Физический эксперимент в школе

DjVu

      В предлагаемую вашему вниманию книгу вошли описания демонстрационных опытов по двум разделам школьной программы XI класса: «Колебания и волны» и «Квантовая физика». При этом демонстрационные опыты по оптике в соответствии с действующей программой рассмотрены в обоих разделах. Содержание опытов в основном соответствует школьной программе. Однако в книге приведено описание ряда опытов, демонстрация которых целесообразна лишь в классах с углубленным изучением физики, а также на факультативных занятиях. Эти опыты отмечены звездочкой (*).
      В книге основное внимание уделено методике и технике постановки опытов. В тех случаях, когда использованы новые приборы, а также тогда, когда речь идет о постановке новых опытов, обращено внимание и на физическую сторону работы приборов и демонстрируемых явлений.
      При описании простых, общеизвестных опытов авторы сознательно стремились быть краткими.
      Для удобства учителя все опыты сгруппированы в небольшие параграфы. Не следует думать, что необходимо показывать все опыты, вошедшие в тот или иной параграф. Отбор необходимого числа опытов и порядок их демонстрации — прерогатива учителя.
      Для постановки большинства опытов использовано стандартное оборудование кабинетов физики, наличие которого в школах предусмотрено «Типовыми перечнями учебно-наглядных пособий и учебного оборудования для общеобразовательных школ». Однако в ряде случаев использованы простые самодельные приборы, изготовление которых возможно в школьных мастерских. Описание этих приборов приведено в разделе III книги. Использование самодельных приборов значительно расширяет область применения приборов, вошедших в «Типовые перечни...», и позволяет значительно расширить экспериментальные возможности учителя. В тех случаях, когда опыт может быть поставлен с различным оборудованием, приведены варианты его постановки.
      Так как промышленность в разные годы выпускала одни и те же демонстрационные приборы в разном оформлении, в книге применяются в основном приборы выпуска конца 70-х годов, которыми оснащены кабинеты большинства школ. При выборе той или иной модификации прибора одного и того же назначения авторы каждый раз при равенстве параметров отдавали предпочтение той из них, которая обеспечивает большую выразительность. Например, в большинстве демонстраций авторы используют универсальный выпрямитель ВУП-1, а не более позднюю модификацию ВУП-2 (так как нижнее расположение выходных клемм у ВУП-2 резко снижает видимость для учащихся цепей, собираемых с этим прибором).
      При работе с пособием следует иметь в виду, что поскольку основой многих демонстрационных установок являются одни и те Же базовые узлы (например, колебательный контур, пружинный маятник, источники и приемники излучений и т. п.), то они подробно описаны лишь в первой по порядку демонстрации, в которой используются. В дальнейшем на них делается ссылка типа «Собираем установку, описанную в опыте...».
      При описании опытов авторы отказались от краткой формулировки цели опыта, так как она в абсолютном большинстве случаев очевидна из названия опыта.
      Все рассмотренные в книге опыты в разное время были тщательно проверены в школах № 215, 444 и 710 Москвы, в школе № 2 г. Чебоксар и в школах № 2 и 3 г. Ровно.
      Пособие написано под общим руководством Н. М. Шахмаева. Работа между авторами была распределена следующим образом:
      Шахмаев Н. М. — § 1 — 12, 16, 17, 18 (за исключением опытов по оптике в § 11, 12);
      Павлов Н. И. — § 13, 14, 19 и опыты по оптике в § 11, 12;
      Тыщук В. И. — § 15, 20.
     
      Раздел I. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
      Все колебательные и волновые процессы независимо от их природы описываются с помощью одних и тех же понятий, и для них справедливы одинаковые закономерности. Это позволяет подойти к изучению колебательных и волновых процессов с единой точки зрения независимо от их природы.
      В этом случае объектом изучения становятся в первую очередь сами общие закономерности колебательных процессов; их изложение дополняется рассмотрением природы колеблющихся систем.
      Элементы единого подхода к изучению колебательных и волновых процессов можно встретить в работах X. Гюйгенса, М. В. Ломоносова, Р. Дэн, Дж. Рэлея, А. Г. Столетова, П. Н. Лебедева и других физиков. Однако лишь в работах Л. И. Мандельштама и его учеников единый подход к изучению колебаний стал рабочим инструментом, который систематически применялся как в решении научных проблем, так и в преподавании.
      Остановимся коротко на тех новых методических возможностях, которые появляются при едином подходе к изучению колебательных и волновых процессов различной природы.
      Прежде всего следует отметить, что в этом случае удается значительно глубже изучить те аналогичные явления, которые при традиционном подходе разбросаны почти по всему курсу физики. Например, при традиционном изучении колебательных и волновых явлений учащийся трижды изучает явление интерференции волн. При едином же подходе явление интерференции изучается только в разделе «Световые волны», но более глубоко. Существенно важно подчеркнуть, что при этом значительно возрастает и прочность знаний учащихся.
      Это происходит прежде всего за счет укрепления первого звена познания — наблюдения изучаемого явления. Ученик сначала видит интерференцию когерентных волн на поверхности воды, затем слышит интерференцию когерентных звуковых волн. После этого с помощью известных уже ему приборов он убеждается в интерференции электроматнитных (в том числе и световых) волн. При этом может быть отмечена аналогичность схем экспериментальных установок.
      Аналогичность вскрываемых закономерностей развивает интуицию учащихся и, что особенно важно, показывает на конкретном материале единство природы. Так, после того, как высказана мысль о наличии у света волновых свойств, учащиеся без труда не только делают вывод о том, что должны наблюдаться интерференция и дифракция света, но и предлагают схемы опытов для обнаружения этих явлений.
      Единый подход к изложению колебаний и волн различной природы открывает новые возможности и для постановки учебного эксперимента, который в этом случае приобретает исключительную выразительность и убедительность вследствие использования современной электронной аппаратуры для наблюдения механических колебаний и волн.
      Следует отметить и то, что при едином подходе к изучению колебательных и волновых процессов нет необходимости демонстрировать все изучаемые явления для колебаний и волн различной природы. Целесообразно ставить только те опыты, которые существенно необходимы для понимания изучаемых закономерностей и хорошо получаются в демонстрационном варианте. Это дает возможность учителю варьировать в постановке эксперимента.
      Авторы сочли необходимым в ряде случаев предпослать опытам с электромагнитными колебательными системами аналогичные опыты с механическими колебательными системами. Это связано с тем, что опыты с механическими колебательными системами:
      частично знакомы учащимся из курса физики IX класса, а потому при изучении электромагнитных колебаний на них целесообразно опереться;
      более наглядны и просты для восприятия, чем опыты с электромагнитными колебательными системами.
      Кроме того, их демонстрация позволит:
      закрепить, расширить и углубить знания учащихся из курса физики IX класса;
      создать необходимые предпосылки для формирования у учащихся представлений о внутреннем единстве закономерностей, присущих всем колебательным и волновым явлениям независимо от их природы.
     
      Глава I. КОЛЕБАНИЯ
      § 1. Предварительные сведения о колебаниях
      Опыты, описанные в этом параграфе, предназначены в основном для демонстрации на вводном занятии, на котором повторяется и углубляется материал, изученный в IX классе.
      Наиболее сложные и трудоемкие опыты по записи осциллограммы колебаний могут быть быстро и хорошо проведены, если в кабинете физики есть потолочная балка и имеются массивный маятник с двойным подвесом и простейший лентопротяжный механизм (его описание дано в § 16).
      Опыт 1. Колебательные системы
      Понятие о колебательной системе существенно важно для последующего изучения колебательных и волновых процессов.
      Подвесив к потолочной балке массивный маятник, демонстрируют его колебания. Не останавливая колебаний маятника, показывают колебания пружинного маятника, поплавка в цилиндре с водой, крутильного маятника (рис. 1), плоской пружины, зажатой в тисках, воды в U-образной трубке.
      Особое внимание надо обратить на объяснение устройства крутильного маятника. Это связано с тем, что крутильный маятник будет использован в ряде последующих демонстраций.
      Стойка маятника (белая пластина) и черная пластина скреплены одной свободно вращающейся в них осью. Внутренний конец спиральной пружины закреплен на подвижной (в этом опыте) черной пластине, а наружный — на белой пластине (устройство крутильного маятника рассмотрено в § 16).
      Наконец, надо познакомить учащихся с электромагнитной колебательной системой — колебательным контуром. Для этого собирают установку, изображенную на рисунке 2. Колебательный контур собирают из демонстрационной батареи конденсаторов (С = 58 мкФ), катушки индуктивности на замкнутом магнитопроводе от универсального трансформатора (L = 50 Гн, R44 Ом, N = 3 600 витков). Параметры контура: период электромагнитных колебаний 70,3 с; добротность контура Q20; время полного затухания колебаний примерно 5 с. За это время совершится примерно 10 — 15 колебаний. Эти параметры контура при его питании импульсами постоянного напряжения (от ВУП-1 или ВУП-2) позволяют использовать в качестве индикатора колебаний гальванометр от демонстрационного амперметра. Гальванометр подключается к клеммам вспомогательной катушки, намотанной поверх основной обмотки.
      Для получения медленных электромагнитных колебаний необходимо иметь катушку с большей индуктивностью и сравнительно небольшим сопротивлением. Иногда ошибочно думают, что желаемого результата можно достичь путем увеличения электроемкости конденсатора. Но это не так. Все дело в том, что увеличение электроемкости (при неизменной индуктивности) приводит к снижению добротности контура (которую, как известно, можно подсчитать по формуле Q = и, как следствие, к резкому снижению числа доступных для наблюдения колебаний. Например, при увеличении электроемкости контура в 100 раз его добротность уменьшится в 10 раз.
      Киевский методист Б. Ю. Миргородский нашел интересный способ увеличения в 8 — 10 раз индуктивности катушки, выпускаемой Главучтехпромом. Для этого он предлагает заменить магнитопровод от школьного универсального трансформатора магнитопроводом от унифицированного трансформатора ТС-200.
      Магнитная проницаемость материала магнитопровода трансформатора ТС-200 примерно в 10 раз выше, чем у материала магнитопровода демонстрационного школьного трансформатора.
      Для замены магнитопровода надо лишь опилить напильником одну боковую сторону каркаса индукционной катушки на 1 мм (ширина окна магнитопровода трансформатора ТС-200 — 29 мм, а ширина катушки индуктивности — 30 мм). Индуктивность катушки при этом возрастает до 400 Гн. Внешний вид такой катушки показан на рисунке 3, а, а на рисунке 3, б показан магнитопровод ТС-200.
      В результате замены магнитопровода период колебаний, добротность контура, время полного затухания колебаний и число наблюдаемых колебаний увеличатся в 2,5 — 3 раза. Период колебаний будет примерно 0,8 — 0,9 с, число наблюдаемых колебаний — до 25, а время полного затухания колебаний — до 20 — 26 с.
      После этих наблюдений вводят понятие о колебательной системе. Надо указать, что колебательные системы при всем их разнообразии обладают рядом общих свойств:
      1. У каждой колебательной системы есть положение устойчивого равновесия (у маятника — положение, при котором центр тяжести находится на одной вертикали с точкой подвеса; у вертикального пружинного маятника — положение, при котором его сила тяжести уравновешивается силой упругости пружины; у горизонтального пружинного маятника — положение, при котором обе пружины деформированы одинаково; у колебательного контура — такое состояние, при котором конденсатор не заряжен и в соединительных проводниках нет тока).
      2. В каждой колебательной системе, после того как она выведена из положения устойчивого равновесия, появляется сила, стремящаяся возвратить ее в это положение. Происхождение этой силы может быть различным (у маятника — сила тяжести; у пружинного маятника — сила упругости пружины; у колебательного контура — сила, с которой электрическое поле действует на свободные электрические заряды).
      3. В каждой колебательной системе помимо возвращающей силы есть фактор, не позволяющий системе сразу же принять положение устойчивого равновесия (в механических системах — инертность колеблющегося тела, в электрических — индуктивность системы).