НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Физический эксперимент в школе. — 1991 г.

Николай Михайлович Шахмаев
Николай Илларионович Павлов
Виталий Иванович Тыщук

Физический эксперимент в школе

*** 1991 ***


DjVu

  СОДЕРЖАНИЕ
 
  ПРЕДИСЛОВИЕ 3
  РАЗДЕЛ I. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
  ГЛАВА I. КОЛЕБАНИЯ
  § 1. Предварительные сведения о колебаниях
  Опыт 1. Колебательные системы 7
  Опыт 2. Демонстрация устройства и работы кулисного (синусного) механизма 9
  Опыты 3 — 4. Осциллограмма колебаний 10
  Опыты 5 — 6. Разность фаз двух гармонических колебаний 11
 
  § 2. Свободные колебания
  Опыты 7 — 8. Демонстрация свободных колебаний 13
  Опыты 9 — 10. Амплитуда свободных колебаний 14
  Опыты 11 — 13. Частота свободных колебаний 15
 
  § 3. Свободные колебания в системах с трением
  Опыты 14 — 15. Затухание колебаний в реальных колебательных системах 18
  Опыты 16 — 17. Добротность колебательной системы 19
 
  § 4. Вынужденные колебания
  Опыты 18 — 21. Примеры вынужденных колебаний 20
  Опыты 22 — 25. Частота вынужденных колебаний 22
  Опыты 26 — 27. Амплитуда вынужденных колебаний. Резонанс
  Опыт 28. Резонанс в последовательном контуре 24
  Опыт 29. Резонанс в параллельном контуре —
  Опыты 30 — 32. Фаза вынужденных колебаний 25
  Опыт 33. Устройство и принцип работы язычкового частотомера 28
  Опыт 34. Устройство и принцип работы резонансного анализатора спектров
  Опыты 35 — 37. Способы борьбы с резонансными явлениями 29
 
  § 5. Переменный ток как вынужденные колебания
  Опыт 38. Устройство и принцип работы индукционного генератора 31
  Опыт 39. Конструкции индукционных генераторов 32
  Опыт 40. Некоторые свойства переменного тока
  Опыт 41. Введение понятия об активном сопротивлении 33
  Опыт 42. Ознакомление с принципом работы электронного переключателя 34
  Опыт 43. Фазовые соотношения в цепи с активным сопротивлением 35
  Опыт 44. Закон Ома для цепи с активным сопротивлением 36
  Опыт 45. Демонстрация емкостного сопротивления —
  Опыт 46. Фазовые соотношения в цепи переменного тока, содержащей батарею конденсаторов 38
  Опыт 47. Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей батарею конденсаторов
  Опыт 48. Демонстрация индуктивного сопротивления 39
  Опыт 49. Фазовые соотношения в цепи переменного тока, содержащей катушку индуктивности 40
  Опыт 50. Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей катушку индуктивности —
  Опыт 51. Демонстрация полного сопротивления 41
  Опыт 52. Фазовые соотношения в цепи переменного тока со смешанной нагрузкой 42
  Опыт 53. Резонанс в последовательной цепи переменного тока
  Опыт 54. Резонанс в параллельной цепи переменного тока 43
  Опыт 55. Закон Ома для цепи переменного тока со смешанной нагрузкой 45
  Опыты 56 — 58. Демонстрация активной и полной мощности переменного тока
  Опыт 59. Измерение коэффициента мощности 47
  Опыт 60. Устройство и принцип работы однофазного трансформатора
  Опыты 61 — 64. Выпрямление переменного тока 48
 
  § 6. Автоколебания
  Опыт 65. Маятниковые часы как пример автоколебательной системы 50
  Опыты 66 — 68. Автогенератор электромагнитных колебаний 51
  Опыты 69 — 70. Примеры автоколебательных систем 54
  Опыты 71 — 72. Частота автоколебаний 56
  Опыты 73 — 74. Амплитуда автоколебаний
  Опыты 75 — 77. Релаксационные автоколебания 57
 
  § 7. Параметрические колебания
  Опыты 78 — 79. Параметрическое возбуждение колебаний 59
  Опыт 80. Принцип работы параметрического усилителя 60
 
  § 8. Сложение колебаний
  Опыты 81 — 84. Сложение колебаний, совершающихся по одной прямой 61
  Опыты 85 — 87. Сложение колебаний, происходящих в перпендикулярных направлениях 63
  Опыт 88. Разложение периодического сигнала на гармонические составляющие 66
 
  § 9. Модуляция колебаний
  Опыт 89. Однотональная амплитудная модуляция 68
  Опыт 90. Спектральный состав однотонально модулированного сигнала 69
 
  ГЛАВА II. ВОЛНЫ
 
  § 10. Предварительные сведения о волнах
  Опыт 91. Распространение колебаний 70
  Опыт 92. Поперечные волны 71
  Опыт 93. Продольные волны 72
  Опыты 94 — 95. Волны на поверхности воды 73
  Опыт 96. Электромагнитные волны 75
 
  § 11. Основные свойства волн
  Опыты 97 — 100. Энергия волн 77
  Опыты 101 — 103. Давление волн 78
  Опыты 104 — 106. Отражение волн 79
  Опыты 107 — 109. Законы отражения волн 81
  Опыты 110 — 113. Два случая отражения волн 82
  Опыты 114 — 115. Скорость волн в различных средах 84
  Опыты 116 — 117. Преломление волн 85
  Опыты 118 — 119. Прохождение волн через треугольную призму 86
  Опыты 120 — 122. Преломление света —
  Опыт 123. Преломление света в призме 89
  Опыты 124 — 126. Полное отражение 90
  Опыты 127 — 129. Модель световода 92
  Опыт 130. Передача изображения по световоду 94
  Опыт 131. Принцип работы гастроскопа - 95
  Опыт 132. Освещение при помощи световода 96
  Опыт 133. Суперпозиция волн
  Опыты 134 — 138. Интерференция волн 97
  Опыты 139 — 142. Стоячие волны 101
  Опыт 143. Устройство и принцип работы интерферометра Майкельсона 102
  Опыты 144 — 145. Наблюдение интерференции света с помощью бипризмы Френеля 103
  Опыт 146. Интерференция света от двойной щели Юнга 105
  Опыт 147. Интерференция света от зеркала Ллойда 106
  Опыт 148. Кольца Ньютона 108
  Опыт 149. Интерференция света в тонких пленках 110
  Опыт 150. Интерференция света в тонком воздушном клине 111
  Опыты 151 — 153. Бегущие волны 112
  Опыты 154 — 156. Дифракция волн 115
  Опыты 157 — 158. Дифракция света на тонкой нити 119
  Опыты 159 — 160. Дифракция света на щели 120
  Опыты 161 — 162. Получение дифракционного спектра 122
  Опыт 163. Определение длин световых волн 124
  Опыты 164 — 166. Поляризация волн 125
  Опыты 167 — 169. Поляризация света 126
  Опыт 170. Исследование деформаций с помощью поляризованного света 129
  Опыты 171 — 172. Эффект Доплера 130
  Опыты 173 — 179. Явление дисперсии 132
 
  § 12. Техническое применение электромагнитных волн
  Опыт 180. Радиоуправление 137
  Опыт 181. Радиолокация 139
  Опыт 182. Детектирование модулированных сигналов 140
  Опыт 183. Радиотелеграф —
  Опыт 184. Радиотелефонная связь 142
  Опыт 185. Устройство и принцип работы простейшего радиоприемника
  Опыт 186. Передача информации на расстояние с помощью лазера 143
 
  РАЗДЕЛ II. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
 
  § 13. Тепловое и ультрафиолетовое излучения
  Опыты 187 — 191. Приемники теплового излучения 145
  Опыт 192. Обнаружение инфракрасного излучения в сплошном спектре нагретого тела 146
  Опыт 193. Определение длины волны инфракрасного излучения 147
  Опыт 194. Принцип работы инфракрасной лампы
  Опыт 195. Обнаружение ультрафиолетового излучения
 
  § 14. Фотоэлектрический эффект
  Опыт 196. Обнаружение внешнего фотоэффекта 148
  Опыт 197. Законы внешнего фотоэффекта 150
  Опыт 198. Обнаружение внутреннего фотоэффекта и демонстрация работы фоторезистора 152
  Опыт 199. Демонстрация принципа работы фотоэлемента
  Опыты 200 — 201. Демонстрация принципа работы фотореле 153
  Опыт 202. Использование фотореле для контроля уровня жидкостей и сыпучих веществ 155
  Опыт 203. Фотореле с программным управлением
  Опыт 204. Воспроизведение звука с кинопленки 156
  Опыты 205 — 206. Фотохимические реакции 157
 
  § 15. Атом и атомное ядро
  Опыты 207 — 208. Дискретность энергетических состояний атомов 158
  Опыт 209. Электрометрический метод регистрации ионизирующих излучений 163
  Опыт 210. Устройство и принцип действия искрового детектора альфа-частиц 165
  Опыты 211 — 213. Свойства альфа-частиц 166
  Опыты 214 — 215. Счетчик Гейгера — Мюллера 167
  Опыт 216. Обнаружение естественного радиационного фона 170
  Опыт 217. Принцип действия радиометрической установки —
  Опыт 218. Работа детектора с газоразрядной трубкой при различных напряжениях 172
  Опыт 219. Зависимость интенсивности излучений точечного источника от расстояния 173
  Опыт 220. Поглощение бета-частиц 174
  Опыт 221. Принцип гамма-дефектоскопии 175
  Опыт 222. Отклонение бета-частиц в магнитном поле —
  Опыт 223. Демонстрация треков альфа-частиц в камере Вильсона 176
 
  РАЗДЕЛ III. САМОДЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ
 
  § 16. Оборудование к теме «Колебания» 179
  § 17. Оборудование к теме «Переменный ток» 196
  § 18. Оборудование к теме «Электромагнитные волны» 197
  § 19. Усовершенствование приборов по оптике 202
  § 20. Оборудование для демонстрации опытов по атомной и ядерной физике 205
  § 21. Демонстрационный осциллограф 210
  Литература 219

PEKЛAMA Заказать почтой 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Подробности...

Выставлен на продажу домен mp3-kniga.ru
Обращаться: r01.ru (аукцион доменов)



 


      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).


      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru