ФPAГMEHTЫ УЧЕБНИКА
Часть I. Механика, теплота
ПРЕДИСЛОВИЕ
Демонстрационные опыты по физике в средней школе весьма многочисленны и разнообразны. На одну и ту же тему, кроме основных, необходимых демонстраций, можно указать несколько возможных вариантов опытов, по-разному решающих поставленную задачу.
Подбор опытов определялся следующими соображениями. В курсе физики средней школы прежде всего должны быть показаны процессы, явления и закономерности, которые служат определяющими для того или иного раздела. Прочное усвоение этого материала необходимо для дальнейшего нормального прохождения курса. Затем должны демонстрироваться опыты, раскрывающие типичные применения некоторых изучаемых явлений и закономерностей, чтобы наглядно показать тесную связь физики с окружающей жизнью. Далее следует показать сравнительно небольшое число опытов, подготавливающих учащихся к физическим практикумам. Сюда относятся опыты, показывающие устройство и действие основных лабораторных приборов, приемы обращения с ними и методы определения некоторых физических величин. Наконец, к необходимым следует отнести опыты, представляющие собой экспериментальные задачи из разных разделов курса. Они помогают углубленному пониманию изучаемого материала и развивают физическое мышление. В этих четырех направлениях и подбиралась тематика опытов, описанных в данном пособии.
Содержание разделов и опытов связано с действующей программой и частично с проектом будущей программы. Этим объясняется введение некоторого нового для средней школы материала (вращение твердого тела, сложение перпендикулярно направленных колебаний) и выделение в самостоятельные параграфы разделов акустики и ультразвука.
Незначительное изменение по сравнению с действующей программой произведено в расположении материала. За «Основами механики» оказалось удобнее поместить «Механические колебания и волны», а затем — «Движение жидкостей и газов». Последнему разделу уделено большее внимание, чем это обычно принято: определена система демонстраций, подобрано комплектное оборудование, разработана простая (без применения водопровода) техника демонстрирования опытов по гидродинамике.
Порядок расположения материала по всем разделам книги не случайный: последовательностью опытов авторы стремились показать, насколько это возможно, принятую ими последовательность изложения курса. Особенно отчетливо это выражено в главе «Колебания и волны».
При разработке конкретного содержания каждого опыта обращалось внимание на комплектность оборудования. Из многих возможных и различных по характеру установок на одну и ту же тему, как правило, выбиралась такая, которая не требовала бы специального прибора только для данного опыта. Большинство приборов встречается по нескольку раз в разных установках. Таким образом, курс физики обеспечивается необходимыми демонстрациями при минимальном комплектном оборудовании.
Как правило, описанные установки собираются на приборах, выпускаемых нашей промышленностью и имеющихся в школах с нормально оборудованным физическим кабинетом. Иногда дополнительно применяются и самодельные, упрощенные, приборы или приводятся ссылки на литературу, где можно найти указания к постановке опытов на самодельных приборах.
Авторы сочли возможным воспользоваться электронным осциллографом, счетчиком-секундомером, проекционным гальванометром и другими приборами общего назначения до изучения их устройства в курсе физики. Кроме того, введены новые приборы, без которых трудно было полностью обеспечить все разделы курса необходимыми опытами должного качества. Заново разрабатывались, например, небольшая электрифицированная настольная машина Атвуда, вращающийся диск для многих опытов по механике, электронный счетчик-секундомер, микроманометр, аэродинамические весы с набором обтекаемых тел и др. (см. приложение). Все эти приборы утверждены Учебно-методическим советом Министерства просвещения СССР для изготовления промышленностью (Глав-учтехпромом).
В тех сравнительно редких случаях, когда оборудование для основных опытов оказывалось слишком сложным, дорогим и не могло быть рекомендовано средней школе, опыты заменялись кинофильмами. При этом содержание кинофильмов и методика их применения описываются в книге вместе с описанием опытов.
Кинофильмы и кольцовки рекомендуются и в других случаях, где они служат полезным дополнением к основному содержанию, показанному на опыте.
Разработка новых демонстраций и конструирование приборов выполнялись авторами в секторе обучения физике Института общего и политехнического образования АПН. Опытные образцы приборов изготовлялись в экспериментальной мастерской отдела учебного оборудования. Сборка установок проводилась в физических кабинетах средних школ № 315 Москвы и № 98 поселка Кратово Московской области. Это дало возможность описание всех опытов сделать с натуры и подавляющее большинство из них проверить на занятиях с учащимися непосредственно в классной обстановке. Отдельные части книги написаны:
В. А. Буровым — гл. II
Б. С. Зворыкиным — гл. I
И. М. Румянцевым п — гл. III и § 6 гл. IV.
В работе принимал участие доцент Московского областного педагогического Института им. Н. К. Крупской А. П. Кузьмин; им написан § 4 IV главы и опыт 155.
Чтобы учитель мог иметь ясное представление об оборудовании, каким надо пополнять физический кабинет для полного обеспечения описанных опытов, в приложении приводится список вновь сконструированных приборов. Из них приборы 8 и 11 разработаны В. А. Буровым; 2, 3, 4, 6, 7 и 24 — Б. С. Зворыкиным; 1, 5, 12, 13, 16, 17 и 25 — И. М. Румянцевым; 22 и 23 — А. П. Кузьминым.
Вся работа по созданию пособия велась под общим руководством А. А. Покровского, которым предложен план книги, разработана тематика демонстраций, написаны введение и глава IV (совместно с И. М. Румянцевым и А. П. Кузьминым).
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
ОБ УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
§ 1. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ И ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Учебный физический эксперимент в виде демонстрационных опытов и лабораторных работ является неотъемлемой, органической частью курса физики средней, школы. Удачное сочетание теоретического материала и эксперимента дает, как показывает практика, наилучший педагогический результат.
Какие же методические задачи решаются с помощью учебного физического эксперимента?
Демонстрационные опыты, как известно, формируют накопленные ранее предварительные представления, которые к началу изучения физики далеко не у всех учащихся бывают одинаковыми и безупречными. На протяжении всего курса физики эти опыты пополняют и расширяют кругозор учащихся. Они зарождают правильные начальные представления о новых физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами исследования, показывают устройство и действие некоторых новых приборов и установок, иллюстрируют технические применения физических законов. Все это конкретизирует, делает более понятными и убедительными рассуждения учителя при изложении нового материала, возбуждает и поддерживает интерес к предмету.
Лабораторные работы — фронтальные и в виде практикумов — дают возможность усовершенствовать, развить и углубить полученные ранее первоначальные представления, довести их до понятий и твердых знаний. Кроме того, лабораторные работы развивают умения и навыки в обращении с аппаратурой, вырабатывают элементы самостоятельности при решении вопросов, связанных с экспериментом.
Демонстрации подготавливаются и проводятся учителем перед учащимися целого класса, т. е. перед аудиторией 30 — 40 человек. Лабораторные работы подготавливаются учителем, но выполняются учащимися индивидуально или звеньями в 2 — 3 человека.
Очевидно, к демонстрационным опытам должны предъявляться иные требования, чем к лабораторным работам.
В этой связи следует обратить внимание на опыты качественного характера, которые с простейшим оборудованием фронтально выполняются учащимися в процессе обучения. В недавнее время по какому-то недоразумению эти опыты стали выделять в самостоятельную группу и даже дали им наряду с фронтальными лабораторными работами отдельное название «фронтальный эксперимент», а в программе — «лабораторные опыты»1. Чтобы устранить здесь путаницу, надо напомнить, что такие опыты есть те же фронтальные лабораторные работы, только качественного характера.
1 Программы средней школы на 1963/64 учебный год. Физика и астрономия, Учпедгиз, 1963.
Различные цели, условия проведения и требования заставляют строго отличать демонстрационные опыты от лабораторных. Нельзя допускать, чтобы лабораторные работы подменялись показом опытов на лабораторном оборудовании, а типичные демонстрационные опыты проводились бы как лабораторные работы на оборудовании для демонстраций.
В старших классах средней школы демонстрационный эксперимент имеет в настоящее Еремя свою особенность по сравнению с младшими классами. Кроме обычных, общепринятых опытов по всем разделам курса физики и некоторым техническим применениям, в его содержание должны войти опыты, отражающие подготовку учащихся к практикумам, и опыты, представляющие собой экспериментальные задачи.
Типичным примером того, как проводится демонстрация, когда надо познакомить учащихся с работами практикума, служит опыт 143 «Устройство и применение психрометра и гигрометра» (стр. 313). Здесь учитель не повторяет перед аудиторией лабораторную работу по определению влажности воздуха, как она должна выполняться учащимися, а лишь наглядно выявляет методы определения влажности. Выразительными средствами с применением проецирования он показывает всей аудитории особенности аппаратуры, предназначенной для лабораторной работы, и приемы обращения с этой аппаратурой.
Примеры постановки экспериментальных задач имеются в разных главах данного пособия. Наиболее типичные из них показаны в опыте 23 (стр. 66). Перед учащимися собирают наглядную установку с подвешенным на нити грузом, вес которого известен (рис. 58). Затем измеряют демонстрационным метром необходимые расстояния. Требуется теоретически рассчитать натяжение нитей, а затем экспериментально проверить полученные результаты с помощью демонстрационного динамометра.
Демонстрации и лабораторные работы могут иметь качественный и количественный характер. Однако в случае, когда подготовляют количественные демонстрационные опыты, надо позаботиться о том, чтобы результаты измерений по возможности выражались негромоздкими целыми числами и не требовали много времени для вычислений.
Типичным примером количественной демонстрации может служить опыт 133 (стр. 296), раскрывающий закон Бойля — Мариотта. Здесь объем газа в условных единицах задается экспериментатором, а давление измеряется демонстрационным манометром. Для получения окончательного результата числа, выражающие объем и давление газа, легко перемножаются в уме (см. таблицу на стр. 297).
При подготовке демонстрационных опытов полезно не забывать, что за различными уравнениями и вычислениями учащиеся могут совсем упустить из вида природу тех явлений, которые описываются этими уравнениями. Надо укреплять в сознании учащихся, что источником познания служит эксперимент, и помогать выработке материалистического представления о физике как науке о реальной природе.
Хорошо известно, что процессы в природе протекают весьма сложно: все явления связаны между собой в один общий, многообразный поток и нет отдельных явлений в «чистом виде», как показывается в классе на уроках. Однако это не может служить отрицанием демонстрационных опытов как полезного и даже необходимого средства для обучения, а только заставляет предъявлять большие требования к учебному эксперименту. Чем тщательнее будет разработана методика и техника демонстраций, чем совершеннее, искуснее будут «заглушены» сопутствующие второстепенные явления, отвлекающие внимание учащихся от основного, тем выразительнее, убедительнее и нужнее будут демонстрационные опыты как средство обучения.
§ 2. ТРЕБОВАНИЯ К ДЕМОНСТРАЦИОННЫМ ОПЫТАМ
Демонстрационные опыты, как уже говорилось выше, проводятся в классе из 30 — 40 учащихся. Содержание опытов должно с полной ясностью доводиться до понимания каждого из присутствующих на уроке. Это заставляет предъявлять к таким опытам своеобразные методические и технические требования, которые в основном сводятся к следующему.
Размеры приборов, их расположение и освещение должны всегда обеспечивать достаточную видимость (обозреваемость) основных частей и деталей установки для всех учащихся, со всех мест класса. Без этого опыт теряет свое значение, становится бесполезным и чаще всего приводит сначала к нарушению дисциплины, а затем к потере интереса.
Необходимая видимость достигается соответствующим конструированием приборов, правильным расположением их в установках. Кроме того, применением подходящего фона, подсвета, различных способов и приемов проецирования, а также сопоставлением начального и конечного состояния опыта.
Следует позаботиться о наглядности и выразительности опытов, чтобы каждый ученик непременно заметил демонстрируемое явление. Для этого следует собирать по возможности наиболее простые установки, в которых четко, как бы само собой, выделялись бы основные части. Надо применять яркую, контрастную раскраску деталей приборов, выбирать для каждого случая наиболее подходящие индикаторы, стремиться к получению максимальной интенсивности демонстрируемых явлений.
Опыты должны быть всегда убедительными, не вызывать каких-либо сомнений в их справедливости и не давать повода к неправильному толкованию. Поэтому все побочные явления, сопровождающие основное, должны быть сведены к минимуму, сделаны незаметными и не отвлекающими внимания от главного. Если такие условия по тем или иным причинам создать невозможно, то подготавливают дополнительный опыт, показывающий незначительное влияние побочного явления на результаты основного опыта.
Каждый опыт, показываемый в классе, должен быть надеж-н ы м, т. е. тщательно подготовленным, неоднократно испытанным, обеспечивающим удачу. Неудавшаяся демонстрация нарушает ход урока, всегда вызывает разочарование и даже может зародить недоверие к учителю.
Демонстрации должны производить действие не только на умственное восприятие, но и на воображение учащихся, возбуждать у них интерес, чтобы можно было по ходу урока быстро мобилизовать общее внимание класса на некоторые небольшие промежутки времени. Поэтому надо показывать опыты эмоционально.
Как правило, демонстрационные опыты должны отличаться кратковременностью, чтобы не затягивать урока. Учителю необходимо обращать внимание на темп выполнения опытов: он всегда должен соответствовать темпу восприятия учащимися демонстрируемого материала. В случае необходимости опыт можно повторить несколько раз, например, когда надо устранить предположение о случайности показанного явления (опыт 9 — определение ускорения при свободном падении) или когда не все учащиеся успевают увидеть необходимые детали (опыт 8 — с трубкой Ньютона).
Чтобы можно было запомнить основные моменты, нельзя перегружать урок большим числом демонстраций и создавать впечатление калейдоскопичности. Каждый из показываемых опытов должен быть содержательным, хорошо и изящно оформленным.
При подготовке и проведении опытов надо стремиться к минимальной затрате средств и энергии при максимальной методической ценности эксперимента и обязательно соблюдать общеизвестные, описанные в литературе, правила по технике безопасности1.
1 Е. Я Минченков, О мерах безопасности при проведении опытов по физике, «Физика в школе», 1950, № 2.
Во время изложения учебного материала подготовленными для эксперимента установками можно воспользоваться различно: сначала показывать опыты, а потом переходить к их объяснению или, наоборот, перед опытом проводить относящиеся к нему объяснения. В большинстве случаев первый способ оказывается лучшим. Он позволяет от наблюдений за опытом (или несколькими связанными между собою опытами) подвести учащихся сначала к некоторым самостоятельным несложным выводам, а затем и к более широким теоретическим обобщениям. Однако, в некоторых отдельных случаях, когда, например, установка для опыта сложна, второй способ оказывается целесообразнее: установка или сложный прибор объясняется по частям, а затем они приводятся в действие (опыт 2 — измерение скорости движения спидометром; опыт 56 — оптическая запись колебательного движения и др.).
Очевидно, наилучшим в методическом отношении’ является такое решение, когда объяснения проводятся параллельно с экспериментом. Объяснения и эксперимент логически сливаются в один общий неразрывный процесс в виде увлекательной и убедительной беседы учителя с учащимися.
Демонстрационные опытыв средней школе чаще всего подготавливает и показывает на уроке сам учитель. Однако в ряде случаев ему требуется помощник — лаборант. Там, где лаборанта нет, надо привлекать для помощи 1 — 2 учеников, наиболее способных к такой работе, и постепенно воспитывать из них лаборантов. Это помогает развитию учащихся и приносит пользу делу.
§ 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОПЫТОВ
Методика учебного физического эксперимента и его техника почти неразрывны. Между ними трудно наметить ясную границу, поэтому целесообразно рассматривать их вместе. Различать же следует методику и технику подготовки эксперимента от методики его применения в учебном процессе.
Когда ставится вопрос о том, в каком месте урока следует показать тот или иной опыт или провести лабораторную работу, чтобы наряду с другими приемами подчеркнуть, раскрыть и сделать более убедительным изучаемый материал, то здесь речь идет вообще о методике преподавания физики. Эксперимент в этом случае предполагается в законченном, отработанном виде, как готовое звено, которое вводится в том или ином месте учебного процесса.
Совсем другой, более конкретной и узкой становится задача, когда отрабатываются отдельные демонстрационные опыты или лабораторные работы, т. е. когда решается задача, как целесообразнее вообще проводить эти опыты в классе, как следует изменить и приспособить эксперимент к заранее заданным условиям. Здесь на первый план выступает методика и техника эксперимента.
Допустим, что намечено изучение закона Бойля — Мариотта. С этой целью подбираются из описанного учебного эксперимента, например, демонстрационный опыт с сильфоном и техническим манометром (см. опыт 133, стр. 296) и всем известный лабораторный опыт с трубкой Мельде. Решаются такие вопросы: с чего начинать изучение — с лабораторной работы или с демонстрационного опыта? Как лучше поступить — показать опыт и из наблюдений сделать вывод о закономерности или сначала рассказать и объяснить суть дела, пользуясь схематическими чертежами на классной доске, а затем проиллюстрировать сказанное опытом? Вычерчивать ли график зависимости объема от давления по данным результатов демонстрационного опыта или давать график отдельно? Легко видеть, что здесь методика и техника эксперимента отсутствуют вовсе, а решаются общеметодические вопросы.
Но как только будет обращено внимание на постановку каждого опыта, на сочетание приборов в установке, на их расположение, то сейчас же придется решать ряд совсем других вопросов: о порядке демонстрирования (с чего удобнее начинать опыт — с давлений больше или меньше атмосферы); о выделении во время наблюдения самого главного, основного (сильфона с винтовым прессом и технического манометра); на чем прежде всего надо сосредоточить внимание учащихся (измерение объема и давления по соответствующим шкалам с допустимыми погрешностями); что должно оставаться в тени как второстепенное (соединительные трубки) или быть выключено совсем из внимания учащихся (шарнирное устройство у винтового пресса) и т. д. Вот это и есть предмет методики и техники постановки и проведения эксперимента, которым в этой книге уделено основное внимание и что представлено в описании каждого опыта. Методика же применения эксперимента в процессе обучения лишь намечена; она выражена главным образом в подборе и последовательности расположения опытов в каждом из параграфов.
В средней школе применяются два способа для доведения демонстрационных опытов до учащихся и осуществления той или иной методики эксперимента. Один из них можно считать основным; он состоит в подготовке и показе установок и опытов для непосредственного обозрения. Другой же заключается в проецировании тех или иных приборов и опытов на экран для наблюдения за их изображениями.
При подготовке опытов для непосредственного обозрения, как правило, пользуются специально сконструированными для этой цели демонстрационными приборами. Сюда относятся и измерители, и индикаторы, и приборы на отдельные темы. Они отличаются от других приборов достаточными размерами, наглядным расположением наиболее важных частей, контрастной раскраской деталей, выразительными шкалами, большими стрелками - указателями и т. п. В этих приборах заранее предусмотрено обеспечение основного требования — видимости.
Однако при монтировании установок, в которых применяется несколько приборов, нередко приходится дополнительно прибегать к различным техническим приемам, чтобы демонстрация полностью отвечала перечисленным ранее требованиям (см. § 2). Эти приемы сводятся к следующему:
1) выбору плоскости расположения приборов — вертикальной или горизонтальной;
2) применению освещения и фона — черного, белого или матового просвечивающего;
3) подбору подходящих индикаторов для наилучшего выявления наблюдаемого процесса.
Обычно установки монтируются с помощью штативов и подставок в вертикальной плоскости, т. е. в наиболее удобном расположении для обозрения (см., например, рис. 42, 46, 86). При этом стремятся выявить главное, основное и убрать все лишние, отвлекающие внимание детали, т. е. сделать установку вполне доступной для понимания при самом минимальном пояснении учителя.
В редких случаях, когда по условиям опыта такое вертикальное размещение невозможно и установка располагается в плоскости крышки стола, то применяют плоское зеркало достаточных размеров. Его берут с двух сторон за рамку и располагают над установкой под углом к плоскости стола, близким к 45°. Чтобы изображение установки могли увидеть все учащиеся, зеркало, не меняя угла наклона, медленно повертывают вокруг вертикальной оси сначала в одну, а затем в другую сторону (рис. 1).
Иногда при сборке установок без второстепенных деталей обойтись нельзя. Тогда стремятся сделать так, чтобы они были менее заметными, а основное в наблюдаемом опыте выделялось резче. С этой целью применяется соответствующий фон. Например, черный штатив на фоне классной "доски становится мало заметным для учащихся, а демонстрационный манометр с белой шкалой, наоборот, будет четко выделяться. Если эти предметы рассматривать на белом фоне, то картина будет обратной.
Большое значение для увеличения видимости имеет освещение. При ярком боковом освещении и сравнительно мелкие детали становятся хорошо заметными: пылинки, дым, пары — в воздухе; частицы краски, пузырьки воздуха — в жидкости. Кроме того, пучком света можно сосредоточить внимание учащихся на самых главных частях установки. Например, бывает полезно применить иногда дополнительное освещение (подсвет) того или иного измерительного прибора, чтобы при выполнении опыта даже незначительное перемещение стрелки по шкале заметили все учащиеся в классе.
Для выразительности опытов имеет значение подбор индикаторов, по которым судят о протекаемом явлении. Индикаторами могут служить: электронный осциллбграф, стрелочные измерительные приборы, электрическая лампочка, окрашенная жидкость, пламя, дым, пар, пузырьки газа в жидкости, звук и т. д.
Предпочтительнее, особенно в начале обучения физике, пользоваться индикаторами первичными. Например, всем известно, что нагревание зачастую приводит к воспламенению. Поэтому вспышка в воздушном огниве (опыт 138) ни у кого не вызывает сомнения в нагревании воздуха при быстром сжатии. Если же для этого опыта применить в качестве индикатора термопару с гальванометром, что вполне возможно, то учащимся предварительно надо показать факт получения тока при нагревании термопары.
Другой пример. В опыте 160 (см. рис. 385) удлинение и сокращение проволоки показывается при помощи блока со сравнительно длинной стрелкой, перемещающейся по шкале. Очевидно, здесь можно воспользоваться и пучком света, а об изменении длины проволоки судить по перемещению «зайчика» на экране. Второе было бы менее целесообразным потому, что сложнее и требует предварительных знаний об устройстве и действии «оптического рычага».
Однако в старших классах средней школы, где связи между многими основными явлениями учащимся уже знакомы, подбор индикаторов значительно упрощается. В крайнем случае им показывают предварительно такие связи, а затем на этом основании применяют и индикатор. Таким образом вводится, например, электронный осциллограф до изучения подробностей его устройства и действия.
Ко второму способу показа опытов — проецированию — приходится прибегать главным образом потому, что некоторые необходимые для изучения явления протекают в очень малых масштабах и увеличить их не представляется возможности (мыльные пленки, капиллярные явления, рост кристаллов и т. д.). Кроме того, проецированием пользуются, когда надо в увеличенном масштабе пока-
зать всем учащимся миниатюрный прибор, рисунок, схему, чертеж.
Обычно применяются следующие виды проецирования: вертикальная и горизонтальная диапроекция, эпипроекция и теневая проекция. Все они обеспечиваются специальной проекционной аппаратурой, выпускаемой Главучтехпромом, и отдельными приборами для диапроекции. Последние изготавливаются из прозрачных материалов (чаще из органического стекла) и имеют малые размеры: контуры этих приборов должны вписываться в плоскость линзы конденсора проекционного аппарата.
Особое место занимает среди диаскопического проецирования микропроекция. В курсе физики средней школы к ней приходится прибегать сравнительно редко, и специального приспособления для этой цели Главучтехпром в настоящее время не изготовляет. Выпущенная же им ранее в небольшом количестве микроприставка к проекционному аппарату встречается лишь в малом числе школьных физических кабинетов.
Однако микропроекцию можно без каких-либо сложных приспособлений получить, воспользовавшись одним из выпускаемых в настоящее время микроскопов — школьным или биологическим и типичным для средней школы проекционным аппаратом ФОС-115 (см. § 5). Значительно проще эпископическое и теневое проецирование. Первое из них проводится с помощью выпускаемого Главучтехпромом эпидиаскопа, который позволяет показывать на экране с необходимым увеличением графические материалы из книг и журналов, небольшие плоские приборы, а также диапозитивы.
Для второго (теневого) проецирования достаточно иметь закрытый от аудитории источник света, близкий к точечному (электрическая автомобильная лампочка, электрическая дуга) и экран. Расстояние от источника света до проецируемого объекта и экрана подбирается экспериментально: увеличенное теневое изображение не должно выходить за пределы экрана и должно быть достаточно резким, чтобы можно было видеть все детали.
§ 4. ОБОРУДОВАНИЕ КЛАССА-АУДИТОРИИ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОПЫТОВ
Серьезные требования, которые в настоящее время предъявляются к учебному эксперименту по физике, заставляют иметь в физическом кабинете каждой средней школы специальное оборудование для проведения демонстраций. Без такого минимального основного оборудования можно показать лишь немногие из обязательных опытов, описанных в этой книге.
Центральным местом, где проводятся демонстрационные опыты в классе-аудитории, служит демонстрационный стол размером приблизительно 300 X 80 см и высотой 80 см. Для удобства обозрения стол приподнимается над полом на 25 — 30 см, т. е. устанавливается на небольшой помост (рабочее место учителя) перед настенной классной доской (рис. 2).
К столу с одной стороны должен быть подведен через распределительный щит электрический ток, с другой — водопровод с раковиной и сливом, а в середине стола под крышкой — газ с двойным краном. Ток нужен переменный и постоянный 127 или 220 в с возможностью плавного регулирования напряжения от нуля до максимума. Кран водопровода следует поместить немного выше крышки стола и иметь для него насадку, позволяющую надевать резиновые трубки разного диаметра.
Газ здесь используется главным образом для нагревания и может быть заменен другим источником тепла, если в школьном здании ввода газа нет. Можно обойтись с меньшим удобством и без водопровода, если воспользоваться небольшим баком с отводной резиновой трубкой и ведром для слива воды. Вблизи от демонстрационного стола следует разместить управление шторами для затемнения окон, выключатель электрического освещения класса-аудитории и дистанционное включение и выключение кинопроектора.
Проекционный экран размером приблизительно 160 X 140 см удобнее всего иметь постоянный, несвертывающийся, подвешенный наклонно над классной доской. На него можно проецировать приборы и диапозитивы проекционным аппаратом, помещенным прямо на демонстрационном столе, и кинофильмы — киноаппаратом, расположенным в конце класса на специальном столике.
На этот экран проецируются в виде тени и волны на воде. С этой целью в середине стола (со стороны классной доски), в его подстолье, монтируются две прочные выдвижные рейки. На них во время опыта и устанавливается волновая ванна со стеклянным дном, а под ней — «точечный» источник света. Если ванна новой конструкции с вложенным на дно плоским зеркалом, то волны демонстрируются на экран прямо со стола (см. рис. 161).
В некоторых школах имеются саморегулирующиеся по вертикали (подвесные) зеркальные гальванометры высокой чувствительности. Такой гальванометр целесообразно установить на задней стенке класса-аудитории и осветитель наладить так, чтобы достаточно яркий «зайчик» от поворачивающегося зеркальца падал на шкалу, расположенную на стене между классной доской и проекционным экраном, как показано на рисунке 2. Шкала вставляется в пазы и может легко передвигаться в них для удобства установки на нуль.
От зажимов гальванометра и от осветителя следует сделать проводку к небольшому щитку, расположенному рядом с классной доской, чтобы можно было пользоваться гальванометром с рабочего места учителя. На этом щитке удобно сосредоточить и выключатель электрического освещения, о котором говорилось выше.
Если такого гальванометра в школе нет, то его с успехом может заменить переносный чувствительный проекционный гальванометр, описанный на стр. 272. Он не требует какой-либо специальной установки, всегда готов к работе и может применяться почти при полном освещении аудитории.
В демонстрационном столе полезно иметь два небольших шкафчика и один выдвижной ящик, сделанный по стандартным размерам учебных стенных таблиц. В шкафчиках следует хранить набор глухих ящиков-подставок разного размера, которые бывают необходимы для удобного расположения приборов в различных установках и особенно при сборке электрических цепей (рис. 3). В ящике же стола удобно помещать стенные таблицы, приготовленные для данного урока.
Во время рассказа учителя таблицы поочередно вынимаются из стола и с помощью зажимов с крючками подвешиваются на классной доске. С этой целью и для некоторых опытов, протекающих в плоскости классной доски, над ней надо укрепить по всей длине круглый металлический пруток или трубку с передвижными муфтами и ввернутыми в них небольшими крючками.
Сбоку классной доски, на ее раме, хранится указка; она вставляется в вертикальном положении в пружинящие зажимы. Под доской, между ее рамой и полом, подвешивается небольшая деревянная панель, на которой располагаются классные чертежные инструменты: линейка, угольники, транспортир и циркуль (рис. 4).
Таким образом, на своем рабочем месте учитель может свободно пользоваться электрическим током, водой, газом, затемнением окон, электрическим освещением, проекционным экраном, классными чертежными принадлежностями. Он может с удобством собирать все необходимые установки, применять различные виды диапроекции и стенные таблицы.
При таком общем оборудовании лишь в редких случаях приходится прибегать к приборам вне рабочего места учителя. Например, для эпипроекции приходится располагать эпидиаскоп во втором ряду ученических столов (считая от демонстрационного стола), чтобы проецируемое изображение уложилось на наклонном экране; или устанавливать небольшой переносный экран вдали от демонстрационного стола для получения на нем спектра должного размера, когда пользуются призмой прямого зрения; или собирать установку с диполем в другом конце класса-аудитории для приема сигнала от генератора электромагнитных колебаний.
В основном оборудовании класса-аудитории физического кабинета иногда применяются некоторые автоматические устройства. Можно, например, смонтировать затемнение так, чтобы шторы закрывались и открывались с помощью электродвигателя и при этом автоматически включалась и выключалась сигнальная лампочка или полное электрическое освещение. Можно с помощью электродвигателя опускать и поднимать проекционный экран и при этом автоматически включать эпидиаскоп, проекционный аппарат или кинопроектор. Можно сделать приспособление для автоматической смены диапозитивов в проекционном аппарате и др. Однако надо иметь в виду, что всякое, даже не очень сложное, автоматическое устройство связано со значительными материальными затратами. Любое автоматическое приспособление должно работать в школьных условиях безукоризненно и служить примером для пропаганды идеи автоматизации. Следовательно, такое приспособление должно быть выполнено отлично, из первоклассных материалов и обеспечено надлежащим уходом. Поэтому вводить автоматику в основное оборудование школьного физического кабинета можно только в случае, когда в этом есть настоятельная необходимость и возможно выполнение указанных выше условий.
Сделанное здесь описание дает лишь общее представление об основном оборудовании класса-аудитории, которое надо иметь в физическом кабинете. Очевидно, кроме этого, необходим полный комплект демонстрационных приборов по всем разделам курса физики. Все это оборудование, включая и многие демонстрационные приборы, с необходимой подробностью и указанием характеристик описано в специальной литературе1. Вновь же сконструированные и пока малоизвестные учителям приборы подробно описаны в данной книге. Это сделано в начале отдельных глав и параграфов или в самих описаниях опытов, где применяются новые приборы.
1 А. А. Покровский, Оборудование физического кабинета, М., Учпедгиз, 1958. Н. М. Ш а х м а е в, Оборудование кабинета физики с электротехнической лабораторией, М., изд. АПН РСФСР, 1962.
§ 5. ПРИБОРЫ ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ РАЗДЕЛОВ КУРСА
Из общих приборов, которые применяются в демонстрационных опытах всех разделов курса физики, в этом параграфе рассматриваются: проекционный аппарат, эпидиаскоп, осветитель для теневого проецирования и подсвета, настольный экран. Эти приборы требуют более или менее подробного описания потому, что из них два первых сравнительно сложные, универсальные, требующие специального ухода и обращения, а другие — самодельные и без соответствующих указаний не могут быть изготовлены.
Для получения прямого изображения на наклонном экране объектив снабжен плоским зеркалом 6. Однако значительно удобнее вместо зеркала пользоваться так называемой оборотной призмой (рис. 6). Поэтому, если представится возможность, надо сделать такую замену. Кроме того, необходимо дополнительно приобрести дуговую лампу и ртутную лампу ПРК, помещенную в корпусе с фильтром, пропускающим ультрафиолетовые лучи. Эти приборы приспособлены для установки в рейтеры на скамье проекционного аппарата, но продаются отдельно.
Установка для вертикальной диапроекции различных прибо-ров собирается из деталей проекционного аппарата по схеме, показанной на рисунке 7. Источник света помещается в главном фокусе первой линзы конденсора. Лучи света преломляются в ней и параллельными пучками падают на вторую линзу. Здесь они снова преломляются и выходят из конденсора в виде светового конуса.
Проецируемый объект устанавливается перед конденсором вертикально на таком расстоянии, чтобы световой конус освещал его полностью. Затем, перемещая объектив вдоль оптической оси конденсора, получают на экране достаточно резкое, но обратное изображение объекта.
Чтобы получить изображение прямое, на объектив надевают оборотную призму, которая должна охватывать своей гранью весь пучок света, выходящий из объектива. Если пользоваться вертикально расположенным экраном, прямое изображение удобно получать с помощью недавно выпущенного промышленностью специального объектива, у которого внутри корпуса заранее вмонтирована малая оборотная призма. С меньшим удобством прямое изображение можно получить и с помощью плоского зеркала вместо призмы. Тогда установка собирается по рисунку 8.
Для горизонтальной диапроекции аппарат перестраивают и собирают установку по схеме, показанной на рисунке 9. Она отличается от предыдущей лишь тем, что параллельные пучки света, выходящие из первой линзы конденсора, направляются на плоское зеркало, отражаются от него и попадают во вторую линзу, расположенную теперь горизонтально. Эту линзу накрывают предохраняющей стеклянной пластинкой, а на ней в горизонтальном положении располагают объект.
Чтобы получить с проекционным аппаратом микропроекцию, установку собирают по схеме, показанной на рисунке 10. При этом микроскоп крепится на скамье аппарата с помощью простого столика, изготовленного самодельно из тонкой листовой стали по рабочему чертежу (рис. 11). Внешний вид собранной таким образом установки показан далее (рис. 376).
2. Эпидиаскоп Главучтехпрома, выпускаемый для средней школы, схематически представлен на рисунке 12. У эпидиаскопа рефлектор 1 может перемещаться. Когда он находится в положении, показанном на рисунке сплошными линиями, прибор служит в качестве эпископа. Свет от лампы и отраженный от рефлектора падает на находящийся внизу откидной столик с расположенным на нем плоским предметом 2, отражается от него и с помощью плоского зеркала 3 направляется в объектив 4. На экране получается изображение предмета.
Если рефлектор перевести в другое положение, показанное на рисунке пунктиром, то прибор становится диапроектором Свет от лампы направляется в конденсор 5, освещает диапозитив и попадает в объектив 6, а затем на экран.
Управление эпидиаскопом очень простое. Надо только заранее правильно установить и закрепить лампу: ее спираль
должна помещаться в главном фокусе линзы конденсора.
К эпископическому проецированию иногда приходится прибегать и без эпидиаскопа, например при проецировании на экран в отраженном свете мыльных пленок, зеркальной поверх ности гигрометра и др. В таком случае установку собирают по схеме, показанной на рисунке 13.
3. Осветитель простой конструкции (рис. 14), предназначенный для теневого проецирования, относится к числу самодельных приборов. Он с успехом может применяться и для подсвета, а также в опытах с инфракрасными лучами.
Осветитель состоит из жестяного корпуса 1 в виде небольшого цилиндра с отверстием в боку, автомобильной лампочки типа А-20 (6 в, 21 св) с патроном 2, съемной цилиндрической диафрагмы 3, имеющей три отверстия разного диаметра, и съемного вогнутого зеркала-рефлектора 4, позволяющего получать почти параллельный пучок лучей.
В верхней части цилиндрической диафрагмы имеется отверстие, предназначенное для вентиляции и охлаждения лампы. Ниже под этим отверстием помещена круглая пластинка, загораживающая прямой выход света от лампы наружу.
Корпус осветителя укреплен на толстостенной металлической трубке, что дает возможность зажимать прибор в муфте штатива в различных положениях. Через эту трубку к патрону подводится шнур с вилкой на конце. Типичное расположение приборов для теневого проецирования показано далее, на рисунках 123 (стр. 119) и 350 (стр. 319).
4. Экран настольный, переносный, размером 50 X х 35 см (рис. 15) находит широкое применение в физическом кабинете при настройке опытов и во время демонстрации установок, для которых служит фоном. Прибор состоит из рамки, внутри которой натянута полупрозрачная хлорвиниловая пленка, и двух легко вынимаемых фанерных филенок, которые защищают пленку с обеих сторон. Одна из них покрыта черной матовой краской, а другая — белой. Без филенок при ярком заднем освещении хлорвиниловая пленка становится удобным фоном для рассматривания предметов «на просвет» (окраска жидкостей, цветное стекло и т.д.).
Экран имеет одну ножку, которая позволяет ставить его вертикально в двух положениях — широкой или узкой стороной — в зависимости от установки, для которой экран служит фоном.
ГЛАВА I
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
§ 1. ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ РАВНОМЕРНОЕ И РАВНОПЕРЕМЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ
При изучении законов кинематики и динамики прямолинейного движения необходим демонстрационный прибор, на котором можно получить прямолинейное движение тела и каким-либо способом отмечать положения тела через равные промежутки времени. Этот прибор должен давать возможность учитывать или исключать из расчетов трение, измерять расстояния, движущую силу и массу тела. Трудности, связанные с осуществлением этих условий, привели к созданию большого количества приборов по кинематике и динамике, которые легко поддаются классификации по немногим важнейшим признакам. В основном они отличаются выбором движущегося объекта и способом определения его положения через равные промежутки времени. В одних приборах используются тележки, движущиеся по рельсам, в других — грузы на нити, перекинутой через блок, в третьих — шарик, катящийся по желобу.
Гораздо разнообразнее способы определения положения тела в заданные моменты времени и выбор датчика времени. Известны способы, при которых положение тела на неподвижной плоскости отмечается падающими каплями, колеблющейся упругой Пластинкой, вращающейся кисточкой, электрической искрой или дугой. Применяется также непрерывная запись движения тела на равномерно движущихся ленте, щите или цилиндре.
В некоторых приборах положение тела в заданные моменты определяется остановкой его в эти моменты посредством специальной задержки.
Методический анализ известных приборов по кинематике и динамике прямолинейного движения показывает, что наиболее целесообразно применение трех приборов: 1) тележки на рельсах с непрерывной записью движения на вращающемся цилиндре, 2) машины Атвуда и 3) желоба Галилея.
В описанных ниже опытах по «Основам механики» первый прибор применяется для демонстрации л сравнения равномерного и равноускоренного движений, для сравнения двух равномерных движений с различными скоростями и двух ускоренных движений с различными ускорениями, для выяснения понятия о мгновенной скорости. Исключительно ценная особенность этого прибора, состоит в том, что он позволяет долго наблюдать кажущееся движение отрезков записанной винтовой линии, непрерывно повторяющей кратковременное движение тележки.
На машине Атвуда наиболее наглядно можно определять мгновенные скорости в различные моменты времени, ускорение движения, показать, что пути, проходимые телом в равноускоренном движении, пропорциональны квадратам времени. С помощью машины Атвуда с наибольшей убедительностью можно продемонстрировать опыты, подводящие к установлению второго закона Ньютона. В сочетании с достаточно точным хронометром электрифицированная машина Атвуда позволяет установить закономерности свободного падения и определить его ускорение.
Желоб Галилея благодаря исключительной простоте очень полезен при решении таких экспериментальных задач, как определение средней и конечной скорости, определение ускорения в равноускоренном движении, определение ускорения при изменении высоты подъема желоба.
Применение не одного, а трех выбранных приборов имеет определенное методическое преимущество: учащиеся изучают прямолинейное движение, не связывая его с каким-либо одним конкретным объектом. В одном случае — это движение тележки под действием опускающегося груза, в другом — движение шарика под действием составляющей силы тяжести, в третьем — движение системы грузов под действием силы тяжести перегрузка.
1. Прибор по кинематике и динамике с вращающимся цилиндром
К сожалению, этот прибор выпускался и поступал в продажу с большими дефектами. Однако в школьной слесарной мастерской эти дефекты легко устранимы. Кроме выравнивания и надежного скрепления рельсов, регулирования (а возможно, и протачивания) скатов тележки и других мелких исправлений, необходимо изготовить новое записывающее устройство. Испытания показали, что фетровое перо, прилагаемое к прибору, не успевает отдавать тушь при сравнительно быстром движении тележки и цилиндра, и запись по всей длине цилиндра не получается. Лучше применить струйку туши (этот метод предложен самим автором прибора1), изменив несколько конструкцию струйного аппарата (рис. 16).
1 И. В. Румянцев, Демонстрации при изучении кинематики и законов динамики в средней школе, Учпедгиз, 1957.
Часть 2.
В книге описана методика и техника подготовки а проведения основных демонстраций по электричеству, оптике и физике атома.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В книгу вошли демонстрационные опыты по электричеству, оптике и физике атома. Большинство из них предназначается для основного курса физики по новой программе. Другие же могут быть полезными на факультативных занятиях.
Почти все включенные в книгу опыты относятся к курсу физики старших классов средней школы. Только в некоторых местах, когда надо подчеркнуть логику развития эксперимента, кратко напоминаются для повторения опыты, относящиеся к восьмилетней школе.
Демонстрации подбирались, как и в первом томе, по определенной системе. При этом учитывались все практические работы, обязательные -для выполнения учащимися фронтально и в виде практикумов.
Авторы не стремились везде и во всех деталях истолковывать физику демонстрируемых явлений и закономерностей. Эту задачу решают соответствующие курсы физики. В описаниях подробно раскрываются главным образом методика и техника эксперимента.
Форма описания опытов по всем разделам выдержана в основном одинаковая, а методика и техника показа рекомендуется разнообразная в зависимости от содержания и назначения опыта. Кроме опытов качественного характера, иллюстрирующих рассказ учителя, введены опыты, которые количественно подтверждают ту или иную закономерность. Описаны также опыты, которые служат экспериментальными задачами или подготавливают учащихся к выполнению лабораторных работ в практикумах.
В виде исключения описаны и варианты некоторых опытов там, где авторы нашли это необходимым.
При проведении некоторых опытов наряду с экспериментом применяются стенные таблицы, кинокольцовки, кинофильмы. Этот иллюстративный материал органически связывается с опытами и вводится в описание для их развития и дополнения.
При разработке демонстрационных опытов применялось учебное оборудование по физике, выпускаемое нашей промышленностью. В тех случаях, когда этого оборудования оказывалось недостаточно, авторы конструировали новые или применяли уже известные самодельные приборы. Некоторые из вновь сконструированных приборов, например демонстрационный зеркальный гальванометр, демонстрационная электроннолучевая трубка, наливные линзы, переданы для промышленного изготовления.
При подборе оборудования для этого, как и для первого, тома соблюдался принцип комплектности, заключающийся в том, что один и тот же прибор в большинстве случаев применяется не в одном каком-либо опыте, а в нескольких разнообразных установках.
Все новые опыты и приборы для первого издания разрабатывались авторами в секторе обучения физике Института содержания и методов обучения АПН СССР, а для второго издания — в лаборатории учебного оборудования по физике Института школьного оборудования и технических средств обучения АПН СССР.
Установки для каждого опыта собирались в различных вариантах; из них выбирались методически лучшие и более доступные средней школе. Окончательные варианты подвергались тщательной проверке в школе № 315 Москвы и в школе № 98 поселка Кратово Московской области. По материалам проверки делались описания опытов и рисунки установок в таком виде, в каком они должны быть поставлены учителем на демонстрационном столе.
Чтобы легче было собирать и объяснять некоторые сложные установки по электричеству, в описаниях приводятся схемы. Эти схемы имеют методическое значение; они должны быть повторены учителем на классной доске при объяснении смысла опыта.
Второй том пособия написали: В. А. Буров — главы 7, 9 и §2 из главы 3 (Институт школ Министерства просвещения РСФСР); Б. С. Зворыкин — главы 2, 4 и 5 (Институт содержания и методов обучения АПН СССР); А. П. Кузьмин — § 1 и 2 из главы 6 (Московский областной педагогический институт имени Н. К. Крупской); И. М. Румянцев — главы 1, 3 и 8 (Институт школьного оборудования и технических средств обучения АПН СССР).
В приложении помещен, как и в первом томе, список новых приборов и приспособлений, которыми следует пополнить оборудование физического кабинета, чтобы обеспечить постановку всех предлагаемых опытов. Из этого списка приборы 2, 15, 31, 32 и 36 разработаны В. А. Буровым; 5, 9, 13, 14, 16, 17, 19, 21, 23 — 27 и 33 — Б. С. Зворыкиным; 4, 28 и 29 — А. П. Кузьминым; 1, 3, 6 — 8, 10 — 12, 18, 20, 22, 34 и 35 — И. М. Румянцевым.
Работа по созданию книги проводилась под общим руководством А. А. Покровского (Институт содержания и методов обучения АПН СССР); им в основном подобрана тематика демонстраций, написаны предисловие, введение и § 3 из главы 6.
Авторы
|
