УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКТ ПО ОПТИЧЕСКИМ И КВАНТОВЫМ ЯВЛЕНИЯМ
TEACHING SET FOR OPTICAL AND QUANTUM PHENOMENA

Изобретение относится к учебным пособиям и касается конструкции учебного комплекта, предназначенного для проверки экспериментальных умений по разделу физики оптические и квантовые явлениям в рамках итогового контроля знаний учащихся и умения сделать вывод об экспериментальных опытах, проведенных по физике за курс средних общеобразовательных учебных заведений. Комплект предназначен.для выполнения экспериментальных заданий по оптическим и квантовым явлениям, включенных для проведения Государственной итоговой аттестации выпускников школы. Кроме того, комплект может использоваться учениками для выполнения других наблюдений и опытов, а также при решении экспериментальных задач в процессе обучения по школьной программе.
Известен учебный комплект по оптике, содержащий оптический стол с направляющим пазом, в котором установлены с возможностью перемещения оптические элементы (см. CN 201084306, 2008). Известный комплект имеет ограниченное применение, т.к. рассчитан на демонстрацию только небольшого числа опытов при изучении свойств света и не позволяет демонстрировать все многообразие эффектов, связанных со свойствами света.
Известен «Учебный прибор для изучения квантовых явлений» по патенту РФ №2291495, содержащий корпус, во внутренней полости которого закреплен ложемент с размещенными в нем дифракционными решетками, светодиодом, выпрямителем, проводами соединительными, рабочей рейкой, металлическими стержнем и бруском, кроме того, учебный прибор снабжен угловым экраном, опорным бруском, индикатором радиоактивности, размещенным в ложементе, выполненном из ударосберегающего материала, фотографиями треков заряженных частиц, лампой накаливания, неоновой лампой, фотодиодом, которые, как и светодиод, закреплены каждый на своей подставке, выполненной в виде короба. Однако данное техническое решение не обеспечивает проведение всех необходимых заданий по контролю знаний учащихся по разделу физики оптика и квантовые явления.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является «Учебный комплект по оптике», см патент РФ №2402823, содержащий оптическую скамью, оптические элементы, источник света, рамку, дозиметр, коробка осветителя, экран белый, дифракционную решетку, набор пластин со щелями, собирающие и рассеивающие линзы, плоское зеркало, линейку, лимб, пластиковый коврик, слайд с рисунком и набор держателей оптических элементов, каждый из держателей состоит из рабочей части и опорной части, выполненной с возможностью установки на оптической скамье и перемещения вдоль нее, причем каждый держатель оптических элементов, состоит из рабочей части и опорной части, рабочая часть имеет круглое сквозное отверстие с цанговыми зажимными элементами, при этом, по меньшей мере, часть оптических элементов выполнена с возможностью съемной установки в сквозном отверстии рабочей части держателей с обеспечением их фиксации при размещении в этом отверстии. Однако данное техническое решение не удобно в проведении контрольных экспериментальных заданий каждым учащимся отдельно при его Государственной итоговой аттестации.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию наиболее полного универсального учебного комплекта, который позволил бы проведение комплекса работ по проверки экспериментальных умений в соответствии с требованиями стандарта основной школы при проведении Государственной итоговой аттестации и позволил сформировать и оценить способности проведения экспериментальных работ и умения у учащихся по разделу физике «Оптические и квантовые явления» за курс основной школы
Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, - это повышение уровня эргономики в использовании учебного комплекта лабораторного оборудования при проведении Государственной итоговой аттестации, обеспечение проведения всех экспериментальных заданий связанных с разделом физики «Оптика, квантовые явления», повышение качества проведения опытов и экспериментов с получением максимально точных результатов, а также расширение демонстрационных возможностей за счет создания универсального учебного комплекта, обеспечивающего наглядную демонстрацию практически всех эффектов, связанных с разделом физики «Оптика, квантовые явления», сокращение времени на подготовку, проведение, контроль мероприятий в рамках ГИА и дальнейшей подготовке к хранению и хранения непосредственно.
Для достижения указанного технического результата предлагается учебный комплект по оптическим и квантовым явлениям, содержащий оптическую скамью, оптические элементы, источник света, набор держателей оптических элементов, каждый из держателей имеет рабочую часть, снабженную круглым сквозным отверстием и опорную часть, состоящую из центральной стойки и упругих боковых стоек, внешняя сторона каждой из которых снабжена пазом для установки и фиксации держателей на оптической скамье, переходные рамки для оптических элементов, дозиметр, коробку осветителя, экран белый, пластину с одинарной щелью, пластину с тремя и пятью щелями, собирающие и рассеивающие линзы, прозрачную плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями, прозрачные плоские линзы - полуцилиндры, зеркало с магнитной полосой, линейку на магнитной полосе, лимб, пластиковый коврик, слайд с нанесенным рисунком в рамке, кювету пластиковую,
при этом все стойки держателей выполнены консольными, а пазы в боковых стойках выполнены горизонтальными, сквозными и трапециевидными по форме, нижняя часть внешней стороны боковых стоек выполнена скошенной в сторону центральной стойки, причем угол наклона скоса и угол наклона верхнего основания трапециевидного паза одинаковы,
оптическая скамья выполнена в виде двутавра, верхние концы стоек которого выполнены удлиненными и наклонены во внутрь, а хвостовик каждого из этих наклоненных концов отогнут к горизонтальной перекладине двутавра, а угол отгиба хвостовика соответствует углу скоса нижней части внешней стороны боковых стоек и углу наклона меньшего основания трапециевидного паза,
коробка осветителя выполнена в виде пустотелого открытого снизу короба с параллельными боковыми сторонами, один торец короба выполнен цилиндрическим, а другой - плоским, в котором выполнен П-образный вырез, причем в зоне цилиндрического торца, короб сверху закрыт панелью, снабженной сквозным пазом, вдоль которого с обеих сторон на панели закреплены магнитные полоски, а на внутренних плоскостях боковых стенок короба выполнены вертикальные фиксаторы для линз, в зоне плоского торца выполнены вертикальные направляющие, образующие пазы для установки пластин со щелями, причем, по крайней мере, одна пара направляющих соединена горизонтальной перекладиной,
наливная линза выполнена в виде параллелепипеда, одна из боковых сторон которого выполнена выпуклой наружу, а внутри герметично закреплены перегородки, одна из которых плоскопараллельная, а другая - выпуклая, которая установлена выпуклостью к боковой плоскопараллельной стороне, при этом перегородки выполнены из прозрачного материала, коэффициент преломления которого либо равен коэффициенту преломления воды, либо больше,
зеркало закреплено на угловом держателе, внешняя поверхность другой стороны углового держателя снабжена магнитом,
переходная рамка, используемая в качестве носителя отдельных оптических элементов комплекта, выполнена в виде пластины, снабженной с одной стороны центральным посадочным патрубком со сквозным отверстием, а вертикальные торцы пластины загнуты навстречу друг другу с образованием направляющих пазов, причем снизу пазы выполнены глухими,
источник света, выполненный в виде лампы накаливания, расположенной в ступенчатом корпусе, диаметр большей ступени соответствует диаметру посадочного сквозного отверстия держателя/а свободный торец этой ступени снабжен магнитным кольцевым диском, взаимодействующим с магнитными полосками короба осветителя, при этом лампа накаливания снабжена электропроводами со штекерами, а каждый элемент учебного комплекта зафиксирован в ячейках съемного дна, установленного и зафиксированного в корпусе контейнера, выполненного в виде короба с Г-образной отбортовкой по всему периметру открытого торца и снабженного съемной крышкой.
Один торец корпуса контейнера выполнен с углубленной выемкой по высоте, в угловых зонах внутренняя сторона, этого торца снабжена полочками, выполненными ниже уровня горизонтальной полочки Г- образной отбортовки, и угловыми направляющими, а внутренняя сторона другого торца снабжена центральной полочкой, выполненной ниже уровня горизонтальной полочки Г-образной отбортовки.
Съемная прозрачная крышка по всему периметру выполнена с ребордой, снабженной по периметру отогнутой вниз обечайкой, а торцевые реборды крышки снабжены центральными Г-образными кронштейнами, горизонтальная полочка которых снабжена отверстиями, а внутренняя сторона вертикальных полочек центральных Г-образных кронштейнов снабжена зацепами, расположенными в зоне отверстий.
Съемное дно выполнено немного большего размера, чем внутренний периметр корпуса и изготовлен из легкого упругого материала и снабжено глухими ячейками прямоугольной формы различных размеров, круглой формы, щелевидной формы и фигурной конфигурации, причем размеры всех ячеек выполнены на 3-6 мм меньше размеров деталей и оборудования размещенного в нем, и торцевыми вырезами, взаимодействующими с основаниями внутренних полочек корпуса.
По меньшей мере, одна из наклонных поверхностей боковых стоек двутавра оптической скамьи снабжена линейной шкалой.
Держатели оптических элементов представляют собой унифицированные модули, каждый держатель выполнен симметричным относительно его вертикальной оси, а круглое отверстие рабочей части держателя снабжено цанговыми зажимными элементами.
Опорные части центральной стойки и расположенных по отношению к ней с зазором боковых стоек, имеют плоское основание и расположены в одной плоскости.
Часть оптических держателей для фиксации оптических элементов снабжена магнитами, расположенными с одной или с обеих сторон рабочей части модуля по периметру сквозного отверстия.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен контейнер с учебным комплект по оптическим и квантовым явлениям, на фиг.2 - разрез В-В фиг.1, на фиг.3 - вид А фиг.1, на фиг.4 - съемное дно, на фиг.5 - крышка контейнера, на фиг.6 - разрез А-А фиг.5, на фиг.7 - разрез В-В фиг.5, на фиг.8 представлено изображение оптической скамьи с расположенными в ней держателями оптических элементов, коробкой осветителя с источником света, на фиг.9 - поперечный разрез оптической скамьи, на фиг.10 - представлена наливная линза, на фиг.11 - держатель оптических элементов, вид спереди; на фиг.12 - узел лампы накаливания, на фиг.13 - переходная рамка, на фиг.14 - коробка осветителя, вид сверху, на фиг.15 - коробка осветителя, разрез по А-А фиг.14, фиг.16 - общий вид контейнера с уложенными приборами и оборудованием.
Конструкция набора оборудования предлагаемого учебного комплекта по оптическим и квантовым явлениям, предназначенная для проведения Государственной итоговой аттестации в соответствии с требованиями ЕГЭ состоит из контейнера 1 с крышкой 2. В контейнере 1 с возможностью фиксации размещено съемное дно 3, снабженное глухими ячейками, предназначенными для установки и фиксации приборов и оборудования используемых для проведения комплекса лабораторных экспериментальных заданий по разделу физики «Оптические и квантовые явления». Ячейки могут быть выполнены глухими и сквозными. Контейнер 1, см. фиг.1, выполнен в виде короба с Г-образной отбортовкой 4 по всему периметру открытого торца короба. Один торец 5 выполнен с углубленной выемкой 6 по высоте, а внутренняя поверхность 7 этого торца 5 в угловых зонах снабжена полочками 8 для опоры под крышку 2, причем полочки 8 выполнены ниже уровня горизонтальной полочки 9 Г-образной отбортовки 4 и угловыми фиксаторами 10, являющимися одновременно направляющими при установки крышки 2. Внутренняя поверхность 11 другого торца 12 контейнера снабжена центральной полочкой 13, выполненной ниже уровня полочки 9 Г-образной отбортовки 4 и предназначена для опоры под крышку 2. Съемное дно 3, см. фиг.4 снабжено глухими ячейками прямоугольной формы 14 различных размеров, круглой 15 формы, щелевидной формы и фигурной 16 конфигурации, причем размеры всех ячеек выполнены на 3-6 мм меньше размеров деталей и оборудования размещенного в нем. Съемное дно 3 выполнено по периметру чуть большего размера, чем внутренний периметр контейнера и изготовлен из легкого упругого материала, например поролона, изонела и др., снабжено торцевыми вырезами 18, 19, взаимодействующими с основаниями внутренних полочек 8 и 13 контейнера. При укладке съемного дна 3 в контейнере, оно немного поджимается и тем самым производится его фиксация в контейнере 1, также при размещении деталей и оборудовании в ячейках, которые являются индивидуальными ячейками для каждого прибора или оборудования, в связи с чем приборы или оборудование, плотно входят в ячейку, обжимаются, тем самым фиксируются, что исключает их самопроизвольное выпадения из ячейки при транспортировке. Крышка 2, см. фиг.5, контейнера 1 выполнена из листового упругого пластика, снабжена ребордой 17 с Г-образной отбортовкой 20 по всему периметру, а торцы снабжены центральными Г-образными кронштейнами 25, 26 с отверстиями 29 на горизонтальных полочках кронштейнов 25, 26, а внутренняя поверхность вертикальных полочек снабжена защелками 27, 28 расположенными в зоне отверстий.
Учебный комплект содержит оптическую скамью 30, см. фиг.8, 9, которая поставляется в отдельной упаковке, держатель 31 с магнитами, два держателя 32 лабораторных, два держателя 33 с линзами разных фокусов, две переходных рамки 35 с магнитами, источник света в виде лампы накаливания установленной в корпусе 36 с проводами и штекерами 52 на концах, дозиметр 34, коробка осветителя 37, экран белый 38, пластину 39 с одинарной щелью, пластину 40 с тремя и пятью щелями, собирающие линзы, одна из которых двояко выпуклая 41, а другая 42 - плоско выпуклая и рассеивающие линзы, одна из которых двояковогнутая - 43, а другая 44 - плоско вогнутая, две прозрачные линзы 45 полуцилиндры, линейки 47 и шкалы 48 на магнитной полосе, слайд 49 с рисунком, уголок с зеркалом 50, наливную линзу 51, пластиковый коврик (не показано), прозрачную плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями - трапециевидная линза 53, транспортир прозрачный 54 с лимбом, блок питания 23.
Кроме того, учебный комплект содержит три зажима канцелярских 55, линейку пластиковую прозрачную (не показано), калькулятор 56, зеркало 50, закрепленное на угловом держателе, внешняя поверхность другой стороны держателя снабжена магнитом.
Наливная линза 51, см. фиг.10, выполнена из прозрачного материала в виде параллелепипеда, одна из боковых сторон 57 которого выполнена выпуклой наружу, а внутри герметично закреплены перегородки, одна 58 из которых плоскопараллельная, а другая 59 выпуклая, которая установлена выпуклостью к боковой плоскопараллельной стороне, при этом перегородки выполнены из прозрачного материала, коэффициент преломления которого либо равен коэффициенту преломления воды, либо больше.
На фиг.8, 9 изображена оптическая скамья 30 в форме двутавра, верхние концы стоек 60 которого выполнены удлиненными и наклонены во внутрь, причем хвостовики 61 каждой из этих стоек загнуты к горизонтальной перекладине 62 двутавра, а угол отгиба хвостовика 61 соответствует углу скоса нижней части внешней стороны боковых стоек держателя и углу наклона меньшего основания трапециевидного паза 69 держателя. На одну из верхних отогнутых стоек 60 оптической скамьи или на обе верхние отогнутые стойки 60 нанесена линейная шкала
Держатели 28, 29, 30, см. фиг.11, оптических элементов представляют собой унифицированные модули, и каждый из них выполнен симметричным относительно его вертикальной оси и состоит из рабочей части 63 и опорной части 64 образуют единую деталь. Опорная часть 64 состоит из центральной стойки 65 и примыкающих к ней и расположенных по отношению к ней с зазором упругих боковых стоек 66, все стойки выполнены консольными. Центральная стойка 65 и боковые стойки 66 имеют плоские основания, образующие в совокупности плоское основание опорной части 64. Плоское основание опорной части 64 обеспечивает опору держателя на горизонтальной перекладине 62 двутавра. Опорные части 64 устанавливаются на оптическую скамью с возможностью перемещения вдоль нее. На внешней стороне каждой боковой стойки 66 выполнен трапециевидный паз 69, который взаимодействует с хвостовиком 61 оптической скамьи при установке держателей на боковых стенках оптической скамьи, и поджимаются к ним благодаря упругости консольных боковых стоек. Такая установка в совокупности с опорой плоского основания держателя на оптической скамье обеспечивает придание держателю только одной степени свободы (возможность перемещения вдоль оптической скамьи). Кроме того, благодаря плоскому основанию опорной части появляется возможность устанавливать держатели оптических элементов на поверхности рабочего стола и работать с ними непосредственно на этой поверхности.
На боковых стойках 66 держателей предусмотрены указатели, показывающие по линейной шкале положение держателя на оптической скамье относительно начала отсчета.
В рабочей части держателя 63 выполнено сквозное круглое отверстие 71, которое предназначено для размещения в нем оптических элементов, например линзы, или других элементов учебного комплекта. На внутренней поверхности отверстия 71 предусмотрены цанговые зажимы, которые обеспечивают фиксацию вставляемых в отверстие оптических элементов. Линза вставляется в отверстие 71 со стороны одного из торцов рабочей части 63 до упора в кольцевой бурт 73, предусмотренный по периметру отверстия со стороны противолежащего торца рабочей части. Для обеспечения максимально надежной фиксации в отверстии 71 линзы используется зажимное кольцо (на чертеже не показано), которое плотно вставляется в отверстие 71 со стороны ввода и поджимает линзу к упомянутому кольцевому бурту 73. С одной или с обеих сторон рабочей части 63 держателей по периметру отверстия 71 расположены магниты 74, впрессованные в тело рабочей части 63.
Используемая в качестве источника света лампа накаливания 67, см. фиг.12 расположена в цилиндрическом ступенчатом корпусе-держателе 36 со стороны его торца 68. Наружная цилиндрическая поверхность 75 большей по диаметру ступени корпуса-держателя 36 является ответной по отношению к внутренней поверхности сквозного отверстия 71 держателя оптических элементов для обеспечения установки корпуса-держателя 36 в отверстии 71. На торце 68 большей по диаметру ступени корпуса-держателя 36 закреплено магнитное кольцо 46, которое взаимодействует с магнитными полосками 86 коробки осветителя 37 Учебный комплект включает переходную рамку 35, фиг.13, используется в качестве носителя отдельных оптических элементов комплекта, рамка состоит из прямоугольной пластины 24, боковые торцы которой выполнены загнутыми, образуя пазы 72, основания которых закрыты. В центре пластины 24 имеется отверстие 76. На тыльной стороне пластины 24 (т.е. на стороне, противоположной размещению пазов) имеется посадочный патрубок 77 с магнитами 78. Параметры посадочного патрубка 77 рамки 35 выбраны из условия обеспечения съемной установки его в отверстии 71 держателя.
Коробка 37 осветителя (фиг.14, 15) выполнена в виде пустотелого открытого снизу короба с параллельными боковыми сторонами 80, один торец 81 короба выполнен цилиндрический, а другой 82 - плоским, в плоском торце выполнен П-образный вырез 83, причем в зоне цилиндрического торца короб сверху закрыт панелью 84 в которой выполнен сквозной паз 85, вдоль которого на панели закреплены магнитные полоски 86, а на внутренних плоскостях боковых сторон 80 короба выполнены фиксаторы 87, образующие ячейку 88 для полуцилиндрических линз 45, в зоне плоского торца 82 выполнены вертикальные направляющие 89, образующие пазы 90, 91 для установки пластин со щелями 39, 40 причем, по крайней мере, одна пара направляющих соединена горизонтальной перекладиной 92.
Предлагаемый учебный комплект позволяет демонстрировать различные оптические эффекты, такие как «Определение фокусного расстояния собирающей линзы с помощью формулы линзы»; «Наблюдение дисперсии света при преломлении света призмой»; «Наблюдение поляризации, дифракции и интерференции света»; «Изучение преломления света на гранях плоскопараллельной линзы»; «Изучение взаимосвязи линейного увеличения собирающий линзы с расстоянием до предмета и его изображения».
При проведении Государственной итоговой аттестации в экзаменационном варианте приводится только текст экспериментального задания. В соответствии с экспериментальным заданием используются необходимый набор элементов набора, например корпус осветителя, источник света, блок питания, оптические элементы, пластины со щелями, транспортир, линейки на магнитной ленте, зеркало, прозрачная линейка, которые устанавливаются в необходимой последовательности на оптической скамье, см. например фиг.8, при этом учащиеся показывают навыки конструктивного выполнения опыта (собрать схему) на базе предложенного списка оборудования, исследовать и определить показатели либо преломление луча, либо измерить фокусное расстояние собирающей и рассеивающей линз и др. Полученные данные проверяются экспертом (преподавателем физики) и дается объективная оценка знаний учащегося по разработанным критериям.