Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Теория и методика обучения физике» (стр. 3 )

Переменив местами элек­троды на вставке, вновь вклю­чают ток. Через короткое время показывают, что элект­род, ранее покрытый медью, очистился, а второй покрыл­ся медью.

Поясняют, что металл всегда выделяется на электроде, соеди­ненном с отрицательным полюсом источника тока, т. е. на катоде.

После опыта угольный электрод, покрытый медью, включают в цепь так, чтобы он служил анодом, а в качестве катода вставляют медный электрод. Через некоторое время после замыкания рубиль­ника угольный электрод полностью очищается от меди.

Как один из вариантов описанного опыта можно показать электролиз медного купороса в проекции на экран. Для этого перед конденсором проекционного аппарата устанавливают плоскопарал­лельную кювету с вставкой, имеющей два медных электрода в виде стержней. В кювету наливают раствор медного купороса и при помощи объектива с оборотной призмой получают на экране четкое прямое изображение электродов.

Затем подключают к электродам источник постоянного тока (батарею аккумуляторов или выпрямитель от щита) и при помощи реостата устанавливают ток порядка 0,5—1 А. Через небольшое время на экране хорошо видно, как выделение меди на катоде увеличивает его размеры. В то же время анод делается тоньше, а образующийся возле него медный купорос, растворяясь в воде, стекает с электрода вниз тонкой синей струйкой. При перемене по­люсов наблюдается обратная картина.

Очевидно, описанным приемом можно показать электролиз и других солей металлов, например уксуснокислого свинца. Раствор приготовляют заранее, чтобы он отстоялся, или^добавляют в него для просветления несколько капель уксусной кислоты. Электроды берут свинцовые.

Получив на экране отчетливое изображение электродов, вклю­чают ток и наблюдают, как на катоде постепенно нарастают кристал­лы свинца в виде причудливого образования («сатурново дерево»).

№ 15. Несамостоятельный разряд

Оборудование: 1) конденсатор разборный на изолирующих штати­вах, 2) преобразователь высоковольтный, 3) лампа неоновая ТН-20 на подставке с зажимами, 4) кольцо и муфта от штатива, 5) спиртовка или газовая горелка, 6) дуговая лампа или осветитель для теневой проекции.

Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то наряду с беспорядочным тепловым движением возникает направленное, упорядоченное движение ионов, т. е. электрический ток. При этом положительные ионы движутся в направлении поля, а отрицательные — в противоположную сторону.

Для обнаружения электрического тока в ионизированном возду­хе собирают установку по рисунку 3-54. Пластины разборного кон­денсатора устанавливают на расстоянии приблизительно 10 см друг от друга и к ним через неоновую лампу на подставке подключают высоковольтный преобразователь.

В начале опыта постепенно подают такое напряжение на пласти­ны конденсатора, чтобы образовалось очень слабое свечение нео­новой лампы, заметное лишь учителю. Обращают внимание учащих­ся, что ток в цепи лампой не обнаруживается.

Затем осторожно подносят снизу между пластинами конденсатора зажженную спиртовку и наблюдают, как неоновая лампа начинает светиться.

Увеличивают пламя спиртовки (это удобнее сделать с газовой горелкой) и обнаруживают более яркое свечение лампы. Особенно хорошо заметно свечение, если опыт проводить в полузатемненном классе.

После этого выключают из цепи неоновую лампу, а пластины конденсатора соединяют непосредственно с высоковольтным пре­образователем. На одном из изолирующих штативов укрепляют с помощью муфты малое кольцо от штатива. Кольцо закрепляют на такой высоте, чтобы верхняя часть пламени спиртовки заходила в воздушный промежуток конденсатора. Затем устанавливают элек­трическую дуговую лампу или осветитель для теневой проекции и получают на экране отчетливое изображе- ние пламени спиртовки и восходящих потоков горячих газов (рис. 3-55, а).

После этого подают постепенно напряжение на пластины и на­блюдают, как пламя и горячие потоки газов расщепляются в на­правлении к электродам (рис. 3-55, б), обнаруживая наличие но­сителей положительных и отрицательных зарядов.

№ 15. Вольт-амперная характеристика диода

Оборудование: J) электронная лампа-диод демонстрационная, 2) галь­ванометр от амперметра, 3) вольтметр демонстрационный с дополнительным со­противлением 33 кОм, 4) выпрямитель универсальный, 5) реостат на J0 Ом, 2 А, 6) выключатель демонстрационный, 7) провода соединительные.

Надо продемонстри­ровать зависимость между током и напряжением в анодной це­пи и ознакомить учащихся с методом снятия анодной характерис­тики.

Перед выполнением опыта вычерчивают на классной доске схе­му и собирают установку (рис. 3-74). У демонстрационного вольт­метра устанавливают шкалу с 15 делениями, присоединяют к нему дополнительное сопротивление 33 кОм; тогда каждое деление шкалы будет соответствовать 10 В.

Замыкают цепь и при помощи реостата доводят накал диода до ярко-красного свечения. При этом ручку потенциометра ставят в такое положение, чтобы стрелка вольтметра находилась на нуле.

Затем, не меняя накала катода, увеличивают напряжение в анодной цепи до 10 В (одно деление шкалы) и по гальванометру замечают величину анодного тока. Увеличивают анодное напряже­ние еще на 10 В (два деления шкалы) и опять отмечают величину тока. Продолжая опыт, доводят напряжение до 80—100 В. Все результаты измерений записывают в таблицу:

По полученным данным на классной доске строят график зави­
симости (рис. 3*75, а) изменения тока в анодной цепи от напря­
жения, л

Анализируя график, обращают внимание учащихся на то, что с увеличением напряжения анодный ток сначала возрастает быстро, потом медленнее и, наконец, величина его остается без изменения, хотя напряжение увеличивается. Это так называемое состояние насыщения, когда все электроны, испускаемые катодом при данной температуре, притягиваются анодом. Наибольший анодный ток, возникающий при этом явлении, называют током насыщения.

Если эмиссию электронов с катода увеличить, повысив его температуру, то ток насыщения возрастает. Это также надо по­казать учащимся на опыте. Для этого увеличивают накал катода, что заметно на глаз, и повторяют опыт. Полученные числовые дан­ные наносят на ту же координатную сетку и строят вторую кривую, которая располагается выше первой (рис. 3-75, б). В этом случае ток насыщения получается при более высоком анодном напряжении.

№ 16. Демонстрация спектров магнитного поля тока

Оборудование: 1) набор приборов для проецирования спект­ров магнитного поля тока, 2) коробочка-сито с железными опилками, 3) про­екционный аппарат, 4) батарея аккумуляторов З-НКН-10, 5) проводники соединительные, 6) лист бумаги.

Приступая в старших классах к углубленному изучению маг­нитного поля тока, учащиеся уже имеют представление о магнит­ных спектрах, так как раньше они практически получали их на лабораторных занятиях. Таким образом, цель данной демонстра­ции состоит лишь в том, чтобы напомнить учащимся все, что им было известно о магнитных спектрах тока, о расположении и на­правлении силовых линий магнитного поля тока в зависимости от формы проводника.

Для этого наиболее подходящим является метод проецирования, обеспечивающий быстроту подготовки опыта и наилучшую види­мость. Здесь полезно воспользоваться приборами, представляющи­ми собой квадратные панели из органического стекла с проволоч­ными контурами для получения магнитного поля вокруг прямого провода, в проволочном витке и соленоиде (рис. 67).

Один из таких приборов устанавливают на оправу конденсора проекционного аппарата, настроенного для горизонтального прое­цирования, и равномерно посыпают небольшим количеством мелких железных опилок. Затем зеркалом или призмой направляют изображение прибора на экран и пере­движением объектива получают не­обходимую резкость изображения опилок.

Присоединив к зажимам прибо­ра провода от источника, вклю­чают ток. Под действием магнит­ного поля часть опилок, преодоле­вая трение, располагается вдоль силовых линий и образует спектр. Если после этого слегка постучать но панели концом карандаша, то опилки встряхиваются и спектр становится более отчетливым. Не следует стучать слишком сильно и долго: это приведет к сползанию опилок и искажению спектра. Спектр, полученный на экране, изображен на рисунке 68.

Проволочные контуры рассчитаны на ток до 2 а. Для полу­чения такого тока требуется источник с э. д. с. приблизитель­но 4 в.

По окончании демонстрации прибор снимают и опилки ссыпают сначала на лист бумаги, а затем обратно в коробочку.

№ 18. Намагничивание и размагничивание стального стержня ударами

Оборудование: 1) гальванометр демонстрационный от вольт­метра, 2) электромагнит разборный, 3) стержень от универсального штатива, 4) киянка, 5) провода соединительные.

Стальные постоянные магниты рекомендуется оберегать от рез­ких ударов, иначе магниты частично размагничиваются. Наобо­рот, при намагничивании стали, особенно в слабом магнитном поле, удары способствуют более сильному намагничиванию.

Для демонстрации этого явления на длинный стержень от уни­версального штатива надевают катушку от разборного электро­магнита и присоединяют ее к зажимам демонстрационного гальва­нометра. Закрепляют в штативе классную указку в таком положе­нии, чтобы она показывала направление вектора напряженности магнитного поля Земли.

распола­гают его вдоль силовых линий магнитного поля Земли и ударяют по концу стержня деревянным молотком-киянкой (рис. 89). Учащие­ся, наблюдающие за гальванометром, замечают при этом отброс стрелки. При втором ударе стрелка отклоняется слабее, а при по­следующих ударах отклонения совсем не наблюдается.

Отклонение стрелки в этом опыте свидетельствует о появле­нии индукционного тока, возникающего в цепи при усилении маг­нитного потока в катушке. Очевидно, причиной такого усиления является намагничивание стержня.

Это легко доказать опытом: надо быстро вынуть из катушки стержень. При этом гальванометр покажет возникновение индук­ционного тока. Вставляя стержень обратно в катушку, наблюдают возникновение индукционного тока противоположного направления.

Расположив стержень перпендикулярно силовым линиям маг­нитного поля Земли, вновь ударяют по нему киянкой. Стрелка гальванометра отбрасывается, но в противоположную сторону. Теперь происходит размагничивание железа и уменьшение магнит­ного потока в катушке.

Повторяют намагничивание стержня ударами, как было описа­но выше, переворачивают его на 180° и вновь ударяют. Теперь наблюдается значительно большее отклонение стрелки гальвано­метра. В этом случае удар по стержню вызывает перемагничивание, которое сопровождается удвоенным изменением магнитного потока в катушке. Наилучшие результаты в этом опыте получаются, когда сопро­тивления катушки и гальванометра близки по величине. Демонстрационный гальванометр с сопротивлением 2,5 Ом с катушкой от разборного электромагнита сопротивлением 1,8 Ом дает в этих опытах максимальное отклонение стрелки на одно деление шкалы7 надо иметь в виду, что сталь, идущая на изготовление стержней универсального штатива, не всегда одинакова. Поэтому полезно перед демонстрацией подобрать из нескольких стержней такой, с которым наибольший эффект. Полезно предварительно отжечь.

№ 19. Электромагнитная индукция. Переменный ток

Электромагнитная индукция

Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного вольт­метра, 2) амперметр демонстрационный, 3) магнит дугообразный, 4) магнит прямой, 5) трансформатор универсальный, 6) реостат на 50 ом, 7) выключа­тель демонстрационный, 8) сирена дисковая, 9) машина центробежная, 10) штатив универсальный, 11) батарея аккумуляторов, 12) провода сое­динительные, 13) ящик-подставка.

Изучение электромагнитной индукции следует начать с ввод­ных опытов. С одной стороны, они должны напомнить учащимся различные случаи электромагнитной индукции, с которыми они ознакомились на первой ступени обучения, а с другой — послу­жить достаточным основанием для понимания основного закона электромагнитной индукции и введения правила Ленца. Эти опы­ты удобно демонстрировать на немногих постепенно перестраи­вающихся установках.

перед демонстрацией опытов необходимо про­вести некоторую подготовку. Сначала надо по­казать, в каком направлении отклоняется стрел­ка гальванометра, когда его левый зажим при­соединен к минусу источника тока, а правый — к плюсу. Для этого можно присоединить про­водником минус аккумулятора к левому зажи­му гальванометра и, взявшись одной рукой за положительный зажим аккумулятора, коснуть­ся пальцем другой руки правого зажима галь­ванометра. Результат можно зафиксировать на доске, например, так, как показано на рисун­ке 233. Далее следует обозначить на катушках мелом (или другим способом), с какой сто­роны провод обмотки подведен к зажимам ка­тушки.

1. К зажимам демонст­рационного гальванометра с малым сопротивлением присоединяют длинный от­резок гибкого изолирован­ного провода (рис. 234) и двигают его между ветвя­ми дугообразного магнита. По слабому, но заметному отклонению стрелки галь­ванометра обнаруживают возникновение индукцион­ного тока в замкнутой цепи и определяют его направление. Затем, осно­вываясь на полученных результатах, устанавлива­ют правило правой руки.

Обращают внимание, что в данной установке некоторая часть магнитного потока постоянного магнита охвачена замкнутым кон­туром, состоящим из провода и гальванометра. Эта часть потока увеличивается при опускании провода и уменьшается, когда про­вод поднимают вверх.

2. Провод сворачивают в петлю и, то надевая петлю на полюс
магнита, то поднимая ее, замечают, что стрелка гальванометра
отклоняется сильнее. Повторяют опыт, постепенно увеличивая
число витков.

3. К гальванометру присоединяют катушку на 220В от универсального трансформатора и возбуждают в ней индукционный

ток движением прямого магнита (рис. 235). Пока­зывают, что при медлен­ном движении магнита от­клонение стрелки незначи­тельно, а при быстром — стрелка отклоняется силь­нее. Складывают вместе одноименными полюсами два магнита и получают при прежней скорости их движения более сильный индукционный ток. Опре­деляют направление маг­нитного поля индукцион­ного тока в катушке и сравнивают его с направле­нием поля магнита, когда последний вводят и удаляют из катушки. Результат такого исследо­вания приводит к установлению правила Ленца. Последние два опыта могут также служить основанием для введения формулы

4. Собирают установку, изображенную на рисунке 236. Ка­тушки на 220 и 120В ставят рядом (без сердечника) и с помощью
реостата доводят ток в правой катушке приблизительно до 2А.
Включая и выключая ток, наблюдают возникновение в левой ка­
тушке кратковременного слабого индукционного тока. В этих
опытах определяют направление токов и магнитных полей, свя­зывая результаты исследования с правилом Ленца.

5. Выключают ток. Увеличивают сопротивление реостата до
50Ом, насаживают катушки на сердечник и замыкают его ярмом.
При включении и выключении тока стрелка гальванометра откло­няется почти на всю шкалу.

6. Включают ток. Медленно и повозможности равномерно увеличивают его до 2а. В течение этого времени гальванометр пока­
зывает наличие более или менее постоянного индукционного тока.
Затем так же уменьшают ток до минимума и наблюдают индук­
ционный ток противоположного направления.

7. В заключение полезно продемонстрировать особый случай
получения длительного постоянного индукционного тока с помощью
так называемого униполярного генератора

№ 20. Правило Ленца

Оборудование: 1) прибор для демонстрации правила Ленца, 2) магниты прямые, 3) трансформатор универсальный с дроссельной катуш­кой, 4) кольцо алюминиевое, 5) машина магнитоэлектрическая, 6) панель с гремя лампами, 7) ключ телеграфный, 8) выключатель демонстрационный, 9) штатив универсальный, 10) груз разборный на 2 /сГ, 11) струбцинка, 12) провода соединительные, 13) ящик-подставка.

При изучении правила Ленца обычно проводят большое коли­чество упражнений на применение правила. Вместе с тем полезно продемонстрировать два-три опыта, в которых изменение магнит­ного потока внутри замкнутого контура обусловлено в одном слу­чае относительным механическим движением, а в другом — изме­нением тока в соседнем контуре.

1. Для проведения первого опыта применяют прибора состоя­щий из двух колец, скрепленных легкой планкой и уравновешен­ных на острие. Размеры и вес обоих колец одинаковы, но одно из них разрезано. Установив прибор на подставке, складывают вмес­те два сильных прямых магнита, обратив их одноименными полю­сами в одну сторону, и быстро вводят внутрь целого кольца (рис. 239). Наблюдают, что кольцо при этом отталкивается от магнита. Когда магнит из кольца вынимают, последнее двигается вслед за магни­том.

Затем опыт повторяют с разрезанным кольцом и показывают, что при любом движении магнита кольцо остается неподвижным.

Можно по разному объяснять наблюдаемые результаты, под­тверждающие правило Ленца. Например, причиной возникновения индукционного тока в одном случае является приближение магнита к кольцу, а в другом — удале­ние. Как показывает опыт, маг­нитное поле индукционного тока противодействует как одному, так и другому движению. Более под­робное объяснение будет состоять в определении направления на­растающего или уменьшающегося магнитного потока, затем в опре­делении направления индукцион­ного тока и, наконец, в определе­нии образующихся у кольца по­люсов и их взаимодействия с по­люсами магнита.

Необходимо иметь в виду, что эффект опыта зависит от качества

магнита. Перед опытом магниты надо сильно намагнитить. Можно воспользоваться дугообразным магнитом. Наилучшие результаты дают магниты из специального сплава. В этом случае при одном только приближении магнита кольцо удаляется от него и тотчас же останавливается, как только остановится магнит. При удале­нии магнита кольцо движется вслед за ним.

2. Для проведения второго опыта в дроссельную катушку вставляют ярмо от сердечника универсального трансформатора так, чтобы его конец выступал из катушки на 4—5 см (рис. 240). Чтобы ярмо при включении тока не втягивалось в катушку, его заклинивают плотно вдвинутой поверх ярма деревянной планкой (можно использовать деревянную линейку). На выступающий конец ярма вплотную к катушке надевают алюминиевое кольцо1.

Получив на выпрямителе школьного распределительного щита напряжение ПО—120 в, включают ток и наблюдают резкое сдви­гание кольца к концу ярма. При выключении тока кольцо возвра­щается к катушке. Наблюдаемое отталкивание и притяжение кольца объясняется тем, что при включении тока в сердечнике ка­тушки возникает магнитное поле, вследствие чего в кольце возни­кает индукционный ток. По правилу Ленца магнитное поле воз­никшего индукционного тока должно быть направлено против на­растающего поля катушки. Следовательно, ток в катушке и ин­дуцированный ток в кольце направлены в противоположные сторо­ны. Как было выяснено раньше в опыте 27, токи противоположно­го направления отталкиваются, что и наблюдается на опыте при включении тока. Аналогично объясняется и притяжение кольца к катушке при выключении тока.

3. Панель с тремя маловольтными лампами через ключ соединяют с магнитоэлектрической машиной и с помощью струбцинки прижимают основание машины к краю демонстрационного сто­ла. В отверстие струбци­нки вставляют два свин­ченных вместе стержня универсального штатива с блоком у верхнего кон­ца. К шкиву машины прикрепляют прочную нить, перекидывают ее через блок и подвеши­вают разборный груз (рис. 241). Вращая шкив, наматывают нить, пока груз не достигнет бло­ка, и отпускают шкив. Ротор машины начинает вращаться под действи­ем опускающегося гру­за, быстро увеличивая скорость. При нажатии на ключ лампочки загораются, а движение груза резко замедляется и продолжается с небольшой скоростью. При отпускании ключа скорость вновь нарас­тает и вновь происходит торможение при включении тока.

Опыт служит иллюстрацией правила Ленца: в обмотке якоря при замыкании цепи возникает индукционный ток. Магнитное поле индукционного тока направлено так, что при вращении якоря взаимодействие полюсов магнита и якоря вызывают торможе­ние. Объяснение сопровождают рисунком на доске (рис. 241 вверху).

Для получения наилучшего эффекта необходимо: 1) уменьшить нажим щеток на кольца в генераторе, 2) смазать подшипники и слегка смазать кольца, 3) по возможности сильнее намагнитить магниты, 4) подобрать на опыте наивыгоднейший вес груза (около 1300 Г) и число включенных ламп. В тщательно подготовленной установке лампы при медленном опускании груза горят хорошо заметным накалом.

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Бугаев преподавания физики в средней школе:теоретические основы, М., 19с.

2. Бурсиан по физике для компьютера, М. 19с.

3. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Под ред. , М., 1979. Ч. 1,2.

4. , , Жолдасова окыту әдітемесі, Алматы, 20

5. Закон Республики Казахстан. Об оброзовании//Алматы, 2000, 96с.

6. Межпредметные связи курса физики в средней школе /, , н др.; Под ред. , , М. 19с.

7. Методика факультативных занятий по физике/Под ред. , , М. 1с.

8. Основы методики преподавания физики в средней школе/Под ред. и др., М. 1с.

9. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы/, , и др., М., 20с.

10. Школьные учебники и учебные пособия по физике, информатике дляVII - X1 классов.

11. П. , Бобров учебных умений и навыков учащихся на уроке физики, М. 19с.

12. Физический практикум для классов с углубленным изучением физики/ Под ред. , , М. 19с.

13. Физический практикум для классов с углубленным изучением физики/ Под ред. , , М. 19с.

14. Хорошавин эксперимент в средней школе: 6-7 кл., М. 1988.-175с.

Дополнительная литература

15. , Мукушев в педагогике, Алматы,20с.

16. Темиркулова самостоятельных заданий по атомной физике, Алматы, 20с.