УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКТА ОБОРУДОВАНИЯ ПО КУРСУ ФИЗИКИ "ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ"
DEVICE FOR SET OF EQUIPMENT FOR "ELECTROMAGNETIC PHENOMENA" PHYSICS COURSE

Изобретение относится к средствам для Государственной итоговой аттестации учащихся в учебных заведениях различного уровня по физике, а именно к средствам проверки экспериментальных умений в рамках итогового контроля, по разделу физики «Электромагнитные явления".
Известны технические решения по патентам РФ №2130203, 2210815, 2292601, которые содержат замкнутые контуры электрических цепей и предназначены для исследования электромагнитного поля. Однако данные приборы сложны по устройству и не позволяют самим учащимся осуществлять навыки по сбору электроцепей.
Известны технические решения по свидетельству на полезную модель РФ №4181 и патенту РФ №2293374, которые содержат набор плат с закрепленными на них источником тока, ключом, резисторами постоянного и переменного сопротивления, электролампочкой, катушкой, наборы снабжены компасом, электрическими проводами со штекерами на концах. Основания плат снабжены магнитными полосками. Данные технические решения позволяют учащимся приобрести навыки по сборке электрических цепей и получают необходимые знания по проведению опытов. Однако данные технические решения не обеспечивают возможности проведения всего комплекса проверки знаний учащихся по всему курсу физики «Электромагнитные явления».
Известны технические решения по патентам РФ №83646 на полезную модель и №2239871 на изобретение, которые содержат набор плат, на которых закреплены элементы электрической цепи, такие как вольтметр, амперметр, источник тока, выключатель, резисторы, лампочку, катушки индуктивности. Однако данные технические решения не обеспечивают возможности проведения всего комплекса проверки знаний учащихся по всему курсу физики «Электромагнитные явления».
Наиболее близким техническим решением является устройство по патенту РФ №2205457, в котором все элементы устройства размещены и закреплены в корпусе, снабженной съемной крышкой. Корпус выполнен в виде короба с открытым верхом, а внутренняя полость корпуса разделена на секции, снабженные элементами фиксации электрооборудования, такими как амперметр, вольтметр, прямоугольных плат, на каждой из которых закреплены либо резистор, либо лампочка, либо постоянные маркированный и немаркированный магниты, проволочный резистор, катушка, устройство снабжено также набором соединительных проводов. Устройство позволяет проводить ряд опытов по разделу физики электродинамики. Однако данное техническое решение не позволяет выявить весь спектр знаний учащихся по составлению электросхем для изучения электрических и магнитных явлений.
Технической задачей настоящего изобретения является создание эргономичного законченного учебного комплекта для проверки экспериментальных умений учащихся, по составлению электросхем, проведению исследований по электромагнетизму, и умению определить необходимые правильные параметры, сопоставить их и сделать необходимый вывод, который позволил бы проводить весь комплекс экспериментальных заданий по разделу физики «Электромагнитные явления» в объеме школьного курса.
Технической результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения - это создание эргономично-законченного комплекта для проверки экспериментальных умений учащихся, это удобство в эксплуатации, сокращение неэффективных затрат времени на подготовительные и заключительные этапы работ в условиях жестко фиксированного времени аттестации, улучшение контроля комплектности приборов и оборудования при визуальном осмотре, обеспечение сохранности при транспортировке и раздаче приборов учащимся, обеспечение компактности при складировании и хранении устройств и обеспечение простоты в изготовлении.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве комплекта оборудования по курсу физики «Электромагнитные явления», включающем корпус, выполненный в виде короба с боковыми, передней, задней стенками, днищем, и со съемной крышкой, причем корпус снабжен ложементами для размещения катушки с выводами, снабженными штекерами, маркированного и немаркированного магнитов, компаса, установочным стоиком, источником питания, набором соединительных проводов, прямоугольными платами, на каждой из которых закреплены либо выключатель, либо лампочка, либо постоянный резистор, либо переменный резистор, либо катушка, либо проволочные резисторы на каркасе, характеризующееся тем, что устройство дополнительно снабжено основанием, стержнем, муфтой-держателем для сбора штатива, маятником, выполненным в виде катушки-мотка, при этом намоточный провод снабжен маркером направления намотки, а концы намоточного провода соединены с удлиняющими проводами, свободные концы которых снабжены штекерами, а сами удлиняющие провода проходят внутри трубчатого стержня, выполненного из немагнитного материала, на одном конце которого закреплена катушка-моток, а другой конец этого стержня снабжен отверстием для подвеса маятника на штативе, стаканом с подставкой, лампой в сборе с выводами и штекерами, электронагревателем, подставкой для магнита выполненной в виде [-образной скобы, на верхней полке которой закреплен магнит, транспортиром, канцелярским зажимом, весами электронными, калькулятором, ползуном, выполненным в виде стержня, изготовленного из немагнитного материала, на одном конце которого закреплен набор магнитов, а на другом направляющая шайба, и направляющей ползуна, выполненной в виде немагнитопроводящей полиэтиленовой прозрачной трубки с ограничителями, электромагнитом, выполненным в виде катушки-мотка закрепленной на пластине с вертикальным стержнем, при этом пластина закреплена на плате, а выводы обмотки катушки-мотка взаимодействуют с электрогнздами платы. Корпус снабжен внутренним съемным дном, а каждый элемент оборудования зафиксирован в ложементах съемного дна, установленного и зафиксированного на дне корпуса. Электронагреватель, выполнен в виде двухтокопроводящих стержней закрепленных на изоляционной шайбе, одни концы стержней соединены нагревательным элементом, а другие снабжены гнездами для соединения с проводами и подключения их к источнику тока. Корпус выполнен с Г-образной отбортовкой по всему периметру открытого верха, один торец корпуса выполнен с углубленной центральной выемкой по высоте, а в угловых зонах внутренняя сторона этого торца снабжена опорными полочками, опорная поверхность которых выполнена ниже уровня горизонтальной полочки Г-образной отбортовки, и снабжена угловыми направляющими, а внутренняя сторона другого торца снабжена центральной опорной полочкой, опорная поверхность которой выполнена ниже уровня горизонтальной полочки Г-образной отбортовки. Съемная прозрачная крышка по всему периметру выполнена с ребордой, снабженной по периметру отогнутой вниз обечайкой, при этом один торец крышки выполнен с угловыми выборками, взаимодействующими с угловыми направляющими корпуса, а торцевые реборды крышки снабжены центральными Г-образными кронштейнами, горизонтальные полочки которых выполнена с отверстиями, а внутренняя сторона вертикальных полочек центральных Г-образных кронштейнов снабжена зацепами, расположенными в зоне этих отверстий. Съемное дно выполнено по периметру немного большего размера чем внутренний периметр корпуса и изготовлен из легкого упругого материала, например поролона, изонела, и снабжено ложементами, причем размеры всех ложементов выполнены на 3-6 мм меньше размеров деталей и оборудования размещенных в нем, и торцевыми вырезами, взаимодействующими с основаниями внутренних полочек корпуса. Ложементы могут быть выполнены либо глухими, либо сквозными. Продольная ось цилиндрической катушки-мотка с выводами, закрепленной на одном конце трубчатого стержня, перпендикулярна продольной оси подвесного отверстия, выполненного на другом конце этого стержня.
Устройство комплекта оборудования по курсу физики «Электромагнитные явления» для удобства пользования состоит из двух контейнеров, в контейнере №1 расположены оборудование для сборки электрических цепей, а в контейнере №2 расположены средства измерения и оборудование общего назначения, которые могут быть использовании при проведении опытов и по другим разделам физики. По своему конструктивному выполнению корпуса контейнеров выполнены одинаково, а крышки к корпусам являются взаимозаменяемыми.
На фиг.1 представлен контейнер №1 для размещения оборудования для сборки электрических цепей, на фиг.2 - разрез по В-В фиг.№1, на фиг.3 - вид А фиг.1, на фиг.4 - представлен контейнер №2 для расположения средств измерения и оборудования общего назначения, на фиг.5 - представлена крышка к корпусу контейнеров, на фиг.6 - разрез по А-А фиг.5, на фиг.7 - представлен разрез по В-В фиг.5, на фиг.8 - представлено съемное дно корпуса контейнера №1, на фиг.9 - представлено съемное дно для контейнера №2, на фиг.10 - прямоугольная плата с открытым резистором проволочным на каркасе, на фиг.11 - прямоугольная плата с открытым проволочным резистором, на фиг.12 - прямоугольная плата с закрытым резистором, на фиг.13 - плата с лампочкой, на фиг.14 - плата с электромагнитом, на фиг.15 - плата с переменным резистором, на фиг.16 - плата с выключателем, на фиг.17 - электронагреватель, на фиг.18 - держатель штатива, на фиг.19 - цилиндрическая катушка-моток с выводами и штекерами, на фиг.21 - маятниковая цилиндрическая катушка-моток с выводами и штекерами.
Устройство комплекта оборудования по разделу физики «Электромагнитные явления» содержит два корпуса 1 (см. фиг.1, 4) со съемной прозрачной крышкой 2 (см. фиг.5), в каждом корпусе размещено соответствующее съемное дно 3 (см. фиг.8, 9), снабженное ложементами для установки и фиксации приборов и оборудования. Ложементы могут быть выполнены либо глухими, либо сквозными. В одном из контейнеров под съемным дном расположен установочный столик (на чертеже не показано), выполненный в виде магнитопроводящей пластины. Каждый корпус 1 выполнен в виде короба с Г-образной отбортовкой 4 по всему периметру открытого верха корпуса. Один торец 5 корпуса 1 выполнен с центральным углублением 6 по высоте, а внутренняя сторона 7 этого торца в угловых зонах снабжена полочками 8 для опоры крышки 2, причем зеркальная поверхность полочек 8 выполнена ниже уровня зеркальной поверхности отбортовки 4, которая в угловых зонах снабжена угловыми фиксаторами-направляющими 9 для крышки 2. Внутренняя сторона 10 другого торца 11 корпуса также снабжена центральной полочкой 12 для опоры крышки 2, зеркальная поверхность этой центральной полочки 12 также выполнена ниже уровня зеркальной поверхности отбортовки 4.
Съемное дно 3 (см. фиг.8, 9) изготовлено из легкого упругого материала, например поролона или изонела, и внешний контур съемного дна одинаков для корпусов обеих контейнеров. Что же касается ложементов выполненных в каждом съемном дне, то они выполнены прямоугольной формы 13, фигурной 14 конфигурации, квадратной 15 формы, под то оборудование, которое укладывается в данный ложемент, причем размеры ложементов выполнены на 3-6 мм меньше размера деталей и оборудования, размещенного в них. Это дает возможность при укладке деталей и оборудования плотно им входить в ложемент и фиксироваться, что исключает их самопроизвольное выпадения из ложемента при транспортировке. По периметру съемное дно 3 так же выполнено чуть большего размера, чем внутренний периметр корпуса, поэтому при размещении съемного дна 3 в корпусе, оно немного поджимается к внутренним стенкам корпуса, тем самым производится фиксация его на дне корпуса. Торцы 16, 17 съемного дна 3 снабжены прямоугольными вырезами, один торец 16 угловыми вырезами 18, а другой торец 17 - центральным вырезом 19, которые взаимодействуют с основаниями внутренних полочек 8, 12.
Съемная прозрачная крышка 2 (см. фиг.5) корпуса 1 изготовлена из листового упругого пластика и по всему периметру выполнена с ребордой 20, снабженной по периметру отогнутой вниз обечайкой 21, а торцы 23, 24 реборды 20 снабжены соответственно центральными Г-образными кронштейнами 25, 26 с горизонтальной 27 и вертикальной 28 полочками, при этом на горизонтальных полочках выполнены прямоугольные отверстия 29, а внутренняя сторона 30 вертикальных полочек 28 центральных Г-образных кронштейнов 25, 26 снабжена зацепами 31, расположенными в зоне прямоугольных отверстий 29. Такое выполнение центральных Г-образных кронштейнов 25, 26 и расположение зацепов 31 в зоне отверстий обеспечивает пружинящие свойства кронштейнов 25, 26 при установке крышки на корпус 1 и надежное ее крепление (защелкивание) зацепами 31. Продольные стороны 32, 33 крышки 2 со стороны торца 24 снабжены выборками 34, взаимодействующими с угловыми фиксаторами-направляющими 9 корпуса, при установке крышки на корпус, а зацепы 31 крышки взаимодействуют с основаниями 35 вертикальных полочек Г-образной отбортовки 4 корпуса. Такое выполнение крышки обеспечивает визуальную наглядность используемого оборудования, удобство эксплуатации и сокращение времени на подготовку к проведению аттестации. Надежная фиксация крышки на корпусе обеспечивает сохранность находящихся в корпусе приборов и оборудования. Выполнение крышки с ребордами обеспечивает надежную и устойчивую установку последующих контейнеров друг на друга, так как внутренний периметр реборд соответствует внешнему периметру дна корпуса.
Элементы для сборки электрических цепей закреплены на прямоугольных платах 36, изготовленных из не магнитного и не электропроводящего материала, и выполнены в виде короба, внутренняя полость которых снабжена цилиндрическими патрубками 37, а лицевая сторона платы снабжена маркировкой, т.е. условным обозначением, того элемента, который на ней закреплен. На основании платы закреплены магнитные полоски 38, для фиксации их на установочном столике (на чертеже не показано). Каждый элемент закрепляется на плате на лицевой ее стороне посредством саморезов 39, вкручиваемых с лицевой стороны в патрубки 37.
Прямоугольная плата 36 с открытыми проволочными резисторами 40 на каркасе 41 (см. фиг.10), закреплены на лицевой поверхности платы, снабжена маркировкой, при этом, по крайней мере, одна пара резисторов изготовлена из проволок одинаковой длины с одинаковым удельным сопротивлением, но разного диаметра, по крайней мере, на третьей плате установлен открытый проволочный резистор на каркасе, при этом проволока выбрана одинаковой длины, одинакового диаметра с предыдущим резистором, но другого удельного сопротивления, а четвертый резистор изготовлена из проволоки с одинаковым удельным сопротивлением, одинакового диаметра по сравнению со вторым, но другой длины.
Прямоугольная плата с открытыми проволочными резисторами (см. фиг.11) представляет собой плату, на которой закреплены три W-образных контура проволоки 42, одна из которых имеет три вывода с электрогнездами 43 по концам и в середине, так что сопротивление можно измерять, как контура в целом, так и по половинке, т.е. по V-образной ее части. Один из двух других W-образных контуров выполнен из проволоки другого диаметра, а третий - из проволоки другого материала с другим удельным сопротивлением.
Прямоугольные платы с закрытыми резисторами 44 (см. фиг.12) имеют проволочные сопротивления закрытого типа, разного номинала сопротивления.
Плата с лампочкой 45 (см. фиг.13), на лицевой стороне выполнены углубления электрогнезд 43 с контактными лепестками, а лампочка закреплена посредством Z-образного кронштейна 46, нижняя полочка которого закреплена на плате и контактируете контактным лепестком электрогнезда, а на верхней полочке закреплена лампочка 45, цоколь которой взаимодействуете контактным лепестком другого электрогнезда.
Плата с электромагнитом (см. фиг.14) представляет собой электромагнитную катушку 49, выводы 50 которой взаимодействуют с контактными лепестками электрогнезд 43, кроме того на плате закреплена пластина 51 с вертикальным стержнем 52, а в отверстие катушки 49 вставляется либо стержень для усиления индукции, либо стержень с прямоугольной пластиной для образования замкнутого магнитного контура, позволяющего более эффективно усилить индуктивность. Данная плата позволяет проводить опыты по преобразованию переменного тока, работать как трансформатор с использованием 59, 62.
Плата с переменным резистором (см. фиг.15) представляет собой кольцеобразную катушку-реостат 53, выводы 54 которой взаимодействуют с контактными лепестками электогнезд 43, а вращая ось подвижного контакта изменяем количество витков катушки, тем самым изменяем ее сопротивление.
В плате с выключателем (см. фиг.16) подвижный 47 и неподвижный 48 контакты также взаимодействуют с контактными лепестками электрогнезд 43.
Электронагреватель (см. фиг.17) выполнен в виде двух токопроводящих стержней 55, закрепленных на изоляционной шайбе 56, одни свободные концы стержней соединены нагревательным элементом 57, а другие снабжены электрогнезда ми 58 для соединения с соединительными проводами и подключения их к источнику тока.
Держатель штатива (см. фиг.18) представляет собой стержень 72, на одном конце которого закреплена клипса 73, используемая для удержания либо стакана, либо направляющей 70 для ползуна, а на другом конце закреплен зажим 74 типа крокодильчика. За стержень 72 держатель крепится в муфте штатива (на чертеже не показано).
Цилиндрическая катушка-моток 59 с выводами 60 и штекерами 61 на их концах (см. фиг.19), корпус которой снабжен отверстиями, в которых зафиксированы вывода обмотки. Данная катушка-моток 59 используется совместно с платой с электромагнитом при проведении опытов по созданию трансформатора, при этом катушка-моток надевается на свободный стержень 52, т.е. при проведении опытов по преобразованию электрического тока.
Маятниковая цилиндрическая катушка-моток 62 (см. фиг.20) представляет собой катушку-моток, концы намоточных проводов соединены с соединительными проводами 63, снабженными штекерами 64, намоточный провод имеет маркер направления намотки (на чертеже не показан). Катушка-моток 62 закреплена на трубчатом стержне 65, соединительные провода от катушки расположены внутри трубчатого стержня 65, а свободный конец стержня выполнен с отверстием 66, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси цилиндрической катушки-мотка 62 и используется для установки ее на штативе, т.е. данная цилиндрическая катушка-моток, используется как электромагнитный маятник.
Устройство снабжено ползуном, выполненным в виде стержня 67 (см. фиг.21) изготовленного из немагнитного материала, на одном конце которого, по крайней мере, закреплены два одинаковых магнита 68, а на другом ограничительная шайба 69, и направляющей 70 для ползуна, выполненной в виде не то ко про водя щей и не магнитной прозрачной трубки с ограничителями 71, выполненным, например, в виде спицы пронизывающей направляющую и удерживающий ползун при проведении опытов, и с ограничителем 75, выполненным в виде пластмассового кольца плотно насаженного на направляющую 70 ползуна при проведении опытов с использованием катушек 59, 62.
Предлагаемое устройство комплекта оборудования по разделу физики электромагнитные явления позволяет проводить итоговую Государственную аттестацию учащихся средней школы. Ниже приводим отдельные примеры использования устройства комплекта оборудования при выполнения задания.
Пример 1. Задание - определение электрического сопротивления резисторов, мощности и работы электрического тока, исследование зависимости силы тока от напряжения на резисторе.
Цель задания: выявить умение учащихся обращаться с оборудованием и приборами, правильно собрать электрическую схему, зарисовать ее и провести опыты по измерению необходимых параметров.
Для этого учащиеся должны отобрать необходимые оборудование - резисторы, реостат, вольтметр, амперметр, выключатель, соединительные провода, источник питания. Учащимся необходимо составить и зарисовать электрическую схему, записать необходимые формулы для расчета сопротивления, записать результаты измерений по приборам. Изменяя с помощью реостата силу тока, измерить падение напряжения на резисторе и сформулировать вывод о зависимости силы тока от напряжения. Меняя резисторы, проводники которых изготовлены из материала разного диаметра, разной длины и разного сопротивления определить зависимость электрического тока от вышеуказанных параметров проводников.
Пример 2. Задание - определение правил сложения напряжений в зависимости от соединения резисторов, либо параллельном, либо последовательном.
Цель задания: выявить умение учащихся обращаться с оборудованием и приборами, правильно собрать электросхему, зарисовать ее и провести опыты, измерить необходимые параметры.
Для этого учащиеся должны отобрать оборудование - необходимые резисторы, реостат, вольтметр, амперметр, выключатель, соединительные провода, источник питания. Учащимся необходимо составить и зарисовать электрическую схему, измерить падение напряжение на резисторе и общее напряжение на участке электрической цепи, при различном соединении резисторов, сформулировать вывод о зависимости напряжения и силы тока при различном соединении резисторов.
Пример 3. Задание - исследование правил изменений величины и направления индукционного тока.
Цель задания: выявить умение учащихся обращаться с оборудованием и приборами, правильно собрать установку, зарисовать ее и провести опыты, измерить необходимые параметры.
Для этого учащиеся должны отобрать оборудование - собрать штатив, амперметр, соединительные провода, источник питания, электромагнитные катушки, постоянный магнит, ползун, направляющая ползуна, катушка в сборе со штекерами. Учащимся необходимо составить и зарисовать электрическую схему, установить, как меняется величина индукционного тока от скорости сдвижения и выдвижения магнита в катушку, при использовании магнита разной силы, установить, как меняется направление индукционного тока от сдвижения или выдвижения магнита и в зависимости - какой полюс магнита вдвигается в катушку.
Пример 4. Задание - исследование зависимости направления силы взаимодействия катушки с током и магнита от направления тока в катушке.
Цель задания: выявить умение учащихся обращаться с оборудованием и приборами, правильно собрать установку, зарисовать ее и провести опыты, измерить необходимые параметры, сделать правильные выводы.
Для этого учащиеся должны отобрать оборудование - собрать штатив с муфтой, амперметр, соединительные провода, источник питания, электромагнитные катушки, постоянный магнит, маятниковая цилиндрическая катушка с выводами в сборе со штекерами. Учащимся необходимо составить и зарисовать электрическую схему, установить, как меняется направления магнитных линий катушки с током при взаимодействии ее с постоянным магнитом, при изменении полярности подключения катушки, т.е. от направления тока в катушке, данный опыт позволяют определить направление вектора индукционного тока, а также полярность немаркированного магнита.