмотку второго теплового реле РТ2 к источнику питания (~ 11 в). Как только сработает это реле, вклю- чится катушка ШР{ и якорь этого шагового реле притянется к сердечнику катушки и разомкнет связанный с ним контакт. При этом обесточится обмотка теплового реле РТ2. Через некоторое время после остывания биметаллической пластинки контакты реле РТ2 разомкнут цепь питания обмотки шаго- вого реле и его щетки перескочат на следующий контакт (20-й). Контакты на якоре шагового реле замкнутся, подадут питание на обмотку теплового реле РТ2, и все повторится сначала. Этот про- цесс происходит до тех пор, пока первые концы гребенок не соско- чат с 26-гсг контакта, а их вторые концы не станут на исходный 1-й контакт. Начиная с этого момента цепь питания обмотки теплового реле прерывается (гребенкой) и самоход прекращается. Чтобы такая работа шагового реле могла быть обеспечена, один из выступов на валу его щеток (2-й), управляющих работой боковых контактов (5К-1, БК-2, БК-3), нужно удалить. Остав- шийся один выступ после последнего по программе самохода (после 6-го урока второй смены) замыкает контакт БК-1 и раз- мыкает контакт БК-2, обесточивая систему самохода. Это про- изойдет в тот момент, когда второй конец каждой из гребенок окажется на 26-м контакте, а первый конец — на нулевом кон- такте. Вся система отключается от источников питания на всю ночь с 19 ч 20 мин до 7 ч утра следующего -дня. В семь часов утра, когда часовая стрелка своим ползунком коснется контакта циферблата около цифры 7, система через боковой контакт БК-1 будет включена, сработает шаговое реле ШР{ и все его гребенки переместятся с нулевых контактов на пер- вые контакты ламелей. Система готова к работе на следующий учебный день. 183
В субботу после звонка с шестого урока второй смены и сраба- тывания самохода систему отключают от сети вручную, а в поне- дельник (до 7 ч утра) вручную включают прибор. Система будет готова к работе снова на целую учебную неделю. В случае перерыва в работе автомата (прекращение подачи электроэнергии, праздничные дни, каникулы) появляется необхо- димость установки шаговых реле в нужное начальное положение. Для этого пользуются кнопочными включателями К\ и К2. Дополнительная сигнализация. Описываемое автоматическое устройство позволяет установить ряд дополнительных сигналов: какая идет смена, какой урок, какая перемена; после предвари- тельного звонка призывает учащихся спешить на урок, а во время урока предупреждает о соблюдении тишины. Кроме того, еще указывается день недели. Номер смены (надписи «1-я» и «2-я») подсвечиваются лам- почками, включенными при помощи второй гребенки и ламели ШР2, все четные контакты которой (с нулевого по 22-й включи- тельно) закорочены и соединены с надписью «1-я», а нечетные контакты тоже закорочены и соединены с надписью «2-я». Когда гребенка стоит на одном из нечетных контактов, загорается лам- почка, подсвечивающая надпись «1-я», а когда она установится на одном из четных контактов, подсвечивается надпись «2-я». Лампочки, подсвечивающие надписи с указанием дней недели, включаются при помощи ламели Л\ и гребенки ШР2, причем кон- такты ламели попарно закорачиваются с тем расчетом, чтобы надпись (например, «Понедельник») высвечивалась как в первую, так и во вторую смену (соединяют нулевой с первым контактом, И 12-й — с 13-м, второй с третьим и 14-й с 15-м и т. д.). Ведь во время самохода ШР1 гребенки ШР2 перемещаются только на один соседний контакт. Для установки в исходное положение шагового реле ШР2 осуществляется самоход, для чего свободные контакты первой ламели ШР2 (24, 25) закорачиваются (26-й кон- такт остается свободным). При переходе щетки на 24-й контакт замыкается цепь катушки шагового реле ШР2. Якорь шагового искателя притягивается и размыкает контакты, связанные с ним. Цепь питания ШР2 размыкается, и все повторяется, пока первый конец первой щетки не соскочит с 25-го контакта, а второй конец не окажется на нулевом контакте. Боковые контакты БД-3 на шаговом реле ШРХ обеспечивают отключение ламп на ночь. Подсветка надписи «Спешите на урок» включается при помощи контактов 1—1 электромагнитного реле Рз, управляемого ламелью Л2 шагового реле ШР^. Реле Рз пита- ется от источника постоянного напряжения на 24 в, причем ток идет по пути: +24 в, один из контактов (3-й, 6-й, 9-й, 15-й) второй ламели, гребенка второй ламели, катушка реле Рз «—24 в». Когда вторая гребенка ламели Л2 будет на одном из контактов 3, 6, 9, 15, реле Р3 сработает и его контакты 1 — 1 замкнут на 2 мин цепь подсветки надписи «Спешите на урок (220 в). 184
Включение надписи «Смена» обеспечивается ламелью Л3 шагового реле ШР{. Подсветка надписей, указывающих номер урока или перемены, управляется четвертой ламелью ШР\, а надписей «Перемена», «Идет урок» — пятой ламелью. Световой сигнал «Тише, идут уроки!» включается при помощи замыкающего контакта 1—1 электромагнитного реле Р4, управ- ляемого шестой ламелью ШР\. Контакты этой ламели 4, 7, 10, 13, 16 и 18 закорачивают и подключают к выводу «4-24 в» выпрями- теля, а вывод «—24 в» соединяют с обмоткой реле Р4 и гребенкой шестой ламели ШРХ. Этот световой сигнал включен в течение всего урока (45 мин). Изготовление отдельных узлов и световых табло. 1. Контакты на циферблате часов устанавливаются только у тех цифр, которые используются в расписании звонков. Для установки каждого из контактов сверлят два отверстия диаметром 1 —1,5 мм вдоль радиуса на расстоянии 5—7 мм одно от другого (около окружно- сти, описываемой концом минутной стрелки). В эти отверстия через изоляционные втулки (кусочки полихлорвиниловой изоля- ции провода) пропускают посеребренный или никелевый провод- ник и с обратной стороны скручивают концы. Дополнительный контакт на окружности, описываемой концом часовой стрелки, устанавливают против цифры таким же способом. Особенно нужно заботиться о тщательной изоляции контактов от «массы» циферблата. 2. Блок питания состоит из понижающего трансформатора, имеющего четыре вторичные обмотки на различное напряжение, трех полупроводниковых выпрямителей с простейшими фильт- рами. Сердечник трансформатора набран из железа Ш20Х35. Пер- вичная обмотка имеет 1320 витков провода ПЭЛ-0,12. Обмотка II рассчитана на 12 в; она имеет 2X78 витков ПЭЛ-0,2. Обмотка III рассчитана на 24 в и имеет 2Х 156 витков ПЭЛ-0,25. Обмотка IV рассчитана на 48—50 в и имеет 2x320 витков ПЭЛ-0,41. Обмотка V служит для питания обмоток тепловых реле и маловольтных лампочек подсветки; она рассчитана на 11 в и имеет 71 виток ПЭЛ * 1,0. В качестве фильтров в выпрямителях использованы ма- логабаритные электролитические конденсаторы на 20—50 мкф. В выпрямителях применены полупроводниковые диоды типа Д226Д или Д7Г. 3. Все основные узлы автоматического устройства смонтиро- ваны на общей стальной плите размером 30x60 см, которая явля- ется дном деревянного ящика. Используемые детали. Электромагнитные реле: Pi — типа РКМ на ток срабатывания 5—10 ма при 12 в, Р2, Р3, Р4 — типа МКУ-48 на напряжение 24 в и ток срабатывания 24—30 ма. Теп- ловые реле PTi и РТ2 рассчитаны на 11 в (реле РТ имеет размы- кающие контакты, а реле РТ2 — замыкающие контакты). 13 Заказ № 2369 185
Шаговые реле ШРХ и ШР2 берут обратного хода типа ШИ-23 на 48 в. Каждое из них имеет по восемь контактных полей (ламе- лей), на 25 рабочих контактов каждая. Кроме того, у них имеются три боковых контакта (БК-1, БК-2, БК-3), управляемых высту- пами, расположенными на валу гребенок, и два контакта, связан- ных с работой якоря. Данное автоматическое устройство может быть изготовлено силами учителей физики и труда. Но обязательно надо привлечь учащихся. Их следует разделить на группы и каждой из них пору- чить изготовление того или иного узла. Общий монтаж должен быть выполнен под наблюдением учителя. Работой над автоматом могут заинтересоваться школьные радиолюбители. Хотя эта работа и трудоемкая, но результаты ее вызывают чувство боль- шого удовлетворения, так как изготавливаемый автоматический робот заменяет труд человека, работая по заданной программе.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ И СОВЕТЫ В. В. Воронков (Орел) К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ «ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПО ПАРАБОЛЕ» Чтобы движущийся шарик оставлял след на бумаге, т. е. вы- черчивал параболу, надо на фанерный щит положить лист белой бумаги, а сверху — лист свежей копировальной бумаги. Скаты- ваясь с лотка, шарик движется по копировальной бумаге и остав- ляет четкий след (параболу) на белой бумаге. В. И. Илюхин (г. Березняки Пермской обл.) ОПЫТ С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТЬЮ Форму поверхности вращающейся жидкости хорошо мож- но наблюдать, если вращать на центробежной машине со скоро- стью около 1 об!сек кювету с прозрачными стен,ками. Длина кюветы 75 см, ширина 6 см, высота 12 см (см. рис.). Торцо- вые стенки кюветы загну- ты, чтобы жидкость при вращении не выливалась. С такой кюветой можно также показать разделе- ние жидкостей по плотно- сти. Е. А. Перепелица .(Киев) ОПЫТЫ СО ШКОЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ СЧЕТЧИКОМ-СЕКУНДОМЕРОМ / Счетчик-секундомер ССЭШ-63 позволяет проводить демонст- рации, требующие точного отсчета времени. Кроме опытов, опи- санных в инструкции к прибору, можно вести счет колебаний и оборотов, измерять интервалы времени и т. д. 13* 187
С 200 мкф. Рис. 2 К входу счетчика Рис. 1 Рис. 3 Для автоматического счета числа колебаний и числа оборотов и для измерения интервалов времени можно изготовить к ССЭШ-63 приставку, представляющую собой реле времени (рис. 1), которое обеспечивает выдержки в 1 сек, 10 сек и т. д. Определение частоты вращения. Для проведения опыта нужно изготовить контактный датчик, представляющий собой нормально разомкнутые контакты, которые приходят в замкнутое состояние под действием кулачка, надеваемого на вал двигателя (рис. 2). Переключатель рода работы ССЭШ-63 ставят в положение «Ме- ханическое замыкание», а к входу счетчика подключают датчик. При каждом обороте вала двигателя кулачок замыкает контакты датчика: при этом счетная часть прибора регистрирует один им- пульс. При необходимости определить число оборотов за некото- рый заданный интервал времени датчик подключают к ССЭШ-63 через контакты реле времени. Определение частоты колебаний. Для определения частоты колебаний нужно иметь фоторезистор ФСК-К (из набора полу- проводниковых приборов), поляризованное реле РП-5 на под- ставке, осветитель. В применяемой установке колеблющееся тело пересекает световой луч, идущий к фоторезистору от осветителя. При этом фотореле срабатывает и замыкает вход счетчика. Счет- ная часть прибора регистрирует один импульс. Схема установки показана на рисунке 3. Эту установку можно использовать для демонстрации автоматического счета деталей на конвейере и зависимости периода колебаний маятника от длины нити (или периода колебаний груза на пружине от массы груза). При этом переключатель рода работы счетчика ставят в положение «Секун- ды». Шарик маятника отводят на малый угол. В этом положении он удерживается электромагнитом из набора к ССЭШ-63 188
и перекрывает поток света, падающий на фоторезистор.. При кратковременном размыкании поданного на электромагнит на- пряжения шарик сделает одно колебание и возвратится в исход- ное положение. Счетная часть прибора зафиксирует время одного периода колебаний. Изменяя длину нити маятника (массу груза), демонстрируют изучаемую закономерность. И. Т. Бовин (Воронеж) ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ ОТ РОДА ВЕЩЕСТВА Расположив над отверстием цилиндрической мензурки на 250 мл звучащий камертон на 440 гц, льют в нее воду до тех пор, пока не наступит резонанс воздушного столба. До такого же уровня заполняют водой и вторую мензурку. Помещая звучащий камертон то над одной, то над другой мензуркой, убеждаются в том, что в обоих случаях имеет место резонанс. Наклонив над отверстием одной из мензурок сосуд с эфиром, заполняют парами эфира пространство в мензурке над водой. Теперь усиление звука наблюдается при поднесении звучащего камертона лишь к мензурке, в которой нет паров эфира. Столб смеси воздуха с парами эфира будет резонировать лишь в том случае, если в мензурку добавить определенное количество воды. Зная, что высота резонирующего столба газа в открытой мен- зурке составляет четверть длины звуковой волны, можно запи- сать: u1 = 4/iv и ^2=4/2v, где /1 — высота резонирующего столба воздуха, а /2 — длина резонирующего столба смеси воздуха с парами эфира. Так как Z2</i, то v2<t>i, т. е. скорость звука в смеси воздуха с парами эфира меньше, чем в чистом воздухе. Можно продемонстрировать зависимость скорости звука от концентрации паров эфира. Для этого, добившись резонанса воз- душного столба в мензурке, повышают уровень воды в ней после- довательно на 1, 2, 3, 4, 5 см и подносят каждый раз звучащий камертон к отверстию мензурки. Для получения резонанса в каж- дом случае приходится «доливать» определенное количество паров эфира. Таким образом можно уменьшить скорость звука в смеси воздуха с парами эфира до 250 м!сек. 189
П. П. Головин (ст. Охотничья Ульяновской обл.) МОДЕЛЬ ДИПОЛЯ При изучении темы «Поляризация диэлектриков» в IX классе можно использовать следующую модель диполя. На концы тонкой стеклянной трубки длиной 15—20 см насаживают два теннисных шарика, покрытых проводящим слоем графита. Для того чтобы насадить шарики на стеклянную трубку, необходимо последнюю слегка нагреть на спиртовке. Полученную модель диполя подве- шивают при помощи нити, как показано на рисунке. Если теперь -шарики зарядить разноименно и ввести в электростатистическое поле между двумя пластинами, то ось диполя установится вдоль силовых линий электростатиче- ского поля. Если перезарядить шарики, то ось диполя меняет свою ориентацию на 180°. Электростатическое поле меж- ду пластинами создается электро- форной машиной. М. П. Марденов (г. Ермак Казахской ССР) ДЕМОНСТРАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОВОДНИКА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ Для проведения опыта берут электрическую лампу мощностью 60—100 вт и осторожно надрезают стеклорезом колбу для осво- бождения от нее. Цоколь лампы ввертывают в патрон, который закрепляют на штативе. Затем составляют электрическую цепь по схеме, показанной на рисунке. В цепи используется школьный демонстрационный гальвано- метр, зашунтированный реостатом на 1 —10 ом, и аккумулятор на 6—10 в. Перед замыканием цепи реостат, полностью выводят. Замкнув цепь, увеличивают постепенно сопротивление реостата, пока стрелка гальванометра не установится на второй половине шкалы. Затем приближают к спирали лампы зажженную спичку. При этом стрелка гальванометра за- метно отклоняется влево (сила тока уменьшается). 190
И. Л. Меламедов (Киев) ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ СО ВСТРОЕННЫМ ОТРАЖАТЕЛЕМ В КАЧЕСТВЕ ДИОДА В узкопленочных кинопроекторах типа «КПП!» и «Радуга» применяется проекционная электрическая лампа накаливания типа К21-150 со встроенным алюминиевым отражателем. Она рассчитана на 21,5 в, 150 вт. Ее можно использовать на уроках в качестве вакуумного диода: отражатель служит анодом, а нить накала — катодом. На опыте нами получены следующие данные зависимости анодного тока 1а от анодного напряжения Ua при различных на- пряжениях UH на нити накала: [/н=8в Ua, в 0 85' . ПО 135 150 175 190 1а, мка 0 16 33 59 78 115 145 UH=9e Ua, в 0 80 105 130 150 170 1а, мка 0 17 35 60 90 123 (7н=10в U а, в 0 80 “105 130 150 1а, мка 0 20 40 69 101 Лампу К21-150 можно применять как для проведения демон- страций на'уроках, так и на лабораторных занятиях. 191
П. И. Солоненко (Кемерово) ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТЕ Устройство прибора понятно из рисунка. Основой прибора является цилиндрический сосуд, склеиваемый из органического отекла. Он состоит из пластины и кольца. Внутрь этого кольца вставляют металлическое кольцо, которое служит одним из элект- родов. От него сделан вывод к клемме, установленной на плас- тине. Вторым электродом служит металлический стержень, укрепляемый по оси цилиндрического сосуда. Этот стержень •сверху также снабжен клеммой. К основанию прибора снизу прикрепляют железный диск, на котором силой притяжения будет удерживаться один из кольце- вых керамических магнитов. Другой магнит надевается на стер- жень и удерживается на нужной высоте резиновой пробкой. На конец стержня надевают плавающий диск, изготавливаемый из пенопласта (предварительно его раскрашивают). Для проведения опыта нали- вают в сосуд какой-нибудь элект- ролит, например раствор медного купороса. При пропускании тока через электролит последний при- ходит во вращение, что хорошо видно по вращению плавающего диска. Для лучшей видимости вращения диска можно применить наклонное зеркало. И. А. Улаев (с. Воронцово Воронежской обл.) ПРОЯВЛЕНИЕ СИЛЫ ЛОРЕНЦА Опыт проводится с помощью демонстрационного вакуумного диода. Собирают установку по схеме, приведенной на рисунке. В анодную цепь лампы включа- ют гальванометр от школьного демонстрационного амперметра. Изменяя анодное напряжение или напряжение накала (в допу- 192
стимых пределах), добиваются отклонения стрелки галь- ванометра на всю шкалу. Затем надевают на баллон лампы подковообразный магнит. При этом анодный ток умень- шается. Это объясняется тем, что на электроны, движущие- ся от катода к аноду, действует сила Лоренца и искривляет их траекторию, из-за чего часть электронов не попадает на анод. Можно вместо постоянного магнита применить электромагнит. Для этого берут сердечник от универсального трансформатора без замыкающего ярма. На сердечник надевают одну из катушек трансформатора. Изменяя силу тока в катушке и число витков в ней, наблюдают изменение силы тока в анодной цепи лампы. Это показывает, что сила Лоренца зависит от индукции магнитного' поля. В. И. 'Бурдин (г. Вихоревка Иркутской обл.) ЭДС САМОИНДУКЦИИ ПРИ РАЗРЫВЕ И ЗАМЫКАНИИ МАГНИТОПРОВОДА При изучении явления самоиндукции полезно продемонстри- ровать опыт, показывающий возникновение ЭДС самоиндукции при разрыве и замыкании магнитопровода. Этот эксперимент дает возможность проиллюстрировать направление ЭДС самоиндук- ции, а также показать, что ЭДС самоиндукции возникает не только при изменении электрического тока в цепи, но и магнит- ного потока, связанного с током в контуре по любой другой при- чине. Схема установки показана на рисунке. Катушка индуктив- ности L — это одна из катушек школьного универсального транс- форматора, надетая на сердечник. Индикатором силы тока в цепи служит лампочка карманного фонаря на 3,5 в. Параллельно лам- почке включен демонстрационный вольтметр на 5 в. В цепь вклю- чен источник с напряжением около 5 в. При замыкании выключателя вольтметр покажет падение на- пряжения на лампочке. При резком разрыве сердечника происхо- дит уменьшение магнитного потока в катушке. Согласно правилу Ленца ЭДС, возникающая в катушке, в этом случае совпадает по* направлению с ЭДС источника и лампочка кратковременно^ вспыхнет, а отброс стрелки вольтметра происходит в сторону уве- личения напряжения. При замыкании магнитопро- вода яркость свечения лампочки кратковременно уменьшается, а отклонение стрелки вольтметра происходит в сторону уменьшения напряжения. Это указывает на то, что ЭДС самоиндукции направ- лена против ЭДС источника тока. 193
Д. Ф. Хахулин (г. Элиста) ЭДС САМОИНДУКЦИИ ПРИ РАЗМЫКАНИИ ЦЕПИ Для проведения опыта собирают установку по схеме, приве- денной на рисунке. Последовательно с гальванометром от демон- страционного вольтметра включают неоновую лампу МН-3. При замыкании цепи на аккумулятор (3—5 в) лампа не зажигается и стрелка прибора не отклоняется, так как напряжение источника значительно меньше напряжения зажигания лампы. При размыка- нии же цепи возникает ЭДС само- индукции, большая напряжения зажигания, и лампа вспыхивает. Стрелка прибора резко отклоняет- ся. По направлению отклонения стрелки легко убедиться в том, что направление тока в гальванометре не соответствует полярности по- люсов аккумулятора. В. Н. Левковский (пос. Першотравневый Житомирской обл.) К ОПЫТАМ С КАТУШКОЙ ТОМСОНА Если по катушке пропускать переменный ток, то медное кольцо, надетое на сердечник, «плавает» на некоторой высоте над катушкой. Со временем кольцо немного опускается. Это можно объяснить тем, что вследствие нагрева индукционным током уве- личивается сопротивление кольца. Можно кольцо снять и нагреть более сильно в пламени спир- товки, а затем снова надеть на сердечник. При этом оно опустится еще ниже. А. А. Устинов (Петропавловск-Камчатский) ДЕМОНСТРАЦИЯ ТОЧКИ КЮРИ Разрушение в ферромагнетиках областей спонтанной намагни- ченности при температуре Кюри лучше всего демонстрировать на никелевом образце, так как точка Кюри у никеля примерно в два раза меньше, чем у стали. Полоску никеля можно вырезать из анода вышедшей из строя электронной лампы. На тонкой неферромагнитной нити (можно использовать тон- кую медную проволоку) подвешивают никелевую полоску. Вблизи нее располагают прямой магнит. Полоска намагничивается и при- тягивается к полюсу магнита. Затем подносят зажженную спичку или спиртовку так, чтобы полоска оказалась в наиболее горячей 194
части пламени. Так как размеры никелевой полоски невелики, то пламя быстро нагревает ее до точки Кюри; полоска потеряет фер- ромагнитные свойства и отпадет от полюса магнита. К- Г. Голубева (Смоленск) ДЕМОНСТРАЦИЯ ДИАМАГНЕТИЗМА Демонстрация диамагнетизма твердых тел хорошо получается со стерженьком, вылепленным из стеарина от обычной свечи. Стерженек длиной 1 —1,5 см и диаметром 2—3 мм подвешивают на капроновой нити между конусообразными полюсными нако- нечниками школьного универсального трансформатора. Две его катушки («120 в» и «220 в») соединяют последовательно и согла- сованно и пропускают по ним постоянный ток 4—5 а от школьного распределительного щитй. При включении тока стерженек устанавливается перпендику- лярно линиям индукции магнитного поля. Демонстрацию прово- дят в диапроекции. Если стеариновый стерженек заменить алюминиевым (пара- магнитным), то последний будет устанавливаться вдоль линий индукции. Пламя стеариновой свечи, помещенное в узкий зазор (1 — 2 мм) между полюсами того же электромагнита, при замыкании цепи выталкивается из магнитного поля и устанавливается пер- пендикулярно линиям индукции (диамагнетизм пламени). А. В. Тимонин (Петропавловск-Камчатский) ДЕМОНСТРАЦИЯ СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ В опыте используется переменный ток малой частоты, полу- чаемый при медленном вращении генератора из школьного набо- ра по трехфазному току. Установку, собирают по схеме, представ- ленной на рисунке: С — батарея конденсаторов на 58 мкф, R2 — реостат на 600 ом, Rx — реостат Сначала включают активное сопротивление R2 и плавно вра- щают ротор генератора. На- блюдают синфазные ' колеба- ния стрелок обоих гальваномет- ров. Затем, включив сопротив- ление R2, включают батарею конденсаторов С. При враще- нии ротора генератора наблю- дают ясно выраженное отстава- на 100 ом. 195
ние стрелки гальванометра Gi от стрелки гальванометра G2. Реостат служит для регулировки амплитуды колебаний стрел- ки гальванометра Для демонстрации сдвига фаз в цепи с индуктивностью включают вместо батареи конденсаторов катушку (3600 витков) с сердечником. Г. А. Бутырский (Киров) ЗАВИСИМОСТЬ ЕМКОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА Для проведения опыта собирают установку по схеме, изобра- женной на рисунке. В этой установке (для измерения переменного тока в условных единицах — делениях шкалы) используется галь- ванометр от демонстрационного амперметра. Диоды для выпрям- ления тока можно взять из набора к генератору УВЧ, вставляя их в специально приготовленную панельку в качестве приставки к гальванометру. Кроме того, надо укрепить на вертикальной пане- ли два слюдяных конденсатора одинаковой емкости (по 500— 5000 пф каждый), соединенные между собой, как показано на схеме; целесообразно на этой же панели начертить и схему сое- динения конденсаторов. Используют поддиапазон частот звуко- вого генератора 2—20 кгц; усиление на выходе его подбирается экспериментально. Электронный осциллограф служит индикато- ров частоты переменного тока и напряжения на исследуемом участке. При меньшей из выбранных частот генератора неподвиж- ная осциллограмма должна соответствовать одному-двум перио- дам переменного тока (переключатель диапазона частоты гене- ратора развертки ставят в положение «2 кгц). Потом изменяют частоту пе- ременногб напряжения, и изме- ряют каждый раз силу тока. В другой серии опытов оставляют частоту неизменной, но изменяют емкость конден- сатора. При всех этих опытах амплитуда, а значит, и эффективное значение напряжения должны оставаться неизменными (постоян- ная высота осциллограммы на экране). Результаты измерений заносятся в таблицы: С=1600 пф I (дел.) 4 8 12 f (кгц) 2 4 6 f=2 кгц I (дел.) 4 8 16 С (пф} 800 1600 3200 196
Из них видно, что сила тока прямо пропорциональна частоте переменного тока и емкости конденсатора, что иллюстрирует фор- мула V______!_ _ 2nfC А. В. Самофал (Череповец) ЗАВИСИМОСТЬ ФОКУСНОГО расстояния линзы ОТ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ волны В плоском листе бумаги вырезают отверстие в форме стрелки и проецируют его на экран. Перед объективом проекционного аппарата ставят фильтры различной цветности (из школьного набора). Наблюдают, что после замены одного фильтра другим приходится для получения резкого изображения стрелки на экране подстраивать объектив или же немного перемещать экран вдоль оптической оси объек- тива. Из анализа формулы линзы делают вывод о зависимости фо- кусного расстояния линзы от длины волны света. Демонстрацию лучше проводить сначала с красным, а затем с зеленым светофильтром. М. В. Новик (Майкоп) ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА Для проведения опыта сначала получают небольшое количе- ство хлористого серебра, проводя в пробирке реакцию AgNO3+KCl = KNO3+AgCl. Отфильтровав небольшое количество выпавшего в осадок поро- шкообразного хлористого серебра, втирают его при помощи резинки в лист бумаги из альбома для рисования. Фоточувстви- тельный слой готов. Из этой «фотобумаги» вырезаем листок, раз- меры которого чуть больше размеров диапозитивов. Прижав к нему какой-нибудь достаточно контрастный диапо- зитив, экспонируют перед сильным источником света. Края «фотобумаги», не закрытые диапозитивом, быстро темнеют, что позволяет судить- о ходе экспозиции. Прекратив экспонирование, снимают диапозитив и дают учащимся возможность посмотреть на получившийся незафиксированный негатив. Если освещен- ность не очень большая, его успевает посмотреть весь класс.
СОДЕРЖАНИЕ От составителя................................................... 3 ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ Общее оборудование физического кабинета Г. С. Фестинатов, М. И. Гринбаум. Осциллографическая приставка . 4 А. И. Богатырев. Электронный миллисекундомер с цифровой индикацией 10 М. Г. Целинко. Электронный милливольтметр-секундомер .... 17 В. Ф. Шилов. Электрический секундомер . 23 А. П. Попов. Простой способ измерёния времени......................25 Е. И. Коротков. Стабилизатор с электронным предохранителем ... 26 В. И. Черняновский, М. М. Черняновская. Обеспечение видимости демон- > страционных установок.............................................28 М. М. Черняновская, В. Е. Козаков. Сушилка для приборов по электро- статике ...........................................................30 Механика В. Ф. Шилов. Измерение скорости движения 31 В. М. Ворочаев. Измерение мгновенной скорости......................35 А. П. Рымкевич, Т. Н. Шамало. Жидкостный акселерометр'. . . . 37 Маятниковый акселерометр (Г. Р. Глущенко, В. М. Ворочаев) . ... 41 М. А. Ушаков, Г. С. Фестинатов, М. И. Гринбаум. Электрифицирован- ный прибор по механике............................................45 Молекулярная физика М. А. Ушаков, Г. С. Фестинатов. Прибор для демонстрации свойств га- зов и паров........................................................53 В. Ф. Шилов. Оцыты с медицинским шприцем..........................60 Г. Р. Глущенко. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости...........................................................65 Электричество В. Ю. Клих, Б. Ю. Миргородский. Комплект высокочувствительных электронных измерительных приборов............................... 66 В. И. Ринский. Усилитель к демонстрационному гальванометру ... 71 В. Г. Сухарев. Опыты с ионными приборами...........................76 В. И. Данильчук. Изготовление термоэлектретов из оргстекла ... 82 Измерение индукции магнитного поля (4. А. Устинов, С. Л. Вольштейн) 84 Н. Ф. Хлыбов. Получение петли магнитного гистерезиса на экране осцил- лографа . 90 М. С. Боженко. Демонстрация нагрева ферромагнетиков вследствие пе- ремагничивания ....................................................91 О. Л. Алексеев. Демонстрация точки Кюри............................93 Г. Р. Глущенко. Прибор для демонстрации взаимодействия токов . . 94 С. Н. Прокофьев. Опыты-парадоксы, относящиеся к явлению электро- магнитной индукции . ........................................96 Л. И. Вишневский. Начальные опыты с осциллографом . 100 Колебания и волны В. И. Соломкин. Звукочувствительный экран и опыты с ним « 102 В. П. Аксельрод. Демонстрация стоячих волн 104 Вибратор к волновой ванне (Л4. А. Кудайкулов, А. ф. Файзулаев, Г. В. Попов, Б. Г. Попов}'........................................105 198
П. Ф. Волков, В. В. Майер. Световая индикация интенсивности звуко- вых волн...........................'.............................-112 В- В. Майер. Два опыта по ультраакустике........................118 Оптика А. Ф. Самофал. Опыты с инфракрасными лучами ....................122 ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ Фронтальные лабораторные работы И. Ф. Чучалин. Изучение явлений невесомости и перегрузки .... 129 В. Ф. Шилов. Применение медицинского шприца при проведении лабо- раторных работ................................................... 130 С. Т. Пантюхов. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источ- ника тока . .................................................132 Физический практикум Г. С. Фестинатов, М. И. Гринбаум. Малогабаритный осциллограф для физического практикума . t . '....................................134 Г. М. Гайдучок, М. М. Сверида, Е. В. Коршак. Самодельные приборы для практических' работ по механике...............................144 Г. М. Гайдучок, И. М. Лучкив, В. Г. Нижник. Определение удельной теплоемкости воздуха, при постоянном объеме.......................147 А. А. Быков, Д. И. Рейнгарц. Изучение зависимости плотности насы- щающего пара от температуры.......................................149 В. П. Пушкарь. Выращивание кристаллов...........................150 В. В. Коба. Снятие внешней характеристики сериесного электродвига- теля постоянного тока.............................................153 В. И. Соломкин. Измерение скорости ультразвука...................155 В. В. Майер. Измерение скорости звука при помощи трубки Кундта . . 159 Практические работы на факультативных занятиях А. А. Быков, Д. И. Рейнгарц. Изучение процесса теплоотдачи . . . 162 И. И. Шефер, И. А. Киреев. Расчет и испытание автоматического регу- лятора температуры . . ,.....................................163 Г. М. Ставрулов. Измерение энергии заряженного конденсатора . . . 167 А. А. Быков, Д. И. Рейнгарц, В. М. Терехов. Исследование свойств ферромагнетиков.................................................. 169 Практические занятия по астрономии А. Д. Марленский, А. Г. Восканян. Фотоэлектрические наблюдения Солнца...........................................................174 ВНЕКЛАССНАЯ РАБОТА П. П. Лугов, В. М. Парамонов. Устройство для автоматической' подачи - сигналов в школе....................................... . . 180 ПРЕДЛОЖЕНИЯ И СОВЕТЫ В. В. Воронков. К проведению лабораторной работы «Изучение дви- жения тела по параболе............................................187 В. И. Плюхин. Опыт с вращающейся жидкостью — Е. А. Перепелица. Опыты со школным электронным счетчиком- секундомером .......................................................— И. Т. Бовин. Зависимость скорости звука в газе от рода вещества . . 189 П. П. Головин. Модель диполя ,....................................190 199
М. П. Марденов. Демонстрация зависимости сопротивления металличе- ского проводника от температуры . . . '.....................190 И. Л. Меламедов. Использование электрической лампы накаливания со встроенным отражателем в качестве диода . ..................191 v П. И. Солоненко. Действие магнитного поля на ток в электролите . . 192 И. А. Улаев. Проявление силы Лоренца.................................— В. И. Бурдин. ЭДС самоиндукции при разрыве и замыкании магнито- провоХа........................................................... 193 Д. Ф. Хахулин. ЭДС самоиндукции при размыкании цепи .... 194 В. Н. Левковский. К опытам с катушкой Томсона........................— А. А. Устинов. Демонстрация точки Кюри.............................. — К. Г. Голубева. Демонстрация диамагнетизма...........................195 А. В. Тимонин. Демонстрация сдвига фаз между током и напряжением — Г. А. Бутырский. Зависимость емкостного сопротивления от частоты пе- ременного тока и емкости конденсатора..............................196 А. В. Самофал. Зависимость фокусного расстояния линзы от длины световой волны................................................... 197 М. В. Новик. Химическое действие света.............................— ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ШКОЛЕ Составитель Герш Рувимович Лисенкер Редактор Л. Л. Величко Художник Э. А. Дорохова Художественный редактор Т. А. Алябьева Технический редактор Е. Н. Зелянина Корректор В. И. Громова Сдано в набор 22/IV 1975 г. Подписано к печати 18/XI 1975 г. бОХЭО’/ы. Бумага типогр. № 2—3. Печ. л. 12,5 + вкл. 0,5 п. л. Уч.-изд. л. 12,39 + вкл. 0,39. Тираж 40 тыс. экз. А05584. Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Государственного ко- митета по печати при Совете Министров РСФСР, по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41. Типография им. X. Хейдеманна. ЭССР, г. Тарту, Юликооли 17/19. I. Заказ № 2369. Цена без переплета 35 к., переплет 10 к.
Р1 Р2________ КРТ1 КРТ2 шр1 1 1 1 1 22 3 3 4 Р 1 2 12 Л2 11 Спешите на урок! ШР1 пз ► Смена i Ш 1 । । шР * ' г I 1 1 1 1 ’ 1 1 > 1 1 1 t f ' 1 . 1 1 1 - 1 1 . 1 Н 1 2 3 4 5 6 Идет урок
тттттттт Рис. 2 к статье П. П. Лугова и В. М. Парамонова «Устройство для автоматической подачи сигналов в школе» (см. стр.

Школьные учебники (((Р SHEBA.SPB.&U/SHKOLA