ДЕМОНСТРАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ "УНИВЕРСАЛ"

Заявленная полезная модель относится к учебным пособиям в области учебного оборудования и предназначена для выполнения демонстрационных физических экспериментов на уроках физики.
Известно устройство, состоящее из набора модулей, в каждом из которых расположены электронный элемент, электронная схема или электронное устройство, электрическое соединение между которыми осуществляется посредством контактов, расположенных на боковых гранях модулей, в каждом из которых расположено устройство индикации состояния находящегося в модуле элемента, электронной схемы или электронного устройства, при этом модули снабжены выступами или впадинами для механического соединения друг с другом (см. заявку на изобретение РФ №94020058, 6 МПК А61F 9/24). Известное устройство применяется только для сборки электронных схем или устройств, в связи, с чем обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не может быть использовано для исследования других физических явлений.
Известно учебное пособие для изучения законов механики, содержащее беговую дорожку, выполненную в виде двутаврового желоба с прозрачной передней стенкой и закрепленной на ней мерной шкалой и продольными магнитными полосками на наружной поверхности задней стенки, а внутри желоба установленную на перемычке перемещающуюся каретку с флажками, боковыми вращающимися фиксаторами и магнитными полосками на ее основании, перекинутый через шкив тросик с грузом на конце, датчики положения каретки, стартовое устройство, буфер, указатель, транспортир, при этом пособие дополнительно снабжено цифровым командно-измерительным блоком, набором грузов, бруском с отверстиями и крючком (см. патент на изобретение RU №2314571, кл. G09B 23/06). Это учебное пособие, является достаточно сложным и предназначено только для изучения физических законов статики и динамики.
Известно учебное пособие, включающее установочный столик, выполненный из магнитопроводящего листа, набор плат, снабженных магнитными полосками на основании и имеющих с лицевой стороны электрогнезда, при этом на соответствующих платах установлены соответственно источник тока, электрический ключ, резисторы постоянного и переменного сопротивления, кювета с электродами, электролампы, а пособие снабжено электрическими проводами, служащими для обеспечения сборки элементов пособия в определенную электрическую схему и выполненными с возможностью закрепления в электрогнездах посредством предусмотренных на концах штекеров, отличается тем, что каждая плата выполнена в виде короба, внутренняя полость которого разделена на крайние, центральную и средние секции, снабженные цилиндрическими патрубками, выполненными со сквозными отверстиями и расположенными внутри секций короба рядами, причем в средних секциях короба предусмотрены перегородки - ребра жесткости, часть из которых выполнена усеченными на одну треть высоты короба, при этом патрубки средних секций расположены между усеченными перегородками и выполнены также усеченными на одну треть короба, а магнитные полоски выполнены в виде вставок, закрепленных в нише, образованной усеченными перегородками и усеченными патрубками, патрубки крайних и центральной секций выполнены большего диаметра, чем патрубки средних секций, а между патрубками центральной секции расположены патрубки с диаметром, равным диаметру усеченных патрубков, при этом пособие дополнительно снабжено компасом, катушкой, выполненной в виде бобины с проволокой, спирально намотанной на каркас, а выходные концы проводов катушки оснащены контактными клеммами, а каждая электролампа снабжена расположенным над ней и закрепленным в патрубке платы посредством стойки колпачком, выполненным в виде сферического сегмента, при этом электроды кюветы выполнены в виде пластинок с изогнутыми ζ-образными пружинными концами, предназначенными для фиксации на кювете, а источник тока выполнен в виде электродвигателя с выходным валом, на котором установлена шестерня посредством ступицы, наружная форма которой выполнена крестообразной и на которой установлено снабженное ребордой приводное колесо посредством цанговой ступицы с внутренним крестообразным посадочным отверстием и продольным диаметральным пазовым разрезом.(см. патент на изобретение RU №2293374, кл. G09B 23/18). Данное учебное пособие предназначено для изучения электрических явлений, кроме того требуется длительное время для сборки элементов пособия.
Известно учебное пособие оснащенное элементами, необходимыми для выполнения разнообразных опытов по физике, механике, динамике, включающими беговую дорожку в виде желоба со стенками и линейной шкалой и продольной магнитной полосой, каретку с отверстиями, шкивы, секундомер, магнитные датчики, разборный штатив в виде вертикального стержня и основания с отверстием для стержня, крестообразную муфту, грузы с подвесными крючками, динамометр со шкалой, измерительной пружиной и подвесным крючком, цилиндрическую пружину с крючками на концах, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной (см. патент на изобретение RU №2376647, кл. G09B 23/06). Данное учебное пособие требует значительных затрат времени на процесс сборки. Распределение устройств между учениками может повлечь за собой потерю отдельных элементов комплектации.
Известно многофункциональное учебное пособие, предназначенное для обучения механике, оптике и т.д., и содержащее рельсовый корпус поперечного профиля, регулируемый, по меньшей мере, в двух направлениях в длину (см. патент на полезную модель CN №201035786, кл. G09B 23/06, G09B 23/00). Пособие обладает ограниченными функциональными возможностями и неоправданной сложностью конструкции.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является учебно-наглядное пособие, содержащее съемные модульные блоки, которые установлены на подставках и снабжены электрическими контактами, выполненными на фиксирующих выступах и/или на боковых стенках. Каждая подставка снабжена П-образными кронштейнами с расположенными на их сторонах пазами, в которых закреплены фиксирующие выступы съемных модульных блоков. На монтажной панели установлена стойка и взаимодействующая с ней посредством ползуна пластина с продольным пазом для испытуемого элемента, шкалой и соединительными гнездами, расположенными вдоль продольного паза на боковой поверхности пластины. Ползун шарнирно закреплен на конце пластины и установлен с возможностью перемещения по стойке. Подставки для установки элементов оборудования выполнены прямоугольной и Т-образной формы. Штифты выполнены расклинивающимися. Соединительные гнезда дополнительно расположены на боковых гранях монтажной панели. В качестве элементов оборудования используют оптические, электротехнические, радиотехнические и механические элементы (см. патент на изобретение RU №2287861, кл. G09B 23/06). Однако процесс сборки для проведения эксперимента занимает длительное время.
Таким образом, анализ известных устройств показывает, что ни одно из них не решает задачи, возникшей в условиях современного урока физики: жесткой экономии времени в процессе подготовки и проведения демонстрационного физического эксперимента в общеобразовательной школе.
Никакая универсальная опора (шасси) при поэлементной сборке не может обеспечить высокой экспериментальной функциональности, т.е. высокой скорости подготовки эксперимента и перехода от одной демонстрации к другой даже в пределах одной темы (т.е. одной области физических явлений).
Заявляемое изобретение "Демонстрационная система "Универсал" является результатом продолжения и развития поисков в области совершенствования выполнения демонстрационного физического эксперимента.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении функциональности устройства, при упрощении процесса сборки и отладки опытов, что приводит к максимально возможной оперативности проведения экспериментов.
Этот результат достигается более совершенным типом блочно-модульного построения демонстрационной системы, представленном в виде следующей совокупности признаков:
Демонстрационная система для изучения физических явлений, содержащая базовый модуль, включающий панель электропитания, панель управления и магнитную доску, при этом базовый модуль содержит источники электропитания демонстрационных модулей, генератор звуковых частот, усилитель звуковых частот, динамики, умножитель напряжения, при этом система содержит не менее двух демонстрационных модулей, выполненных с возможностью стыковки с базовым модулем посредством штекерно-гнездового соединения, а именно, посредством гнезд на панели электропитания и штекеров на демонстрационных модулях, причем демонстрационные модули выполнены предварительно настроенными в соответствии с текущими задачами и полностью готовыми к выполнению опыта или серии опытов.
Базовый модуль смонтирован в корпусе из полистирола в виде кейса размерами 400×270×120 мм с откидывающейся крышкой, в которую встроена магнитная доска.
Магнитная доска, предназначена для крепления демонстрационных модулей и выполнена из тонкого алюминия и является «магнитоактивной» за счет магнитов, равномерно размещенных с тыльной стороны алюминиевого листа.
На панели управления расположены: фиксируемые выключатели сети, усилителя звуковой частоты, генератора звуковой частоты и выключатель умножителя напряжения, также предусмотрены переключатели входа усилителя звуковой частоты на выход генератора и на внешний источник сигнала, а также переключатель выхода генератора на усилитель и на демонстрационные модули; кнопочный переключатель диапазонов генератора, ручки плавной регулировки частоты и уровня сигнала; ручка громкости усилителя звуковой частоты и ручка регулятора напряжения 0-12 Вольт.
На гнезда панели электропитания выведены напряжения: постоянное стабилизированное регулируемое 0-12 В (0,8 А); постоянное нерегулируемое и нестабилизированное 5,6 В (2 А); переменные напряжения 7 и 15 Вольт сетевое переменное напряжение 220 Вольт для работы счетчика Гейгера и некоторых других демонстрационных модулей.
На панели электропитания выполнены гнезда для вывода постоянного напряжения 5000 В и 10000 В от встроенного в базовый модуль умножителя напряжения, а также не менее двух гнезд для передачи слабых сигналов, на вход усилителя звуковой частоты, а также не менее двух гнезд для передачи сигналов от генератора звуковой частоты к некоторым демонстрационным модулям.
Выключатели питания устройств обеспечены световыми индикаторами включения.
Уровень регулируемого постоянного напряжения контролируется с помощью малогабаритного стрелочного вольтметра со шкалой на 12 Вольт.
Использование блочного построения, принятого в системе
"УНИВЕРСАЛ", в отличие от прототипов, состоит в отказе от поэлементной сборки опытов на подготовленном шасси. Оно основано на применении уже собранных в заводских условиях и отлаженных демонстрационных модулях, готовых к выполнению демонстраций.
Структурно демонстрационная система УНИВЕРСАЛ состоит из БАЗОВОГО МОДУЛЯ (или БАЗЫ) и ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ МОДУЛЕЙ, выполняющих демонстрационные эксперименты после стыковки с БАЗОЙ.
В состав БАЗОВОГО МОДУЛЯ входят:
1) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ, обеспечивающие работу демонстрационных модулей, собранных на современной элементной базе и имеющие малые габариты (источники электропитания демонстрационных модулей, генератор звуковых частот, усилитель звуковых частот, динамики, источник высокого постоянного напряжения на 5000 и 10000 Вольт;
2) ПАНЕЛЬ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ для размещения контактных гнезд, с которыми стыкуются с помощью штеккеров демонстрационные модули;
3) ПАНЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ, на которой размещены органы управления устройствами БАЗЫ, определяющие работу ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ МОДУЛЕЙ;
4) МАГНИТНАЯ ДОСКА, служащая механической опорой, для некоторых демонстрационных модулей.
Источник электропитания демонстрационных модулей преобразует сетевое напряжение 220 Вольт в следующие напряжения:
1) переменные 15 Вольт и 7 Вольт для обеспечения опытов по темам, связанным с изучением переменных токов (резонанс токов и напряжений, принцип действия трансформатора, явление самоиндукции, передача электроэнергии и др;
2) постоянное 5,6 Вольт не стабилизированное для демонстраций по разделу "Постоянный ток" или когда требуются два независимых источника постоянного тока (например, для питания лазера и лампочки накаливания в опытах по оптике или механике); может использоваться одновременно с постоянным регулируемым напряжением 0-12 Вольт.
3) постоянное стабилизированное и регулируемое 0-12 Вольт для обеспечения демонстраций по всему разделу "Постоянный ток" (законы постоянного тока, действия электрического тока, явление электромагнитной индукции, электромагнетизм, работа и мощность тока и др.)
Указанные напряжения подведены к соответствующим гнездам на ПАНЕЛИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (ЭЛЕКТРОПАНЕЛИ). Одна пара гнезд предусмотрена для переменного сетевого напряжения 220 Вольт питающего демонстрационные модули, требующие преобразования этого напряжения (например, счетчик Гейгера) или устройства, потребляющие ток напряжением 220 Вольт одновременно с необходимостью подключения к другим напряжениям (модуль "Параллельное и последовательное соединение проводников").
Для выполнения экспериментов по разделу "Электростатика" в корпусе БАЗЫ размещен источник высокого постоянного напряжения на 5-10 килоВольт.
Высокое постоянное напряжение в школьном демонстрационном оборудовании предпочтительнее высокого переменного напряжения и является в системе УНИВЕРСАЛ инновационным элементом, поскольку в составе школьного оборудования - исключительно индукторы переменного высокого напряжения, гораздо более громоздкие и дорогие, чем известные в электронике умножители напряжения на диодно-конденсаторной элементной базе. Позже, когда диоды и конденсаторы нужных для умножителя параметров были крупных размеров, умножители напряжения не могли быть малогабаритными. В настоящее же время компактность диодов и конденсаторов такова, что умножитель на 10-20 тысяч вольт на порядок меньше и дешевле индукционных преобразователей тех же параметров, что и использовано в демонстрационной системе УНИВЕРСАЛ.
Напряжения 5 киловольт и 10 киловольт подведены к гнездам, к которым могут быть подключены только демонстрационные модули, использующие эти напряжения и никакие другие.
Усилитель низкой частоты, собранный на микросхеме и размещенный в корпусе БАЗЫ, имеет не только принятое в школьной практике применение - совместно со схемой детекторного приемника и со схемой счетчика Гейгера, но и новое применение - для изучения электрического резонанса в цепях с емкостью и индуктивностью на разных звуковых частотах, а не только на частоте сетевого напряжения 50 Гц, как это сейчас принято в школьном курсе физики. Для обеспечения этой функции усилителя звуковой частоты в корпусе БАЗЫ смонтирован генератор звуковых частот со ступенчатой и плавной регулировкой частоты от 20 Гц до 20000 Гц. Выход сигнала с этого генератора поступает на вход усилителя звуковой частоты через коммутирующий переключатель, разделяющий сигналы от детекторного приемника, счетчика Гейгера и генератора звуковых частот. Усиленные сигналы от этих источников через отдельный переключатель поступают либо на динамики на лицевой стенке БАЗОВОГО МОДУЛЯ, либо на специальную пару гнезд на ЭЛЕКТРОПАНЕЛИ, а с этих гнезд - на подключенный к ним соответствующий демонстрационный модуль, использующий эти сигналы (например, модуль "Цепь переменного тока").
Таким образом, использование известных устройств, но выполненных на современной элементной базе либо необычным образом применительно к особенностям демонстрационной системы (выпрямители, генератор звуковых частот, усилитель звуковых частот, умножитель напряжения), собранных в единую функциональную систему в небольшом объеме БАЗОВОГО МОДУЛЯ, привело к новому результату - к возможности создания функциональной времясберегающей демонстрационной системы.
БАЗОВЫЙ МОДУЛЬ (см. фиг.) смонтирован в корпусе (1) из полистирола в виде кейса фор матом 400×270×120 мм с откидывающейся крышкой (2), в которую встроена МАГНИТНАЯ ДОСКА (3). Масса БАЗОВОГО МОДУЛЯ около 5 кГ.
ПАНЕЛЬ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (ЭЛЕКТРОПАНЕЛЬ) (5)- функциональная часть БАЗОВОГО МОДУЛЯ. На ней размещены гнезда (6), к которым подведены необходимые напряжения от силовых и сигнальных источников и с которыми стыкуются ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ МОДУЛИ при выполнении опытов:
- гнезда "0", "5000 В" и "10000 В " постоянного напряжения;
- гнезда 15 В переменного напряжения;
- гнезда 7 В переменного напряжения;
- гнезда 5, 6 В постоянного нестабилизированного напряжения;
- гнезда 0-12 В постоянного стабилизированного регулируемого напряжения;
- гнезда для передачи напряжения звуковых частот на демонстрационные модули
- гнезда для передачи слабых сигналов от демонстрационных модулей к усилителю низкой частоты.
Для повышения функциональности демонстрационных модулей на электропанели выполнены две взаимно симметричные группы контактных гнезд (Рис.2) с симметричной же схемой их подключения к устройствам БАЗОВОГО МОДУЛЯ.
При этом некоторые демонстрационные модули стало возможно выполнить двусторонними, что рационализирует как эксплуатацию, так и хранение демонстрационных модулей, что опять-таки отличает систему УНИВЕРСАЛ от всех прототипов.
МАГНИТНАЯ ДОСКА смонтирована на крышке кейса БАЗОВОГО МОДУЛЯ и выполнена из тонкого листового алюминия и это отличает ее от всех существующих прототипов "магнитных досок", выполненных из ферромагнитных материалов (обычно это жесть). В нашем же случае доска "магнитоактивна" лишь в девяти точках за счет девяти магнитных "таблеток", размещенных с тыльной стороны алюминиевого листа. В результате этой инновации отпадает необходимость снабжать каждый демонстрационный модуль, нуждающийся в магнитной доске, собственными магнитами, как это делается сейчас в промышленных изделиях, предназначенных для навешивания на доски с железным покрытием.
В Демонстрационной системе УНИВЕРСАЛ модули, нуждающиеся в креплении на магнитной доске, снабжаются небольшой пластинкой любого распространенного ферромагнитного материала (радиосталь, жесть, оцинкованное железо и пр.). Упрощается технология из готовления таких модулей, получается экономия на магнитах. Для крепления на магнитной доске карточек и мини таблиц служат две магнитные "таблетки", на наружной стороне доски.
На ПАНЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ (4) расположены органы управления устройствами БАЗОВОГО МОДУЛЯ и определяющие работу ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ МОДУЛЕЙ.
В отношении органов управления приняты следующие принципы:
1) органов управления должно быть как можно меньше; для учителя важна простота управления устройством; это способствует оперативности, безошибочности и комфортности при работе;
2) должны быть приняты хотя бы простейшие меры по нейтрализации фактора рассеяности и невнимательности учителя; с этой целью выключатели на панели управления и на демонстрационных модулях приняты, по возможности, кнопочными, самовозвратные (без фиксации). Демонстрируемые явления обычно непродолжительны, наблюдения длятся не более минуты, т.е. учителю нетрудно держать палец на кнопке. Фиксируемыми остаются только выключатели, обеспечивающие длительную работу устройств (выключатель сети, выключатель усилителя звуковой частоты, у которого может быть продолжительным режим ожидания или работы, например, в счетчике Гейгера или в составе радиоприемника).
На панели управления установлены: предохранитель сети, выключатель сети со световой индикацией; выключатель умножителя напряжения со световой индикацией; выключатели генератора и усилителя низкой частоты также со световой индикацией; переключатель диапазонов частот генератора и ручка плавной регулировки частоты, регулятор уровня громкости усилителя низкой частоты; переключатель входа усилителя низкой частоты на выход генератора и на сигнальные гнезда электропанели, а также переключатель выхода усилителя низкой частоты на динамики и на гнезда электропанели, предназначенные для работы демонстрационных модулей, использующих усиленные звуковые сигналы различной частоты.
Наконец, предусмотрен градуированный регулятор выхода постоянного стабилизированного напряжения 0-12 Вольт и стрелочный индикатор этого напряжения (вольтметр), позволяющий подавать на демонстрационные модули постоянное напряжение с точностью до 0,2 Вольта; это вполне достаточная точность для школьного демонстрационного эксперимента.
Органы управления систематизированы по выделенным группам: группа электропитания, группа усилителя, группа генератора, группа высоковольтного источника, Это облегчает работу учителя, ускоряет процесс освоения панели управления.
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ МОДУЛИ в системе УНИВЕРСАЛ - это функционально законченные устройства, изготовленные и отлаженные в заводских условиях, готовые к выполнению экспериментов немедленно после установки на БАЗОВОМ МОДУЛЕ (т.е. на магнитной доске или на электропанели).
При разработке и изготовлении действующего комплекта демонстрационных модулей предполагались и были реализованы следующие принципы:
1) основная задача демонстрационных модулей в условиях дефицита времени - показ физического явления или физической ситуации, а не процесс или технология получения этого явления;
2) опыты, выполняемые демонстрационными модулями, должны быть хорошо наблюдаемы;
3) демонстрационные модули должны быть электробезопасны;
4) конструкция модуля не должна быть внешне перегружена деталями, отвлекающими внимание зрителя от наблюдения основного явления. Все демонстрационные модули различимы между собой внешне и легко узнаваемы, путаница при их использовании учителем физики невозможна. Однако полезна их систематика внутри каждого раздела (механика, электростатика и др.) Она необходима и для внятной адресности при составлении инструкций и методических рекомендаций по использованию.
Автором принята буквенно-цифровая индексация, где буквы или их сочетания символизируют разделы и подразделы, а цифры - темы внутри разделов, например: К1, К2…(кинематика), Д1, Д2 (динамика), ЭС1, ЭС2.(электростатика) и т.д.
Оперативность и функциональность Демонстрационной системы УНИВЕРСАЛ можно проследить на примерах использования некоторых демонстрационных модулей.
1. Демонстрационный модуль ЭС1 (электростатика). Электростатический маятник, электрометр, электростатическая индукция.
В составе этого модуля:
а) электростатический маятник, демонстрирующий делимость зарядов;
б) два электрометра, позволяющие регистрировать наличие заряда и оценивать величину потенциалов на борнах электрометров относительно Земли при подаче зарядов на борны или перераспределении зарядов между ними;
в) плоский конденсатор и "зарядная камера", позволяющие осуществлять электростатическую индукцию в металлах с последующим разделением индуцированных зарядов, а также продемонстрировать энергию предварительно заряженного конденсатора.
Опыты а) и в) сегодня не выполняются в школах (и никогда не выполнялись) по причине необеспеченности этих опытов физическим оборудованием. Опыт "Электростатический маятник" рекомендовался учителям к обеспечению и выполнению своими силами.
Естественно, далеко не каждому учителю он по силам. Конструктивно он рекомендовался в виде легкого металлического цилиндра, помещаемого на горизонтальной непроводящей поверхности между двумя пластинами, к которым подводятся провода от электрофорной машины. Цилиндр, если он достаточно легкий, а электрофорная машина исправна, начинал сновать между пластинами, заряжаясь поочередно от одной из них и передавая заряд другой и наоборот. Неустойчивость такой свободной системы весьма велика и, совершив несколько колебаний, цилиндр вылетает за пределы действия пластин или прекращает работать вследствие перекоса цилиндра. В настоящее время промышленность выпускает прибор "Электростатическая дорожка" где между двумя пластинами по двум направляющим катается проводящий шарик, перенося заряд от одной пластины к другой. Однако незакрепленность шарика приводит к постоянному выходу шарика за пределы направляющих.
В демонстрационном модуле ЭС-1 электростатический маятник выполнен именно как легкий проводящий маятник (алюминиевый цилиндрик на легком стержневом подвесе) между пластинами, к которым подводится напряжение 5-10 киловольт от умножителя напряжения.
Последний выгодно отличается от бытующей в школьной практике электрофорной машины тем, что не боится влажности воздуха и не изнашивается со временем от трения движущихся частей. Умножитель напряжения во всем конкурентоспособен с электрофорной машиной: он в десятки раз меньшего объема, надежнее и вместе с тем дешевле в изготовлении. Его конструкция позволяет получать ступенчатый ряд напряжений (например, через 500 или 2000 Вольт), что очень удобно для опытов с разными электростатическими системами, а также для "зажигания" спектральных трубок.
От электрофорной машины отводы невозможны. Таким образом, применение известной схемы умножителя напряжения, выполненного на современной элементной базе, позволило создать функциональные демонстрационные модули по электростатике.
Опыт в) по электростатической индукции в металлах с разделением зарядов также не выполняется в средней школе за отсутствием приборного обеспечения, но описывается и рекомендуется в учебной литературе. Опыт эффектен и поучителен, но учителя его не демонстрируют, поскольку его нужно долго и тщательно готовить из подручных средств ради минутного показа в опасных условиях в электрическом поле высокой напряженности.
В модуле ЭС1 опыт надежно и безопасно организован и выполняется немедленно после установки модуля на электропанель. Простой и безопасный способ зарядки конденсатора через электростатическую индукцию с последующим сохранением заряда - это инновация в школьном приборостроении. Сам демонстрационный конденсатор - тоже НОУ-ХАУ, поскольку создан по предельно простой и доступной технологии, но неизвестной в школьном приборостроении: он выполнен из двусторонне фольгированной пластины стеклотекстолита. Этот материал используется в современной радиоэлектронике и радиотехнике для "печатного" монтажа.
В целом демонстрационный модуль ЭС1 может иметь различную структуру: может включать в себя один электрометр, а не два; может не иметь зарядной камеры, но оптимальная ее структура - электростатический маятник, два электрометра и зарядная камера.
Несущая опора модуля - пластмассовая(полистирол) секционированная, в нижней части которой размещены три штеккера для механической и электрической стыковки с гнездами "0-5000-10000 В" БАЗОВОГО МОДУЛЯ.
От штеккеров три хорошо изолированные провода со специальными (гнездовыми) наконечниками разводят высокие напряжения по желанию экспериментатора на борны электростатического маятника или электроскопов. Плоский конденсатор из двусторонне фольгированной пластины стеклотекстолита, снабженный держателем из изолятора, вставляется в направляющие пазы зарядной камеры до упора и вынимается уже заряженным благодаря специальной перемычке, замыкающей, а затем размыкающей фольгу по обе стороны пластины. Замыкание позволяет зарядам перемещаться с одной обкладки пластины на другую в электрическом поле камеры, а размыкание - не позволяет индуцированным зарядам вновь воссоединиться.
Конденсатор оказывается заряженным. Теперь его можно использовать для различных опытов; подключать к электростатическому маятнику, демонстрируя наличие у заряженного конденсатора наличие электрической энергии, либо к борнам электроскопов, позволяющих оценить разность потенциалов на обкладках конденсатора.
Демонстрационные возможности модуля ЭС1 существенно расширяются комплектованием его различными функциональными насадками к борнам электроскопов и электростатического маятника. При любых расширениях демонстрационных возможностей модуля, при внешних конструктивных изменениях модуля остается неизменным главное качество системы "БАЗА - МОДУЛЬ": ее высокая функциональность и, как следствие, - заявляемый результат: высокая оперативность в работе и постоянная готовность к действию вследствие предельной простоты стыковки демонстрационного модуля с базовым модулем, оснащенным всем необходимым для работы демонстрационного модуля.
Демонстрационный модуль Р1 (Радиоактивность). Счетчик Гейгера.
Сборка этого опыта из традиционного оборудования занимает половину урока, а собранная схема - половину демонстрационного стола: источник питания на 450 Вольт, панель с регистрирующей трубкой СТС, усилитель звуковой частоты, громкоговоритель, - и все это необходимо безошибочно соединить проводниками. Сам же опыт длится одну-две минуты. В составе Демонстрационной системы УНИВЕРСАЛ опыт по регистрации фонового излучения готовится в течение нескольких секунд. Демонстрационный модуль "Счетчик Гейгера" собран в корпусе из пластмассы (полистирол), содержит умножитель напряжения на 450 Вольт, работающий от гнезд 220 Вольт на электропанели, счетную трубку СТС, необходимые для работы схемы конденсаторы и резисторы. В основании модуля предусмотрены 2 пары закрепленных штеккеров: одна пара подключает умножитель напряжения к гнездам 220 Вольт на панели электропитания, а другая пара - подключает счетную трубку к сигнальным гнездам для передачи импульсов от трубки к усилителю звуковой частоты, переключатель выхода которого ставится в положение "Динамик". Интенсивность щелчков в динамике соответствует интенсивности фонового излучения. Сигнальные щелчки слышны достаточно громко и четко.
Демонстрационный модуль ГО1. (Геометрическая оптика). Законы отражения и преломления света. Преломляющее действие призмы. Фокус линзы. Измерение фокусного расстояния линзы. Построение изображений в собирающей линзе. Модель световода.
Модуль двусторонний. На одной стороне демонстрируют законы преломления и отражения света, преломление лучей в призме, наличие у собирающей линзы главного фокуса, полное внутреннее отражение и модель световода. На другой - измерение фокусного расстояния линзы и построение изображений с помощью собирающей линзы.
Чтобы перейти от одной группы демонстраций к другой достаточно вынуть модуль из гнезд одной линии, повернуть на 180 и вставить его в гнезда другой линии. Это отнимает всего несколько секунд.
Демонстрация опытов по отражению и преломлению света традиционно требует подготовки и отладки в течение 20-30 минут при полном наборе оборудования на столе. Необходимы: достаточно сильный источник света с возможностью фокусировки и с щелевой насадкой; набор профилей линз и призм, которые нужно закрепить в каких-либо держателях (обычно в лапках штативов или на специальных стойках); экран, закрепленный в держателе. Всю эту оптическую линию (источник света - зеркало или призма-экран) нужно аккуратно выстроить и отрегулировать и не сбить регулировку в процессе опыта. Для перехода от опытов по отражению и преломлению света к любому другому опыту по геометрической оптике нужно собрать другую линию и вновь ее настроить.
Демонстрационный модуль ГО1 содержит все необходимое для выполнения этих опытов в собранном и отлаженном состоянии. Вместо лампочки накаливания, требующей фокусировки луча, применен лазер, дающий световую линию (в отличие от лазеров, дающих световую точку). Траекторию светового отрезка на фоне демонстрационной плоскости технически получить легче, чем траекторию точки, которая весьма чувствительна к качеству поверхности, вдоль которой точечный луч скользит. На демонстрационной плоскости модуля предусмотрен поворотный профиль разрезной плоско-выпуклой линзы. Демонстратор поворачивает линзу, меняя угол падения луча и на демонстрационной плоскости можно наблюдать линии падающего, отраженного и преломленного лучей. В основании корпуса модуля ГО1 предусмотрена пара штеккеров, стыкующихся с гнездами постоянного напряжения 5,6 в на панели электропитания. Так осуществляется подключение лазера к источнику питания в БАЗЕ. Разумется, лазер и другие демонстрирующие элементы, требующие электропитания, можно было бы питать от отдельных батареек и аккумуляторов, что и делается в большинстве самодельных наглядных пособий. Но в высокофункциональных устройствах этого делать нельзя, так как посторонние источники требуют постоянного внимания - их надо регулярно проверять, менять, что дорого и хлопотно и лишает демонстрационное оборудование функциональности, а учителя - оперативности, уверенности и комфортности в работе с этим оборудованием. Все необходимые электроисточники должны быть долговременными в эксплуатации, собраны в одном месте и готовыми к быстрому и безошибочному подключению, что и сделано в демонстрационной системе УНИВЕРСАЛ.
Для повышения функциональности модуля ГО1 предусмотрена возможность поступательного перемещения лазера по направляющим. При этом луч лазера скользит по демонстрационной плоскости параллельно самому себе и параллельно главной оптической оси плоско-выпуклой линзы. На выходе из линзы преломленный луч, скользя по демонстрационной плоскости, пересекает главную оптическую ось примерно в одной точке - в фокусе линзы. Этим демонстрируется наличие у плоско выпуклой линзы главного фокуса - точки, где собираются лучи, пущенные параллельно главной оптической оси линзы.
Переведя лазер далее по направляющим, учитель посылает лазерный луч на трехгранную призму, проходя через которую, луч преломляется к основанию призмы.
Этот опыт объясняет фокусирующее действие собирающей линзы. Призма сделана поворотной. Перевернув призму основанием вверх, учитель демонстрирует рассеивающее действие вогнутых линз.
Подготовка и отладка этих экспериментов на традиционном оборудовании и даже на ближайших патентных прототипах отняла бы весь урок. Рациональная конструкция модуля, ориентированная на высокую функциональность, позволяет практически полностью исключить затраты времени на подготовку опытов. На обратной стороне модуля собраны эксперименты по определению фокусного расстояния собирающей линзы и построению изображения с помощью собирающих линз. Так плотно скомпоновать необходимые элементы в пределах одного демонстрационного модуля удалось благодаря замене традиционных лампочек накаливания значительной мощности (к тому же требующих специальных масок, что усложняет устройство и увеличивает габариты источника света) компактными и яркими светодиодами, дающими готовую световую линию без специальной маски.
Демонстрационный модуль ВО1 (Волновая оптика). Наблюдение дифракции и интерференции проходящих и отраженных световых волн. Определение длины волны лазерного источника света.
Традиционный набор элементов для выполнения этого опыта - отдельно источник света, отдельно учебная дифракционная решетка, укрепляемая на стойке, отдельно линейка-экран, укрепляемая на стойке. Сборка и отладка опыта отнимает не менее 10-15 минут; это довольно много для такого простого и короткого опыта.
В демонстрационном модуле ВО1 в качестве когерентного источника света используется полупроводниковый лазер от лазерной указки, жестко установленный на корпусе модуля и дающий луч-точку. Установлены также дифракционная решетка с постоянной 1:100 (100 линий на миллиметр) и экран-линейка. Модуль приводится в рабочее состояние установкой в гнезде 5,6 Вольт на электропанели с помощью пары штеккеров, электрически соединенных с лазером через резистор, гасящий избыток напряжения. Кнопка включения не нужна, поскольку энергопотребление лазера ничтожно и в нормальном режиме работы лазер весьма долговечен. Он включается сразу же при установке модуля на электропанели. На экране-линейке четко высвечиваются интерференционные точки до ПЯТОГО порядка включительно, что практически недоступно для лампочек накаливания. Практически пятый порядок для вычислений уже не нужен, но эффект сам по себе впечатляет. Это интерференционная картина в проходящем свете.
В середине линейки (в точке НУЛЕВОГО порядка) помещен небольшой (5×5 мм) фрагмент диска DVD. Падающий на него "нулевой" луч от дифракционной решетки отражается от поверхности диска, претерпевая дифракцию и создает на другом, противоположно расположенном экране свою интерференционную картину (интерференция в отраженном свете). По расстояниям между интерференционными точками в первом и во втором опытах, можно сделать вывод, что число линий на 1 мм на диске примерно в 6 раз больше, чем у дифракционной решетки.
Демонстрационный модуль ЭМВ1 (Электромагнитные волны). Детекторный приемник с усилителем низкой частоты.
Выпускаемое промышленностью в прежние годы учебно-наглядное пособие "Детекторный приемник", предназначенное для демонстрации основных элементов, обеспечивающих радиоприем, себя не оправдало. Для него требовалась длинная и высокая наружная антенна и заземление. Но в большинстве случаев при значительном удалении школ от мощных вещательных станций не помогала и наружная антенна, а в городских школах слишком хлопотно было устанавливать наружную антенну ради детекторного приемника. Поэтому постепенно производство этого пособия прекратилось.
Однако даже в наше время портативных средств связи и радиоприема принципы радиопередачи и радиоприема остались прежними. Поэтому демонстрация работы простейших входных устройств радиоприемника на примере детекторного не потеряла своей актуальности. Кроме того, детекторный приемник интересен сам по себе как раритетный объект материальной культуры первой половины 20 века. Для обеспечения работоспособности этого приемника без наружной антенны в модуле ЭМВ1 применяется так называемая "активная антенна" - известное электронное устройство для телевизионного приема изображения на комнатную антенну. Применительно к детекторном приемнику это выполнено в виде сочетания известной магнитной антенны на ферритовом сердечнике с предварительным широкополосным усилителем высокой частоты на одном транзисторе. Широкополосный усилитель включен между магнитной антенной и входной цепью приемника и относится, таким образом, не к приемнику, а к антенне, что и дает право называть эту предварительную систему "активной антенной".
Широкополосный усилитель способен усилить приемные свойства магнитной антенны в 5-7 раз, но создает некоторые собственные шумы, ухудшающие прием.
Усиленная смесь высокочастотных сигналов поступает на вход типовой схемы детекторного приемника, осуществляющего настройку сигналов на нужную радиостанцию, а с выхода детектора - на усилитель низкой частоты.
Модуль детекторного приемника приемника с базовым модулем связывают две пары контактов: одна пара - подача питания = 12 В от источника тока на широкополосный усилитель, а вторая пара - подача слабого звукового сигнала от детектора на вход усилителя низкой частоты в корпусе БАЗЫ. При установке модуля на электропанель остается ручкой настройки продемонстрировать настройку на радиостанцию (обычно это "Маяк" или "Россия" в средневолновом диапазоне).
Лучшие результаты получаются, если вместо широкополосного усилителя между входным контуром и детектором включить усилитель высокой частоты, уже выделенной колебательным контуром. Тогда приемник фактически уже перестает быть детекторным, но принцип работы входных цепей и детектора остается прежним.
Радиоприем получается достаточно громким.
Демонстрационный модуль ПТ1 (Постоянный ток). Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
Все позиции, обозначенные выше, выполняются с помощью этого демонстрационного модуля в режиме лабораторных работ со снятием показаний приборов, построением таблиц данных, вычислением результатов и формулировкой выводов. На модуле собрана необходимая цепь резисторов, сопротивления которых известны; предусмотрены контрольные точки для измерения напряжений и разрывы в цепи для измерения силы тока в ветвях цепи. Измерения выполняются с помощью малогабаритных электронных вольтметра и амперметра с достаточно большими цифрами красного свечения. Эти приборы (схемы которых известны) взяты готовыми и являются штатными для модуля ПТ1, т.е. установлены стационарно на панели модуля и в процессе работы подключаются к нужным точкам схемы с помощью гибких щупов. Все три работы в сумме выполняются в течение одного урока, поскольку не требуют предварительной сборки и отладки. Чтобы не использовать посторонние источники тока (это вносит неудобство в организацию опыта), в работе "Определение ЭДС источники тока" в качестве подопытного используется собственный источник тока на 12 В, входящий в состав БАЗЫ. Внутреннее сопротивление измеряется для этого же источника. Модуль ПТ1 готов к работе сразу же по установке его на ЭЛЕКТРОПАНЕЛЬ для подключения к источнику тока = 12 В.
Демонстрационный модуль ПТ2 (Постоянный ток). Параллельное и последовательное соединение проводников.
Этот модуль двусторонний: на одной стороне смонтирована демонстрационная лабораторная работа "Последовательное соединение проводников", на другой - "Параллельное соединение проводников". Смонтировать обе работы на одной стороне нельзя из-за недостатка места при принятых габаритах демонстрационных модулей, которые сопряжены с габаритами ЭЛЕКТРОПАНЕЛИ. В принципе возможна модернизация всей системы УНИВЕРСАЛ под большие габариты соответственно с укрупнением демонстрационных модулей, но такое укрупнение, видимо, имеет вполне ограниченные пределы. Размеры БАЗОВОГО МОДУЛЯ имеющегося образца вынуждают в некоторых случаях делать двусторонние демонстрационные модули. Впрочем двустороннее исполнение модулей при любых их габаритах рационально, поскольку позволяет экономить материал корпуса модуля, компактнее хранить готовые модули и упрощает смену одной демонстрации на другую.
Параллельное соединение проводников демонстрируется на примере двух параллельно включенных резисторов с разрывами в цепи для измерения силы тока в различных участках цепи, а также для непосредственного измерения сопротивления этих участков при выключенном модуле. Предусмотрены также контрольные точки для измерения напряжений. В качестве измерительных приборов используются готовые малогабаритные электронные вольтметр, амперметр и омметр с цифровой шкалой красного цвета и достаточных для наблюдения размеров. Чтобы обслуживать обе половины модуля, эти приборы сделаны поворотными вокруг вертикальных осей.
Последовательное соединение проводников изучается также на примере двух
последовательно включенных резисторов с разрывами в участках цепи и контрольными точками для измерения напряжений, силы токов и сопротивлений этих резисторов (хотя эти сопротивления известны изначально). Модуль вставляется в гнезда постоянного напряжения 12 В на электропанели и готов к работе.
На выполнение двух лабораторных работ в режиме демонстраций требуется 20-25 минут, остальное время до конца урока используется для вычислений и оформления работ.
Демонстрационный модуль ПТ-3 (Постоянный ток). Параллельное и последовательное включение лампочек накаливания. Мостик Уитстона.
Модуль односторонний. Электрические лампочки выбраны маломощные и малогабаритные (для холодильников и швейных машин). Две лампочки включены последовательно, две другие - параллельно. Каждая цепь снабжена своей нефиксированной кнопкой включения. Различия в характере свечения лампочек зрителям очевидны. Поскольку лампочки маломощны, они почти не разогреваются и можно из каждой включенной цепи вывернуть по одной лампочке и наблюдать различные результаты.
Мостик Уитстона выполнен из трех резисторов постоянного сопротивления и
одного переменного. В диагональ моста включен стационарно укрепленный на модуле миллиамперметр с нулевой точкой посередине. Поворотом ручки переменного резистора учитель добивается необходимого баланса напряжений в диагонали моста и стрелка прибора устанавливается на "ноль".
Устанавливается модуль ПТ-3 на электропанели в гнезда постоянного напряжения 12 Вольт и в гнезда сетевого напряжения 220 Вольт.
Демонстрационный модуль ПТ-4 (Постоянный ток). Магнитные действия тока.
В составе модуля ПТ-4 четыре демонстрации:
1) действие магнитного поля рамки с током на магнитную стрелку и тестирование магнитного поля с помощью индикатора магнитного поля - магнитной стрелки;
2) демонстрация магнитного действия катушки с током на железные предметы, усиление этого действия введением магнитного сердечника;
3) действие проводника с током на другой проводник с током (сила Ампера);
4) модель электромагнитной пушки.
Модуль двусторонний. На одной стороне собран только один опыт - возникновение силы взаимодействия между двумя линейными проводниками с током - силы Ампера. В школах этот опыт традиционно обходят стороной, т.к. соответствующее оборудование не выпускается, а из подручных средств создавать этот опыт очень хлопотно. Силы Ампера очень малы. Чтобы заставить магнитно взаимодействовать два линейных проводника длиной по 0,5 м на расстоянии 0,5-1 см один от другого, необходимо пропустить по ним токи силой около 30 Ампер. Это весьма большие и даже опасные токи для школьного кабинета физики. Их можно получить только от автомобильного аккумулятора, которого нет практически ни в одной школе. К тому же, проводники должны быть легкими и, следовательно, тонкими. Но тонкий проводник просто перегорит от такого тока. Поэтому в таком виде опыты не проводятся.
Для получения некоторого эффекта используют алюминиевую фольгу - ленту
от бумажного конденсатора, которую найти становится все труднее, ибо бумажный конденсатор - изделие прошлого века. Подвешивают две такие ленты вблизи друг друга (0,5-1 см), следя чтобы они не замкнулись и в то же время не натягивались (иначе магнитные силы будут нейтрализованы силами натяжения) и пропускают по ним кратковременно ток силой до 5 ампер, чтобы ленты не расплавились. Но в системе образования не может быть опоры на самодельные и хлопотные опыты.
Результаты должны достигаться минимальными средствами, должны быть устойчивы и легко воспроизводимы. Такой результат достигается в конструкции модуля ПТ-4; это инновация в технологии школьного приборостроения. Линейный проводник заменен его усиленным эквивалентом - длинной стороной проволочной рамки, содержащий 50 витков провода диаметром 0,5 мм. При пропускании по рамке тока силой 1 А. вокруг любой стороны рамки создается магнитное поле, как вокруг проводника с током соответственно силой 50 ампер. Магнитное поле такой рамки достаточно эффективно взаимодействует со стороной другой такой же рамки, по которой пропускается такой же ток.
Таким образом, опыт по магнитному взаимодействию двух проводников с большими токами сводится к опыту по взаимодействию двух параллельных длинных сторон двух рамок, одна из которых закреплена, а вторая подвешена на оси вдоль второй длинной стороны.
В результате магнитного взаимодействия подвижная рамка 1 отклоняется от неподвижной 2 или приближается к ней, поворачиваясь вокруг оси подвеса при пропускании токов через рамки в одном или противоположных направлениях.
Далее, повернув модуль на 180, можно демонстрировать магнитное поле рамки с током. Прямоугольная рамка содержит 50 витков провода 0,5 мм. Пропуская через нее ток силой 0,5 А, получаем магнитное поле рамки такое же, как и от одиночного провода с током силой около 25 Ампер. Такое поле заметно действует на магнитную стрелку в виде специально выполненного магнитного пробника. Это также полезная инновационная модель в школьном приборостроении. Кабинеты физики комплектуются наборами демонстрационных магнитных стрелок с игольчатыми подставками. Но такие комплекты могут работать только при горизонтальном положении стрелки, как обычные магнитные компасы. Таким пробником нельзя свободно манипулировать в пространстве магнитного поля. Для модуля ПТ-4 сконструирован и изготовлен специальный магнитный пробник. Он состоит из немагнитной ручки (пластмасса, латунь, алюминий и его сплавы), имеющий на одном из концов разрез, достаточно широкий для размещения ступицы стрелки, насаженной на ось, перпендикулярную продольной оси ручки. Магнитная стрелка, таким образом, может свободно вращаться вокруг неподвижной оси и является простейшим пробником магнитного поля. Ему, в отличие от стрелки на игольчатой опоре, можно придавать любые положения в пространстве.
Действие магнитного поля тока на ферромагнитные материалы демонстрируется с помощью катушки, содержащей 2000 витков провода диаметром 0,3 мм. При пропускании через нее тока силой около 0,5 А, кАтушка достаточно заметно притягивает железный якорек, подвешенный поблизости от одного из торцов катушки. Если в катушку вставить небольшой якорь (отрезок винта М5), то заметно значительное усиление притяжения якоря.
При изменении направления тока в катушке якорь по прежнему притягивается, а не отталкивается. Этот факт очень важен.
Наконец, в составе модуля ПТ-4 есть развлекательная и познавательная модель электромагнитной пушки, чего нет в комплектации физкабинета.
В катушку, содержащую 4000 витков провода 0,3 мм вставляется магнитный сердечник в определенной, заранее отмеченной полярности. При включении (кнопкой) катушки в цепь питания = 12 Вольт магнитный сердечник-снаряд вылетает из катушки, попадая в магнитоуловитель. От опыта к опыту точка попадания воспроизводится с неизменной точностью, поэтому магнитоуловитель действует безотказно.
Модуль ПТ-4 стыкуется с электропанелью одной парой контактов на напряжение = 12 В.
Демонстрационный модуль ПТ-5 (Постоянный ток). Проводник с током в магнитном поле. Рамка с током в магнитном поле. Модель электродвигателя постоянного тока.
В отличие от модуля ПТ-4, демонстрирующего поведение окружающих тел в магнитном поле проводника с током, модуль ПТ-5 демонстрирует поведение самого проводника с током в поле постоянных магнитов. Ключевыми опытами здесь являются:
1) проводник с током в магнитном поле;
2) рамка с током в магнитном поле.
Как и все другие опыты по электродинамике, эти опыты на основе выпускаемого оборудования готовятся достаточно примитивно. Растягиваются провода, расставляются магниты, цепь проверяется на отсутствие короткого замыкания, подключается балластный реостат (именно для избежания короткого замыкания) и, наконец, цепь подключается к источнику тока на 1-2 секунды и наблюдается отклонение проводника с током в магнитном поле. Пятнадцать-двадцать минут подготовки и одна-две секунды наблюдения - такова цена эксперимента по типовой схеме.
С рамкой в магнитном поле дело обстоит лучше. Это один из очень немногих приборов, практически готовых к работе, хотя и требуется присоединить его к источнику тока.
В модуле ПТ-5 линейный проводник с током имитируется нижней стороной прямоугольной рамки, качающейся вокруг горизонтальной оси, как в модуле ПТ-4. Под этой нижней стороной рамки находится магнитная "таблетка", создающая достаточно сильное и однородное магнитное поле вблизи ее поверхности. При кратковременном пропускании тока через рамку от (кнопки) нижняя сторона рамки ведет себя как линейный проводник резко и с заметной амплитудой отклоняется от вертикального положения перпендикулярно магнитным силовым линиям таблетки. При переключении направления тока в рамке с помощью коммутирующего тумблера направление отклонения рамки изменяется на противоположное.
Вращение рамки с током в однородном магнитном поле также является индикатором наличия этого магнитного поля. Рамка, содержащая 50 витков провода 0,5, опирается токопроводящими шипами на токопроводящие подшипники, к которым подводятся проводники (через кнопочный самовозвратный выключатель) от стыковочных штекеров модуля. Концы обмотки рамки подпаяны к этим латунным шипам, т.е. ток подается в рамку через опоры, что позволяет отказаться от специального токопередающего коллектора или от гибких подводящих проводников, как это сделано в промышленном варианте.
Симметрично по обе стороны рамки, вблизи ее боковых сторон размещены на держателях магнитные "таблетки", магнитные силовые линии которых у поверхностей ориентированы параллельно плоскости рамки. При включении тока в цепь рамки на нее действует вращающий момент сил взаимодействия магнитных полей боковых сторон рамки с магнитными полями "таблеток" и рамка поворачивается.
Кроме этих двух опытов на демонстрационном модуле ПТ-5 собран и третий, являющийся логическим развитием второго. Это модель электродвигателя постоянного тока.
Чтобы заставить рамку с током не просто поворачиваться на некоторый угол, а непрерывно вращаться, необходимо переключать направление тока при повороте рамки на угол, немногим больший 90. Для этой цели обычно служит коллектор - два разделенных полукольца, к которым подсоединены обмотки рамки и которых касаются подпружиненные "щетки", соединенные с источником тока. Однако проведенные автором эксперименты показали, что с ролью коллектора хорошо справляется пара ГЕРКОНОВ (герметичных магнитных контактов). Это очередная инновация в системе УНИВЕРСАЛ. Герконы срабатывают от магнитного поля определенной индукции. Два геркона ориентированы параллельно боковым сторонам рамки и пропускают ток, когда боковые стороны пересекают магнитное поле "таблеток". Одна-две пары герконов обеспечивают надежное вращение рамки.
Демонстрационный модуль ПТ-6 (Постоянный ток). Определение электрохимического эквивалента меди.
Традиционно подготовка и проведение этого опыта занимает весь урок. Нужно взвесить медный электрод до опыта, подвести провода к клеммам электродов, погрузить электроды в стакан с медным купоросом, подключить провода к источнику тока и минут 10-15 ждать, пока на электроде осядет достаточное количество меди, чтобы можно было ее взвесить. Затем отключить источник тока, вытереть катод, на котором оседает медь, высушить его над спиртовкой или электроплиткой (чтобы ускорить процесс сушки), затем вновь взвесить 2-3 раза, чтобы получить среднее значение массы осевшей меди и, наконец, вычислить электрохимический эквивалент меди.
С модулем ПТ-6 этот опыт проводится от начала до получения электрохимического эквивалента за 10 минут благодаря инновации в технологии опыта.
В корпусе модуля устроена небольшая емкость (около 100 мл), в которую заливается медный купорос. Емкость оборудована двумя захватами типа "крокодил" для крепления электродов. К зажимам через кнопочный (с фиксацией) выключатель подводится постоянное напряжение = 5,6 В от штеккеров в корпусе модуля. В разрыв цепи включен амперметр со шкалой на 1 ампер (для более точных измерений тока с одной стороны и, вместе с тем, ток силой 0,5-0,7 достаточен для высокой скорости электролиза меди).
Инновация заключается в том, что в держателях электродов зажимаются не медные пластины, а небольшие отрезки односторонне фольгированного стеклотекстолита, применяемого в электронике и радиотехнике для изготовления печатных схем (или "плат").
Толщина медного покрытия (фольги) стандартна и равна 0,05 мм, площадь электролиза (оставленная площадь фольги, остальная удаляется) равна 1 кв.см. По этим данным и плотности меди заранее единожды и навсегда вычисляется масса покрытия. Она равна 0,00004 кг. При включении кнопки питания по цепи пойдет ток электролиза, что и зафиксирует амперметр. Расстояние между катодом и анодом подобрано так, что при 20-процентном растворе медного купороса полное растворение фольги длится около 2 минут.
Сила тока электролиза при этом уменьшается, поскольку уменьшается площадь растворяемой фольги, и вскоре ток прекращается, так как цепь разрывается при полном растворении. На заранее приготовленной миллиметровке, где по горизонтали откладывается время через каждые 15-20 сек, а по вертикали - сила тока в Амперах, строится график зависимости силы тока от времени. Это делается в процессе наблюдения растворения.
По прекращении тока остается вычислить (приближенно) площадь между графиком силы тока и осью времени, она равна величине заряда, прошедшего через раствор.
По известным массе меди и величине заряда немедленно определяется электрохимический эквивалент меди.
Опыт состоится и в том случае, если стеклотекстолит окажется фольгированным не медью, а латунью (что вероятнее). Стандарт на толщину покрытия тот же, плотность примерно такая же, что и у меди. Школьный эксперимент не претендует на высокую точность измерений. Важны порядки величин и общие закономерности. В любом случае точность предлагаемого в модуле ПТ-6 метода не ниже точности традиционного.
Функциональность модуля ПТ-6 обеспечивается введенной в него инновацией и быстротой постановки модуля на электропанель в гнезда = 5,6 В.
Демонстрационный модуль ЭМИ-1 (электромагнитная индукция). Явление электромагнитной индукции. Индукционный ток. Токи Фуко.
Как обычно, традиционное выполнение этих демонстраций связано с подготовкой и отладкой на демонстрационном столе системы из катушек, проводов, магнитов, гальванометра, сборно-разборного трансформатора и источника тока.
Изменив конструктивно эти составные части опыта, удалось собрать демонстрационный модуль, готовый к выполнению демонстраций немедленно после стыковки с электропанелью (гнездо = 5,6 Вольт).
Для демонстрации явления электромагнитной индукции изготовлены и установлены соосно на корпусе модуля ЭМИ-1 две катушки по 2000 витков провода 0,2 мм в каждой. Одна катушка замкнута на установленный на модуле микроамперметр (гальванометр), а другая - через самовозвратную кнопку соединена со штеккерами = 5,6 В.
Вдвигая в индикаторную катушку, замкнутую на гальванометр, магнитный сердечник, наблюдаем отклонение стрелки гальванометра - признак появления индукционного тока. Подавая через возвратную кнопку ток в другую катушку, расположенную соосно с индикаторной и впритык к ней, вновь замечаем отклонение стрелки. Вставляя при этом в соосно расположенные катушки ненамагниченный железный стержень, замечаем существенное увеличение эффекта (отброса стрелки). Следует вывод: при всяком изменении магнитного потока, пересекающего замкнутый контур, в последнем возникает индукционный ток, регистрируемый гальванометром.
Токи Фуко, (индукционные вихревые токи) с помощью модуля ЭМИ демонстрируются разными способами, среди которых есть инновационные. Традиционно алюминиевый маятник пускают между двумя съемными наконечниками на магнитопроводе демонстрационного трансформатора. Эта система довольно громоздкая и хлопотная при внешней простоте. Необходимо не только поставить и закрепить наконечники на трансформаторе, но и закрепить ось самого маятника и отрегулировать систему, чтобы маятник не цеплялся за наконечники. В процессе качаний маятник с большой скоростью пересекает магнитное поле наконечников в зазоре и тормозится вследствие взаимодействия магнитных полей индуцированных вихревых токов (токов Фуко) с переменным магнитным полем наконечников (трансформатор включен в сеть переменного тока).
В модуле ЭМИ-1, в отличие от традиционного исполнения, сам маятник несет на себе магнит (магнитную "таблетку") навешивается на магнитную доску БАЗЫ с помощью стальной пластинки, качается параллельно алюминиевой плоскости доски и тормозится до полной остановки в пределах двух-трех колебаний.
Другие способы демонстрации вихревых токов - медленное падение магнитной таблетки в алюминиевой трубке, медленное скатывание или скольжение магнитной таблетки по алюминиевой плоскости также не требуют электропитания и весьма эффектны.
В составе модуля ЭМИ также опыт, не обеспечиваемый учебно-наглядным оборудованием в школах. На пластмассовой трубке намотана катушка (3000 витков провода 0,1 мм), замкнутая на закрепленный здесь же светодиод. При падении магнитной таблетки внутри трубки и пересечении магнитным полем таблетки витков катушки в последней создается ЭДС индукции и светодиод вспыхивает красным свечением.
На примере рассмотренных демонстрационных модулей очевидна высокая функциональность и оперативность Демонстрационной системы УНИВЕРСАЛ благодаря рациональной инновационной конструкции каждого демонстрационного модуля и обеспечению простоты установки его на электропанели или на магнитной доске БАЗОВОГО МОДУЛЯ. В свою очередь, БАЗОВЫЙ МОДУЛЬ, содержащий все необходимые элементы для работы демонстрационных модулей (генератор, источники питания, усилитель, высоковольтный источник, динамики), связанные в единую действующую схему, является универсальной основой, под которую можно разрабатывать любые новые демонстрационные модули и реконструировать уже существующие.
Главные признаки, отличающие демонстрационную систему УНИВЕРСАЛ - полная собранность каждого демонстрационного модуля, его отлаженность и готовность к выполнению демонстраций и лабораторных работ; оснащенность базового модуля необходимыми элементами, обеспечивающими работу демонстрационных модулей; простое, надежное и быстрое штеккерно-гнездовое соединение демонстрационных модулей с базовым, причем существенно, что способ штеккерно-гнездового соединения - это стыковка при установке демонстрационного модуля на панель электропитания. При этом происходит одновременное и безошибочное соединение двух-трех пар штеккеров и гнезд. Мало создать функциональный демонстрационный модуль с одной стороны и некоторый блок (БАЗУ), содержащий все необходимое для работы демонстрационных модулей - с другой стороны. Необходимо быстро, надежно и безошибочно соединять их в работоспособную систему. Это невозможно сделать при проводной системе соединения, где провода со штеккерами - от модулей, а гнезда - на корпусе БАЗЫ. Только беспроводное соединение методом стыковки дает оперативную и безошибочную подготовку опыта.