ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ (ПРИБОР СЕРЕЛИ)

Полезная модель относится к области приборов для демонстрационных экспериментов и лабораторных работ по физике в общеобразовательных школах.
Для изучения вопросов механического движения, оптики, гидро- и электростатики изготовлены различные конструкции приборов - инструментов для проведения демонстрационных опытов и лабораторных работ /1-9/. Часто вместе с ними требуется применение вспомогательных приборов, например капельниц, стробоскопа, электронного секундомера и др., которые в большинстве школ не имеются в наличии. Это обстоятельство не только затрудняет проведение работ, но в некоторых случаях и исключает их проведение.
Прототипом предполагаемой полезной модели выбран школьный уровень и сообщающийся сосуд. Уровень содержит несколько искривленную жесткую стеклянную трубку с закрытыми концами содержащую жидкость и воздушный пузырек и закрепленную на стойке. Сообщающийся сосуд также выполнен из стекла. Известные устройства ввиду хрупких материалов недолговечны /1/.
Воздушный пузырек в трубке при ее наклоне выполняет роль подвижного тела, но не дает возможности изучения движения пузырька в виду жесткости, незначительности размера трубки и ее изгиба.
Технический эффект полезной модели заключается в возможности использования доступных и дешевых материалов, облегчении изготовления, повышения безопасности, упрощение подготовительных работ для проведения опытов.
Технический эффект достигается тем, что прибор для демонстрационных и лабораторных опытов по физике содержит на стойке закрепленную прозрачную, эластичную, заполненную жидкостью с открытыми или закрытыми концами и пузырьком воздуха, при этом стойка имеет паз, ширина которого меньше диаметра трубки, предназначенный для фиксации трубки в прямом или в изогнутом положениях и полку для установки бумажной полосы.
Для изучения механического движения в приборе вместо стеклянной трубки применена полипропиленовая прозрачная трубка, с закрытыми концами, размеры которой, например L=310 мм, D=10 мм, d=8 мм, в которой имеется подкрашеная морозоустойчивая жидкость, например, антифриз, жидкость
для мытья стекол и пр. и маленький пузырек воздуха. Эластичная трубка разного изгиба (прямая или изогнутая) легко закрепляется в паз имеющий полки и выполненный в пластине изготовленной из пластиката и представляющей собой стойку или опору и в случае надобности вынимается из него. Размеры стойки или опоры 332×32 мм.
В сообщающихся сосудах также использована прозрачная трубка закрепленная в паз имеющий полки и выполненный в пластине изготовленной из пластиката и представляющей собой стойку или опору и закреплена в вертикальном положении резиновым или каучуковым кольцом.
Прибор для демонстрационных и лабораторных опытов по физике представлен на 2-х фигурах:
Фиг.1 - полипропиленовая прозрачная эластичная трубка с пробками, заполненная подкрашенной жидкостью 1, воздушным пузырьком 2, пазом 3, полкой 4.
Фиг.2 - полипропиленовая прозрачная эластичная трубка с открытыми концами с подкрашенной жидкостью 1, пластиковой стойкой (паз с полкой) 2, крепеж - резиновое или каучуковое кольцо 3.
Прибор для демонстрационных и лабораторных опытов по физике отличающийся тем, что концы эластичной трубки закрыты вклеенными пробками.
Прибор для демонстрационных и лабораторных опытов по физике отличающийся тем, что диаметры пробок превышают внутренний диаметр эластичной трубки.
Прибор для демонстрационных и лабораторных опытов по физике отличающийся тем, что трубка заполнена подкрашенной морозоустойчивой жидкостью (например, антифризом).
Прибор для демонстрационных и лабораторных опытов по физике отличающийся тем, что эластичная прозрачная трубка имеет открытые концы и заполнена подкрашенной жидкостью и установлена изогнуто в вертикальном положении и закреплена резиновым или каучуковым кольцом.
«Прибором Серели», его составляющими частями с некоторыми дополнительными предметами вместе (лазерная указка; пластмассовый мяч, шарики и бутылка; стеклянная колба и воронка; сосуд с водой, сухой спирт или спиртовка, динамометр, штатив, грузы, линейка, шпилька и др.) возможно проводить демонстрационные эксперименты и лабораторные работы.
Демонстрационные эксперименты
На фигурах приведены схемы демонстрационных экспериментов
Фиг.2 - Проверка закона сообщающихся сосудов.
Полипропиленовая прозрачная эластичная трубка с открытыми концами и подкрашенной жидкостью зафиксированная в пазу опоры в выгнутом состоянии в вертикальном положении. Наблюдают свободные поверхности покоящейся жидкости в сообщающихся сосудах на одном уровне и неоднородной жидкости на разных уровнях. Меняют форму сообщающихся
сосудов раздвижением или сдвижением ветвей трубки, проверяют закон сообщающихся сосудов /3/.
Фиг.3 - Взаимодействие заряженных тел.
Полипропиленовую трубку с жидкостью или заряженную пустую трубку, или заряженную пластмассовую линейку при помощи нитки подвешивают или помещают над лампой накаливания в горизонтальном положении. Пластикатовую опору при помощи трения заряжают и приближают к трубке или линейке. Наблюдают за электрическим взаимодействием /2/. Если в полипропиленовую трубку поместить металлическую трубку или проволоку, а трубку обернуть фольгой или поместить в металлическую трубку, получим цилиндрический конденсатор, емкость которого можно изменять взаимным перемещением металлических элементов.
Фиг.4 - Принцип действия уровня.
Для этого закупоренную с обоих концов трубку с жидкостью и воздушным пузырьком достают из паза, слегка выгибают и концами закрепляют в паз и наблюдают за местоположением пузырька воздуха /4/.
Фиг.5 - Принцип действия световода.
Пустую или с жидкостью полипропиленовую трубку, изогнутую в виде подковы помещают в паз (или удерживают левой рукой), лазерной указкой освещают один из торцов трубки. Изогнутая трубка почти целиком освещается из-за явления полного внутреннего преломления света (в частично затемненной комнате) /9/.
Фиг.6 - Действие фонтана.
У пластиковой бутылки отрезают дно. Колпачек бутылки просверливают и плотно пропускают в отверстие конец полипропиленовой трубки с открытыми концами. В бутылку заливают воду, а на другой конец трубки надевают стеклянную часть пипетки. Пальцем удерживают суженное отверстие. После освобождения отверстия, начинается фонтанирование и продолжается до тех пор, пока уровень воды в бутылке не уровнится с открытым концом трубки. Это явление объясняется законом сообщающихся сосудов, и лежит в основе работы водопровода /3/, /5/.
Фиг.7 - Действие водомерной трубки.
Прибор изготовляют таким образом, как и при проверке действия фонтана, без стеклянной пипеки (в сосуде) выше уровня жидкости, наблюдают установление жидкости в бутылке (сосуде) и трубке на одном и том же уровне, что является одним из примеров применения закона сообщающихся сосудов /5/.
Фиг.8 - Действие сифона.
Полипропиленовую трубку с открытыми концами одним концом опускают в стакан с жидкостью, а другой конец свешивают. Из этого конца отсасывают воздух до появления воды и опускают конец в пустой стакан, поднимают второй стакан, а первый опускают и наблюдают обратное перетекание воды /5/.
Фиг.9 - Действие фонтана Герона.
В пробку укупоренной толстостенной бутыли плотно пропускают трубку и заливают воду в таком количестве, чтобы конец трубки оказался в воде. В другой конец трубки узким концом вставляют пипетку и вдуванием или насосом подают воздух в бутылку и закрывают пальцем. При отпускании пальца наблюдают фонтанирование воды. Получение фонтана возможно также в вакууме /1/, /2/ и /3/.
Фиг.10 - Обнаружение существования воздуха.
На воронку надевают полипропиленовую трубку, на другой ее конец - стеклянную часть пипетки. Воронку медлено опускают в сосуд с водой, а стеклянную трубку удерживают поверх сосуда с водой таким образом, чтобы суженный конец находился в воде на 1-2 мм ниже уровня воды. Наблюдают выделение из трубки пузырьков воздуха. В качестве воронки возможно применение пластмассовой бутылки, которую сжимают в руке, воздух выпускают наружу, об этом говорит выделение пузырьков воздуха в воде /5/.
Фиг.11 - Расширение воздуха при нагревании.
В пробку толстостенной стеклянной или пластмассовой бутылки плотно продевают трубку с открытыми концами. В бутылку заливают немного подкрашенной жидкости таким образом, чтобы конец трубки оказался под водой. Охватывают бутылку руками, не пережимая пластмассовую бутылку. Наблюдают как поднимается жидкость в трубке. Такое же явление наблюдают с термометром Галилея /3/, /7/.
Фиг.12 - Расширение жидкости при нагревании.
В пробку толстостенной стеклянной или пластмассовой бутылки плотно продевают трубку с открытыми концами. Бутылку заполняют подкрашенной жидкостью. Жидкость вытесненная пробкой поднимается в трубке, но воздух имеющийся в трубке должен остаться. Бутылку помещают в емкость с водой на подставку или тряпку чтобы была прослойка воды между дном емкости и бутылкой, т.е. водяная рубашка и нагревают. Наблюдают в начале понижение уровня жидкости в трубке, пока нагревается сама бутылка, а затем поднятие уровня жидкости, когда нагревается жидкость. Опыт протекает более просто, в случае нагрева огнеустойчивой колбы на огне спиртовки /3/, /6/, /7/.
Фиг.13 - Модель термометра Галилея.
На одном конце открытой полипропиленовой трубки закрепляют маленькую колбу, другой конец трубки опускают в подкрашеную воду открытого сосуда (стеклянная колба, пластмассовая бутылка, стакан и др.) таким образом, чтобы подкрашенная жидкость доходила до середины трубки. При нагреве колбы и содержащегося в ней воздуха, уровень жидкости в трубке понизится, а при остывании - повысится. Прибор очень чувствителен к температурным изменениям. /6/.
Фиг.14 - Снижение давления в воздушном потоке.
Стеклянную воронку надевают на трубку, переворачивают и закрепляют на штативе. В воронке поддерживают целлулоидный шарик (шарик настольного тениса) и в трубку подают воздушный поток и отпускают шарик. Шарик начинает подпрыгивать но не падает /2/.
Фиг.15 - Действие Ливера.
На конец трубки надевают стеклянную трубку (пипетку) или корпус шариковой ручки и опускают в подкрашенную жидкость сосуда. Наблюдают за одним и тем же уровнем воды в сосуде и трубке. Пальцем закрывают верхнее отверстие конца трубки и трубку вынимают из воды, атмосферное давление удерживает воду в трубке. Затем открывают отверстие трубки, воздух проникает в трубку и вода вытекает из трубки в сосуд. Показывают что ливером возможно доставать жидкость с различных глубин /1/, /3/.
Фиг.16 - Реактивное движение.
На один конец трубки надевают стеклянную воронку, или пластмассовую бутылку с водой. Воронку закрепляют на штативе таким образом, чтобы трубка приняла вертикальное положение, под ней ставят пустой сосуд. В воронку заливают воду, и наблюдают за отклонением трубки противоположным направлению вытекания струи из трубки. Отклонение трубки вызывано реактивным движением. Отклонение трубки станет более очевидным если бутылку сжать рукой /1/.
Лабораторные работы
На фигурах приведены схемы опытов лабораторных работ
Фиг.17 - Определение размеров малых тел.
В пазу пластикатной пластины размещают в ряд шарики или дробь для удобства работы. Измеряется длина ряда /4/.
Фиг.18 - Изучение равномерного движения.
На пластикатовой полке (пластине) клипсами или скрепкой закрепляют бумажную полосу. Опорой, например ластиком или маленьким бруском прибор наклоняют на небольшой угол, пузырек движется вверх. Метроном устанавливается на определенный промежуток времени и на полоске бумаги отмечают положения пузырька после равных промежутков времени (опыт повторяют несколько раз). При помощи линейки измеряют путь пройденные пузырьком (или координаты). Изучают движение пузырька и отмечают что движение пузырька равномерное. Определяют скорость пузырька. Опыты проводят при различных углах наклона прибора. Составляют таблицу и график зависимости скорости и пути (или координаты) от времени. Оценивают погрешности /4/.
Фиг.19 - Изучение равноускоренного движения.
При помощи штатива пластикатную пластину с пазом помещают наклонно (для удлинения паза предпочтительно соединить два паза клипсами). Для торможения покатившегося в пазу шарика используют металлический цилиндр или брусок. Время отсчитывают метрономом или секундомером. Расстояния пройденные шариком измеряют мерной лентой или линейкой /8/.
Фиг.20 - Изучение относительности движения - проверка закона суммирования перемещения и скоростей одного направления.
Два прибора для изучения равномерного движения содержащих в трубках жидкости различной вязкости одинаково наклоняют. Пузырьки в трубках перемещаются с различными скоростями. Опыты повторяют несколько раз и отмечают положение пузырьков поочередно на двух бумажных полосках подобно изучению равномерного движения. По полученному на полосках отображению перемещения, изучают относительность движение пузырьков, проверяют закон суммирования перемещения и скоростей в классической механике /1/.
Фиг.21 - Изучение относительности движения - проверка закона суммирования перемещения и скоростей направления под углом друг относительно друга.
Два прибора для изучения равномерного движения имеющие бумажные полоски, закрепляют на диктовой или картонной пластине под углом друг другу, на пластине закреплен бумажный лист. Пластину наклоняют на некоторый угол и пузырьки начинают перемещаться между приборами по выбранному углу. На полосках бумаги отмечают положения пузырьков с через равные промежутки времени при помощи метронома. Угол между приборами и точки, полученные на полосках переносят на лист бумаги или миллиметровки и проверяют относительность движения направления под углом и закон суммирования скоростей и перемещений II/.
Фиг.22 - Определение условий равновесия рычага.
За рычаг принимают пластикатный профиль имеющий паз, который 25 мм клипсой и штырем (гвоздь, корпус шариковой ручки и пр.) крепится к штативу. Для закрепления на рычаге груза и динамометра применяют клипсы размером 15 мм. На разных местах рычага подвешивают грузы или динамометр для получения равновесия рычага. Измеряют силы и масштабной линейкой плечи рычага и проверяют правило моментов сил /4/, /8/.
Фиг.23 - Измерение сил взаимодействия между зарядами.
Собирают установку согласно фигуры, применяют штатив, пластикатный профиль имеющий паз, и две клипси 15 мм. Из фольги сворачивают шарики, измеряют их вес на рычажных весах и нитями длиною в 1,5 м подвешивают клипсами к пластикатному профилю. Предметом, заряженным трением касаются шариков, они наэлектризовываются и отталкиваются. Измеряют длину отвеса и расстояние между шариками. Используя правило моментов, определяют электрическую силу взаимодействия наэлектризованных шариков /6/.
Учебный и методический эффект полезной модели заключается в максимальном упрощении, безопасности проведения опытов, не требует большого времени на подготовительные работы по проведению опытов, применяемые материалы позволяют легкую трансформацию форм. Время проведения опытов сокращается, и расширяется многоплановость опытов и сфера их проведения: механика, геометрическая оптика, электростатика и гидростатика.
Источники информации
1. Preisverzeichnis, Physikalische Apparate und chemische gerate, Meizer & Merting, Dresden, 1905, с.18, 6601; 6602; 6603; 6615, с.23, 6806, с.36, 6991.
2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе, ч. 1, М., Просвещение, 1978, с.187, опыт 108, с.92, фиг.1.86, с.82, фиг.1.71, с.28, 29.
3. Буров В.А., Дубов Ф.Г. и др., Демонстрационные опыты по физике в VI-VII классах средней школы, М., Просвещение, 1970, с.114, опыт 44, с.115, опыт 45, с.120, опыт 50, с.52, опыт 6, с.51, опыт 5.
4. Физика и Астрономия, Учебник для 7 класса общеобразовательных учереждений под ред. Пинского А.А., Разумовского В.Г., М., Просвещение, 2001, с.14, фиг.1.12, с.170, 177, 185.
5. Кикнадзе Джемал. Простые и безопасные эксперименты. Физика. Для учащихся и педагогов, ч.1, Интеллект, Тбилиси, 2004, с.71, фиг.93, с.91, опыт 118, 119, фиг.122, с.86, опыт 109, фиг.112, с.84, опыт 105, фиг.109.
6. Физика и Астрономия, учебник для 8 класса общеобразовательных учереждений под ред. Пинского А.А., Разумовского В.Г., М., Просвещение, 2001, с.62, фиг.3.7, 3.8, с.66, фиг.3.11, с.272.
7. Галперштейн Леонид, Занимательная физика, М., Росмен, 1998, с.70,71.
8. Буров В.А. и др., Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе. Пособие для учителей, М., Просвещение, 1974, с.125, 57, 77.
9. Научно-методический журнал, Физика в школе, 1988, 1, с.64.