Самодельные приборы
для физического практикума
в средней школе

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Изготовление самодельных физических приборов учащимися в условиях школы способствует глубокому изучению физических законов, формированию у них конструкторских умений и навыков, прививает интерес к экспериментальным методам изучения. Этого требует реформа общеобразовательной и профессиональной школы.
      Для самодельного изготовления выбраны приборы по большинству лабораторных работ школьного физического практикума. Все рекомендуемые приборы согласуются с выпускающимися промышленностью и в некоторых случаях дублируют их.
      Самодельные приборы могут быть применены и при решении экспериментальных задач, а также для пополнения физических кабинетов сельских школ.
      Суть комплектования состоит в том, что создаются наборы приборов по разделам: «Механика», «Молекулярная физика», «Термодинамика», «Электродинамика», «Оптика».
      Каждый набор состоит из блоков, в который входит несколько приборов и принадлежностей, предназначенных для одной, двух или трех лабораторных работ. Приборы и принадлежности одного блока .укладывают в специальный ящик. На внешнюю стенку ящика наносят номера лабораторных работ, для которых предназначено это оборудование, а внутри помещают перечень приборов. Приборы общего назначения (блоки питания, измерительные приборы, штативы, посуда и пр.) хранят отдельно. Такое хранение позволяет более четко организовать расстановку приборов перед практикумом.
      Самодельные приборы в большинстве случаев включают в оборудование лабораторных работ, предусмотренных программой. Однако приборы можно комплектовать и для выполнения новых равноценных работ. Например, блок по механике, состоящий из электродвигателя с принадлежностями, дает возможность поставить не только лабораторную работу «Определение зависимости мощности на валу электродвигателя от нагрузки», но и работу по изучению центростремительного ускорения, которая является не менее важной. Кроме того, резерв, заложенный в комплект, позволяет поставить ряд лабораторных работ на факультативных занятиях.
      Лабораторные работы в пособии описаны с разной степенью подробности. Общеизвестные работы рассмотрены схематично, кратко, а новые варианты работ — более подробно.
      Рассмотренные в пособии лабораторные работы неодинаковы и по объему. Менее сложные работы подойдут для одночасового практикума, а более сложные — для двухчасового. Физический практикум предполагает выполнение одночасовых работ в конце первого полугодия или в начале второго, а проведение двухчасовых— в конце года. Приборы большинства блоков подобраны так, что с ними можно проводить работы как одночасового, так и двухчасового практикума. Кроме того, те же блоки можно использовать и на факультативных занятиях. Так как все самодельные приборы согласованы с промышленными, то в блоки можно включать как самодельные, так и промышленные приборы.
      Описание конструкций отдельных приборов содержит основные рекомендации и рассчитано на учителя, имеющего слесарные и монтажные навыки. При изготовлении большинства приборов следует руководствоваться технологическими картами, где рассмотрена последовательность главных операций. В пособии не уделено внимание технологическим рецептам, ибо цель его состоит в том, чтобы оказать помощь учителю в выборе варианта конструкции приборов для физического практикума.
      Форма описания лабораторных работ выбрана такой, чтобы учителю были понятны основное содержание работы и возможные результаты. При этом всюду указаны погрешности результатов.
      В пособии не даны рекомендации по организации физического практикума, методике проведения занятий и составлению руководств (инструкций) для учащихся. Учитель по своему усмотрению может выбрать форму письменных руководств для .учащихся, используя полное или частичное содержание описанной работы. Конструкции приборов позволяют придавать работам физического практикума как иллюстративный, так и исследовательский характер.
      В пособии название лабораторных работ иногда не совпадает с названием тех же работ в программе. Это сделано по ряду причин. В некоторых случаях одна работа пособия включает содержание двух работ, предусмотренных программой (работы № 5, 13, 25 и др.). Иногда эти работы более насыщены и, следовательно, охватывают больший по объему материал. Например, работа № 31 предусматривает сборку не только действующей модели радиоприемника, но и усилителя и генератора на триоде и транзисторе.
      В программе предложено 56 работ, однако по отведенному времени на практикум можно затратить не более 38 ч, т. е. выполнить либо 38 одночасовых, либо 19 двухчасовых, либо 12 одночасовых и 12 двухчасовых лабораторных работ. Данное пособие оряентирует на третий вариант.
      Можно следующим образом распределить лабораторные работы для одночасового и двухчасового практикума (в скобках указываются номера работ, под которыми они описаны в пособии).
     
      VIII класс (10 ч)
     
      Одночасовой практикум
      1) Изучение прямолинейного равноускоренного движения (работа 1 или 2) или определение ускорения при свободном падении (работа 3).
      2) Определение дальности полета снаряда при горизонтальной стрельбе (работа 10).
      3) Определение начальной скорости снаряда (работа 13).
      4) Определение центростремительного ускорения (работа 7).
     
      Двухчасовой практикум
      1) Изучение второго закона Ньютона (работа 4) или изучение закона сохранения энергии (работа 5).
      2) Закон сохранения импульса при упругом и неупругом столкновении (работа 11).
      3) Определение зависимости мощности на валу электродвигателя от нагрузки (работа 8).
     
      IX класс (16 ч)
     
      Одночасовой практикум
      1) Изучение уравнения состояния газа (работа 20).
      2) Определение размеров молекул и постоянной Авогадро (работа 17).
      3) Определение молярной массы эфира (работа 19).
      4) Изучение зависимости силы упругости от деформации (работа 21).
     
      Двухчасовой практикум
      1) Определение электроемкости конденсатора (работа 24) или определение индуктивности катушки (работа 25).
      2) Снятие вольт-амперной характеристики вакуумного и полупроводникового диода (работа 27).
      3) Изучение транзистора (работа 28).
      4) Снятие температурной характеристики термистора и проводника (работа 23).
      5) Определение заряда иона водорода (работа 22).
      6) Измерение сопротивления проводника с помощью мостика Уитстона (работа 34).
     
      X класс (12 ч)
     
      Одночасовой практикум
      1) Изучение колебаний пружинного маятника (работа 15).
      2) Изучение устройства и работы трансформатора (работа 26).
      3) Изучение резонанса в электрическом колебательном контуре (работа 32).
      4) Определение длины звуковой волны (работа 30).
     
      Двухчасовой практикум
      1) Определение показателя преломления стекла (работа 37).
      2) Определение индуктивности катушки резонансным методом (работа 33).
      3) Сборка действующей модели радиоприемника (работа 29).
      4) Получение негатива и позитива (работа 38).
     
      ГЛАВА I
      ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
     
      МЕХАНИКА
      Лабораторный секундомер
      Лабораторный секундомер, внешний вид которого приведен на рисунке 1, позволяет отсчитывать время с погрешностью 0,02 с. При подключении зажимов к источнику переменного тока напряжением 6,3 В стрелка секундомера делает 1 об/с. Целые секунды отсчитывают при прохождении стрелкой нуля, а доли секунды показывает стрелка. Для установки секундомера в исходное состояние необходимо лимб шкалы повернуть до совпадения нулевого деления с направлением стрелки.
      Секундомер собирают на основе двигателя ДСД-60 с частотой вращения 1 об/с. Предварительно необходимо электродвигатель переделать на напряжение 6,3 В (или 36 В) переменного тока. Для этого вместо старой обмотки наматывают 200 (или 1500) витков провода диаметром 1,0 (или 0,4) мм.
      Корпус секундомера можно сделать из листового алюминия по технологической карте № 1. Он состоит из основания и крышки. В основании сверлят ряд отверстий: А — для крепления электродвигателя, Б — для крепления шкалы, В — для оси стрелки, Г — для клемм. К основанию заклепками крепят бруски Д, которые имеют отверстия с резьбой М3, чтобы удерживать крышку корпуса винтами М3.
      Для стрелки удобно использовать швейную иглу, которую пропускают через отверстие в латунной трубке и припаивают оловом (технологическая карта № 2, операция 4).
      В трубку вставляют кусок велосипедного ниппеля для надежного сцепления оси стрелки с осью электродвигателя.
      В простейшем случае шкалу можно сделать неподвижной, т. е. расположить ее на лицевой части корпуса. Но при отсчете времени в этом случае нужно брать разность показаний стрелки в начале и в конце отсчета. Это иногда вызывает путаницу.
      Поэтому шкалу целесообразнее делать подвижной. Для изготовления такой шкалы необходимо сделать цилиндр, фетровую шайбу, диск со шкалой, металлическую шайбу и крышку по технологической карте № 2. Цилиндр делают из пластмассы или металла (операция 1). Фетровая шайба (илишайбы) имеет внешний диаметр 46 мм, внутренний — 25 мм. Диск для шкалы удобно изготовить из оргстекла или любой пластмассы толщиной 4 мм. Он имеет внешний диаметр 76 мм, внутренний — 25 мм. На диск наносят шкалу, содержащую 50 малых и 10 больших делений. Цена большого деления 0,1 с, а малого — 0,2 с. На торце диска сверлят три симметричных отверстия с резьбой М2,5, служащих для крепления крышки. Металлическую шайбу можно изготовить из латуни толщиной 1 мм. В ней делают два отверстия диаметром 3 мм так, чтобы они совпадали с отверстиями в цилиндре при осевом совмещении.
      Для изготовления крышки предварительно необходимо сделать цилиндр из дерева или картона с внешним диаметром 76 мм. Затем из кинопленки с удаленной эмульсией вырезают ленту шириной 12 мм. Ленту в несколько слоев наматывают на цилиндр, одновременно смачивая киноклеем (см. операцию 2). Полученное из кинопленки таким образом кольцо после просыхания надевают на диск диаметром 76 мм и склеивают. В кольце сверлят три симметричных отверстия диаметром 2,5 мм для крепления крышки к диску шкалы.
      Для быстрой остановки электродвигателя после его отключения необходим тормоз, который делают из упругой стальной проволоки диаметром 0,8—1 мм. Один конец проволоки поджимают под гайку монтажного винта электродвигателя, а другой — остается свободным, опирающимся на второй монтажный винт. При этом проволока касается оси электродвигателя. Силу касания регулируют изгибом проволоки вручную.
      При сборке секундомера вначале к лицевой панели корпуса винтами М3 привинчивают цилиндр А (см. операцию 5) и устанавливают электродвигатель. Затем на цилиндр надевают одну или несколько фетровых шайб Г и диск со шкалой Д. Толщина фетровых шайб и диска должна быть равна высоте цилиндра Л. К цилиндру винтами М3 привинчивают металлическую шайбу Е, которая должна удерживать диск с некоторым усилием. После крепления металлической шайбы устанавливают стрелку, надевая трубку с ниппелем В на ось двигателя с небольшим усилием. Наконец, крышку шкалы Б надевают и привинчивают к диску винтами М2,5.
     
      Жёлоб
      Жёлоб для опытов по механике изготовляют из алюминиевого или стального уголка размером 20x20 мм и длиной 1,2 м. На одном конце желоба крепят электромагнит А (рис. 2), рассчитанный на напряжение 36 В. В этом случае обмотка электромагнита содержит 5000 витков провода диаметром 0,3 мм. Концы обмотки электромагнита выведены на клеммы.
      На другом конце желоба укреплен кронштейн Б с блоком. Между бортиками кронштейна зажат и закреплен шурупами деревянный брусок, вдоль которого просверлено отверстие. В опытах по динамике через это отверстие пропускают нить. Кронштейн и блок изготовляют по технологической карте № 3.
      В блок впрессовывают шарикоподшипник диаметром 10 мм, а затем с помощью винта М3 устанавливают его между щечками кронштейна.
      Сбоку желоба укрепляют алюминиевую или стальную направляющую рейку. Она необходима для удержания контактных датчиков. Рейка А должна отстоять от уголка на 4—5 мм (рис. 3). В двух местах крепления рейки устанавливают кронштейны Б, к которым может привинчиваться стержень В. Стержень в рабочем положении зажимают в муфте штатива. Его изготовляют по технологической карте № 3 (операция 4).
      На рейке вблизи кронштейна с блоком сделана резьба М4 для винтов Г (см. рис. 2), которые необходимы для крепления ловушки. Ловушка представляет собой ящик или мешочек, куда падает шарик в опытах по свободному падению.
     
      Тележка с грузом
      Тележку изготовляют из стального стержня диаметром 16 мм (рис. 4). Шарикоподшипники диаметром 10 мм привинчивают к стержню винтами М3. Шарикоподшипники при движении по желобу опираются на бортики уголка. В стержень тележки ввертывают две стойки.
      При изготовлении тележки используют технологическую карту № 4 (операция 1 и 2), где указаны размеры (если взять шарикоподшипники диаметром 10 мм, то отверстие А имеет резьбу М3, отверстие Б — резьбу М4).
      Груз (рис. 5) изготовляют из стального уголка 20x20 мм. Масса груза должна быть равна массе тележки. Этого легко добиться, склепав два уголка длиной по 70 мм. В корпусе груза сделаны два отверстия, через которые проходят стойки при установке груза на тележке.