Уч-метпособие по дем эксперим.
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого» Институт электронных и информационных систем Кафедра общей и экспериментальной физики Учебно-методическое пособие по дисциплине «Демонстрационный и лабораторный эксперимент по физике при изучении общей физики в школе и в вузе» Великий Новгород 2011 2 Содержание Стр. 1. Введение 4 1.1. Значение демонстрационного эксперимента при организации изучения физики в школе и в вузе 4 2. Учебные задачи, решаемые с помощью демонстрационного эксперимента 6 3. Оформление результатов эксперимента. Рисунки и схемы 9 4. Виды демонстрационного эксперимента 11 5. Демонстрационные эксперименты по теме «Магнитное действие тока» 20 6. Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП 28 6.1. Устройство весов 28 6.2. Общие указания по использованию весов 30 6.3. Технические данные 31 6.4. Требования по технике безопасности 31 6.5. Подготовка к работе 31 6.6. Порядок работы 32 7. Действие магнитного поля на проводник с током 32 7.1 Порядок выполнения измерений 33 8. Демонстрация аэродинамического сопротивления 35 8.1. Вентилятор 35 8.2. Опыты по изучению аэродинамического сопротивления 37 9. Демонстрационный эксперимент с прибором «Трибометр демонстрационный» 41 9.1. Название и устройство прибора 41 9.2. Опыт №1. Изучение силы трения покоя и измерение коэффициента трения скольжения 41 9.3. Опыт №2. Изучение зависимости силы трения скольжения от силы нормального давления 44 3 10. Школьные лабораторные работы по изучению движения тела, брошенного горизонтально и под углом к горизонту с помощью баллистического пистолета 46 10.1. Пистолет баллистический лабораторный ПБЛ-М Т У РСФСР 8-80 46 10.2. Определение жесткости пружины 47 10.3. Изучение движения тела брошенного горизонтально 49 10.4. Изучение движения тела, брошенного под углом к горизонту 52 11. Список использованной литературы 55 4 1. Введение 1.1. Значение демонстрационного эксперимента при организации изучения физики в школе и в вузе Чисто логическое мышление само по себе не может дать никаких знаний о мире фактов: всё познание реального мира исходит из опыта и завершается им. А.Эйнштейн В настоящее время в связи с совершенствованием обучения и воспитания школьников, подготовкой их к трудовой деятельности особое значение приобретает развитие школьного физического эксперимента. Демонстрационный эксперимент как метод обучения появился практически одновременно с началом преподавания систематического курса физики. В системе методов организации и осуществления учебно-познавательной деятельности учащихся, классифицируемых по источнику передачи и восприятия учебной информации, демонстрационный эксперимент относится к наглядным методам обучения. По отношению к двум другим ведущим методам этой группы — словесным и практическим, демонстрационный эксперимент занимает особое место. Он никогда не используется как уединенный метод, но всегда в сочетании со словесными методами (лекция, объяснение, беседа), а также с другими средствами наглядности (рисунки, таблицы, экранные пособия). Как вспомогательное средство демонстрационный эксперимент применяется в практических методах обучения. Необходимость сочетания слова учителя или преподавателя с показом физических явлений и закономерностей объясняется тем, что в демонстрационном эксперименте даже показ одного 5 из явлений природы всегда сопровождается обилием чувственно воспринимаемых деталей. Главное и второстепенное, существенное и случайное, объект наблюдения и вспомогательные детали предстают перед учеником одновременно. Требуется направляющее слово учителя или преподавателя, которое концентрирует внимание на главном, существенном в объекте наблюдения. Слово учителя не только руководит зрительным восприятием, но и помогает учащимся делать выводы, формулировать заключения. Наконец, слово учителя кодирует зрительные образы в понятия. Задача политехнического образования требует ознакомления учащихся с практическими применениями изученных явлений и закономерностей в быту, технике и в производственных процессах. В решении этих многочисленных задач, стоящих перед школьным курсом физики и особенно перед курсом общей физики в университетах, в значительной мере могут быть использованы возможности демонстрационного эксперимента. Демонстрационный эксперимент в процессе сообщения новых знаний используется для показа физических явлений, формирования физических понятий, показа связей между изученными явлениями и возможных путей использования явлений и закономерностей в современной технике. Особенно существенна роль демонстрационного эксперимента в развитии у учащихся наблюдательности, образного мышления, умения делать обобщения на основе наблюдаемых фактов, предвидеть ход течения наблюдаемого процесса. Являясь носителем учебной информации, убедительный своей объективностью, выразительный своей образностью, экономный по затратам учебного времени, впечатляющий, а потому легко запоминающийся, демонстрационный эксперимент активно формирует знания учащихся. Одним из условий успешного формирования физических понятий и теорий является система рационально подобранного и хорошо поставленного учебного эксперимента. Необходимым условием успешности обучения 6 является сосредоточенность ученика. Нередко недопонимание, плохое запоминание объясняются не плохой сообразительностью, не плохой памятью, а недостатками внимания. Демонстрационный эксперимент в преподавании физики вызывает включение всех факторов привлечения внимания. Значительная часть молодых людей имеет рано пробудившийся интерес к технике, поэтому появление на рабочем столе любых технических устройств в виде приборов эксперимента привлекает их внимание. Практически каждый ученик при ответе на поставленный вопрос начинает с описания опыта, который он видел на уроке. Зрительные образы демонстрационных опытов сохраняются в памяти лучше, чем теоретический материал и выполняют функции опор, на которых выстраивается учебный материал. 2. Учебные задачи, решаемые с помощью демонстрационного эксперимента Используя учебный эксперимент, учитель и преподаватель имеет возможность: А). Показать изучаемое явление в педагогически трансформированном виде и тем самым создать базу для его изучения; Б). Проиллюстрировать проявление установленных в науке закономерностей в доступном для учащихся виде; В). Познакомить учащихся с экспериментальным методом изучения физических явлений; Г). Показать применение изученных физических явлений в быту и технике; Д). Повысить наглядность преподавания и тем самым сделать изучаемое явление более доступным для учащихся. 7 В педагогической практике при изучении физики необходима постановка следующих групп опытов, имеющих большое значение для обучения: 1. Опыты, помогающие уяснить тему. Например, при объяснении темы «Свойства газов, жидкостей твёрдых тел» нужно показать расширение газов при нагревании. Для этого демонстрируется опыт с шаром и шприцом. Убедительным в этом эксперименте является то, что расширившийся газ легко поднимает поршень шприца с установленной на нём гирькой. При объяснении темы «Магнитное поле тока» вводится понятие силовых линий магнитного поля или линий магнитной индукции. То, что эти линии действительно существуют, показываю с помощью такого опыта: берётся рамка с током, вокруг которой расположена площадка для размещения на ней железных опилок. После включения тока и встряхивания площадки линии магнитной индукции становятся видны довольно отчётливо. 2. Опыты, в ходе которых показывается применение изученных физических явлений в технике и изучается принцип работы технических установок. Демонстрация подобных опытов необходима для подготовки учащихся к практической деятельности и для иллюстрации связи физики с техникой. Например, после изучения темы «Трансформаторы» ученики довольно легко понимают принцип работы сварочного аппарата, но для более полного запоминания работу такого аппарата нужно показать. Во время изучения принципа действия и конструкции электродвигателей даётся понятие о генераторах. Показывается работа генератора, обращается внимание, что принципиальных конструктивных отличий между генератором и электродвигателем не существует. Демонстрируется обратимость генератора в электродвигатель. 3. Эффектные опыты, предназначенные для возбуждения интереса учащихся к миру физических явлений. Эффектный опыт способен пробудить у учащегося интерес как к теме. Так и к физике в целом. Например, при изучении темы «Индукционный ток, самоиндукция» интерес учащихся 8 вызывают такие опыты: прыжки катушки при подаче на неё тока, загорание лампочки, прыжки кольца с сердечника катушки. При изучении электромагнитов удивление учащихся вызывает их способность держать тяжёлые грузы. Ещё интереснее ученикам, если они сами пытаются оторвать платформу от электромагнита. 4. Опыты, в ходе которых нужно поставить перед учениками проблему, над которой они будем работать в течение урока. Так, тему «Дисперсия» начинаю с показа спектра белого света и уже позже, используются знания по преломлению светового луча в различных средах, разбирается, почему стеклянная призма разлагает белый свет на отдельные цвета. Тему «Дифракционная решётка» также начинают с просмотра дифракционной решётки, видим, что свет также разлагается в спектр. Теоретически обосновывают, что этому способствует разная длина волн различных цветов, определяем качественную связь между углами отклонения фиолетового, красного и всех промежуточных цветов. Используя полученное соотношение, выпускники определяют длины волн всех пяти основных цветов спектра: красного, жёлтого, зелёного, голубого и фиолетового. 5. Опыты, подтверждающие качественные закономерности. Например, закон Ома. К этой же группе относятся лабораторные работы, на которых учащиеся проверяют тот или иной физический закон. К примеру «Проверка условия равновесия рычага». На уроке учащиеся приходят к выводу данного условия, а на лабораторной работе подтверждают его на основе своих расчётов. Очень эксперимента важным следует исходным назвать положением принцип демонстрационного возможности осуществления демонстрационного опыта в условиях школы. Очень много необходимого оборудования отсутствует, поэтому возникает необходимость собирать самодельные приборы. Отсюда ещё одна группа опытов: 6. Опыты, поставленные с помощью самодельного оборудования. Примером таких опытов являются известные опыты: 9 • Равномерное и неравномерное движение; • Взаимодействие магнитного поля тока с магнитным полем постоянного магнита; • Простейшее электромагнитное реле; • Преобразование потенциальной энергии в кинетическую энергию; • Опыты, связанные с вращением (сложение цветов спектра, колебательное движение, вентилятор и т.п.) 3. Оформление результатов эксперимента. Рисунки и схемы Демонстрация опытов развивает внимание и память учащихся на стадии эмпирического познания изучаемых явлений и закономерностей. При переходе к изучению сущности явлений природы демонстрационный эксперимент временно уступает свои позиции словесным методам обучения и другим средствам наглядности. И здесь необходимо сказать о роли рисунков, которыми сопровождаются демонстрационные опыты. Даже непосредственный показ такого, казалось бы, простого явления, как механическое движение, сопровождается восприятием учащимися не только самого явления, но и множества мельчайших подробностей (форма, размеры, цвет, число колес тележки и т. Д.). Для того чтобы проникнуть в сущность явления, необходимо отрешиться, абстрагироваться от всего второстепенного, несущественного. Вот здесь и приходит на помощь рисунок. На первых порах дается обобщенное изображение (например, тележки), которое в дальнейших, зарисовках может замениться изображением абстрактного тела. Тем самым рисунок помогает механического сознанию движения учащегося конкретной перейти тележки от к рассмотрения рассмотрению механического движения во всем его многообразии. И чем сложнее форма движения, тем значимее роль рисунка в демонстрационном эксперименте. Например, довольно сложна демонстрационная установка для показа 10 измерения мощности электрической лампы. Нужно пользоваться принципиальной схемой электрической цепи. Но для того, чтобы ученики свободно читали электрические схемы, необходимо каждый элемент электрической цепи сопоставить с его изображением на электрических схемах. Каждый электрический прибор, соответствующий значку на электрических схемах. После этого сразу же проводится тренировку по составлению электрических цепей по данным электрическим схемам, где одновременно решаются следующие вопросы: • Правильность чтения электрической схемы; • Определение числа проводников (проводов), соединяющих электрические приборы; • Соблюдение полярности электрических приборов; • Соблюдение техники безопасности; • Быстрота сборки, которая потребуется на последующих уроках. Здесь мы видим постепенный переход от конкретного образа к абстрактному представлению. В демонстрационном эксперименте представлены предметы, зрительно наблюдаемые с натуры. Рисунок еще сохраняет геометрическое подобие предметов, составляющих электрическую цепь. Электрическая схема уже не схожа с обликом демонстрируемой установки, вместо предметов – их условное обозначение. Степень абстрагирования возрастает настолько, что восходит от абстрактного к конкретному во всем многообразии подобных электрических цепей, применяемых в практике для измерения мощности любых потребителей электрической энергии. При этом отношения элементов цепи воспринимаются со схемы даже лучше, чем с «живой» демонстрационной установки. Происходит это потому, что информация о данной электрической цепи на принципиальной схеме претерпела генерализацию или целенаправленный отбор и обобщение. Различные виды изображений, сопровождающие демонстрационный эксперимент, способствуют формированию пространственных 11 представлений. Если на изображении фиксируется не сам объект, а процессы, происходящие с ним или в нем, то успешное прочтение таких изображений предполагает наличие динамических пространственных представлений, позволяющих за статическими изображениями «видеть» движение, изменение, происходящее с объектом или внутри его под влиянием различного рода воздействий. Например, изменение скорости тел под действием силы; электрические цепи, особенно цепи, содержащие переключатели, контакты, и т. д. Так демонстрационный эксперимент в сочетании с зарисовками на классной доске формирует образное мышление учащихся. Формирование образного мышления является необходимым условием эффективного усвоения знаний. Одновременно работа с демонстрационным экспериментом является одним из важнейших средств развития личности ученика (его чувств, переживаний, эмоционального отношения к окружающему). Зарисовки в ходе демонстрации опытов далеко не всегда дают немедленный дидактический эффект. Но, являясь средством установления единства абстрактного и конкретного, рисунки и схемы способствуют формированию мышления учащихся, развитию их пространственных представлений, трансформируются в понятия, которые затем воображением могут быть преобразованы и воспроизведены сознанием как конкретные образы идеального. Все вместе взятое позволяет в процессе преподавания физики не только вести изложение учебного материала с опорой на реальный эксперимент, но и призывать учащихся к проведению мысленного эксперимента в тех случаях, когда оборудование кабинета или особенности изучаемого материала не позволяют провести демонстрацию «живого» опыта. 12 4. Виды демонстрационного эксперимента Глубокое усвоение учениками большинства изучаемых в школе физических вопросов невозможно без наблюдения демонстрационных опытов. Однако демонстрации могут и должны выполнять не только обучающую, но и развивающую функцию, то есть содействовать развитию мышления, наблюдательности, творческого воображения учащихся, их способностей. В методических пособиях по эксперименту, к сожалению, на эту его сторону не обращают внимания совсем или обращают мало внимания, заметно обедняя тем самым его роль. Как же использовать демонстрационный эксперимент в целях развития учащихся? Прежде всего, необходимо обращать внимание на способы вовлечения учащихся в активную работу по осмыслению опытов. Основные способы активизации познавательной деятельности при постановке эксперимента: I. Демонстрационный эксперимент ставится как иллюстрация к объяснению нового материала; так что учащиеся в обсуждении и объяснении результатов опытов участия практически не принимают. Большее, чего можно добиться в этой ситуации (с точки зрения активизации учащихся), — это внимание учеников к объяснению учебного материала. Уровень их активизации при этом можно назвать «низшим уровнем»; он всегда имеет место в следующих случаях: а) Учащиеся не имеют достаточной «базы» для того, чтобы принять участие в обсуждении эксперимента и получаемых из него результатов. Например, они обычно не могут объяснить (тем более предсказать) результаты первых опытов, иллюстрирующих явление механического резонанса; б) Опыт ставится только для ознакомления учеников с тем или иным явлением без выяснения его природы; он носит констатирующий, ознакомительный, но не объяснительный характер, служит лишь 13 иллюстрацией. Например, так обстоит дело с демонстрацией магнитных линий электромагнитов или линий магнитной индукции тока при помощи железных опилок, при введении различного рода правил: «правила левой руки», «правила буравчика»; в) На основе эксперимента вводятся новые понятия. Например, понятие о механическом движении формируется на основе наблюдения перемещений: 1) тележки относительно стола; 2) кубика, лежащего на тележке, относительно стола и относительно тележки; 3) шарика, находящегося на тележке, относительно окна, тележки, учителя и т.п. После рассмотрения этих опытов дается определение механического движения. Пока оно не известно учащимся, обсуждать эти опыты они не могут. Но когда определение механического движения дано, подобные опыты для закрепления нового понятия нужно ставить при активном участии учеников (однако это уже будет следующий, более высокий уровень активизации); г) Учитель очень ограничен во времени (ведь этот способ, естественно, требует наименьших затрат времени). II. Учитель или преподаватель осуществляет опыт, а учащиеся либо делают выводы из него, либо объясняют полученные результаты. Этот способ активизации учащихся можно рекомендовать почти во всех случаях (исключая рассмотренные выше), если по каким-либо причинам нельзя использовать способы, соответствующие более высокому уровню активизации. Применяя его, следует заранее предупредить ребят о том, что по окончании опыта они должны будут самостоятельно сделать выводы или объяснить результаты. (Их суждения целесообразно учитывать при выставлении оценок за урок.) В тех случаях, когда на опыте устанавливается новая закономерность, задача учащихся — сделать выводы из наблюдений. Например, изучая силу, действующую на тело при равномерном вращательном движении, демонстрирую опыт с прибором «Вращающийся диск», показывающий зависимость этой силы от массы тела, его скорости, радиуса вращения. Аналогичным образом организуется изучение колебаний 14 математического маятника, второго закона Ньютона и т.п. Если же явления и закономерности, на основе которых строится изложение нового учебного материала, уже изучены, учащиеся объясняют результаты опыта. Например, после изучения индуктивного, емкостного сопротивлений и закона Ома для цепи переменного тока учащиеся могут самостоятельно объяснить продемонстрированное им явление электрического резонанса (как следствие предлагается применение этого явления в радиосвязи), а ознакомившись с конструкцией полупроводникового диода, — объяснить опыт с демонстрационным диодом и т.п. Последний способ активизации учащихся (привлечение их к объяснению результатов опыта) часто оказывается целесообразным и в тех случаях, когда ученики не в состоянии сами полностью объяснить показанное явление. Нужно помочь им — это лучше, чем оставлять учеников в роли зрителей и слушателей. Например, наблюдая опыты по волновой оптике, ребята часто не могут сразу указать причину того, что при дифракции от нити всегда видна в средней части спектра светлая полоса, а при дифракции от щели — либо светлая, либо темная в зависимости от ширины щели. Поэтому при затруднении учеников целесообразно показать им схемы падения лучей света и предложить воспользоваться принципом Гюйгенса в первом случае и понятием о зонах Френеля — во втором. Эта «подсказка» поможет ребятам довольно быстро найти объяснение наблюдаемому. III. Учащиеся предсказывают результат опыта. Перед тем как сформулировать соответствующий вопрос, надо сообщить цель опыта и дать пояснения об устройстве и принципе действия демонстрационной установки. Этот способ обеспечивает более высокий уровень активизации мыслительной деятельности учащихся, так как предсказать неизвестный результат труднее, чем объяснить уже показанное явление. Включившись в работу еще до выполнения опыта, они с повышенным интересом и вниманием ожидают его результат, а затем, если тот предсказан неверно, 15 ищут правильное объяснение. (Конечно, нужно добиваться, чтобы предсказание обосновывалось, подкреплялось аргументами, а не было немотивированным предположением.) Третий способ активизации рекомендуется применять в тех случаях, когда есть уверенность, что хотя бы несколько учеников в классе смогут высказать обоснованные соображения относительно ожидаемых результатов опыта. (Естественно, это возможно лишь при условии, что необходимый учебный материал уже пройден и усвоен.) Так, зная о взаимодействии электрических зарядов и имея представление об электростатическом поле и электронной теории (о том, что носители электрического тока в металлических проводниках — свободные электроны), учащиеся могут самостоятельно предсказать результаты опытов, которые рассматриваются для закрепления этого материала. Например: • Как изменятся показания стрелки отрицательно заряженного электрометра при приближении к нему положительно (отрицательно) заряженной палочки? • Будет ли заряжен электрометр (и если да, то, как именно), если, не убирая палочки, вызвавшей его электризацию через влияние, на мгновение коснуться шарика электрометра пальцем? Предсказание результатов опыта или объяснение увиденного возможно при выполнении большинства школьных демонстраций и их я широко использую на практике. Учащиеся быстро «приобретают вкус» к такой работе, их внимание и активность заметно повышаются, а если при этом высказываются противоречивые суждения, то возникают дискуссии, что способствует интенсивному развитию мышления и способностей ребят. IV. Постановка эксперимента учащимися при объяснении новой темы. Например, изучить тему «Электричество» можно с использованием этого способа. Перед изучением фундаментальных законов необходимо научить детей пользоваться амперметром и вольтметром, которые нужны для измерения силы тока и напряжения в электрических цепях. Наибольшую трудность представляет цена деления данных приборов и умение правильно 16 снимать показания со шкалы. Более сложным для понимания учащихся является амперметр. Сначала записываем с учениками такое правило: • Чтобы определить показание амперметра, нужно: А. Записать цифру, стоящую слева от стрелки; Б. Посчитать число делений между этой цифрой и стрелкой; В. Число делений умножить на 0,05. Г. Полученное число сложить с записанной в начале цифрой. Так мы получаем силу тока, которую показывает амперметр. Несмотря на кажущуюся сложность данного определения именно этот вариант считывания значения силы тока оказался самым приемлемым. Многократно измеряя силу тока в цепях с различными потребителями (лампочкой, электродвигателем, резистором, в смешанных цепях) и повторяя алгоритм снятия показания прибора, ученики начинают работать без помощи своих записей. Весь этот процесс повторяется при изучении вольтметра. Правило записывается аналогичное, но в пункте В. Число делений умножить на 0,2. Имея опыт работы с амперметром, учащиеся осваивают вольтметр гораздо быстрее. Когда освоены измерительные приборы, перехожу к закону, который является основой всей темы «Электричество» - закону Ома. Трудность заключается в том, что нужно получить зависимость силы тока от напряжения, а ученики на этом этапе ещё не знают, как можно изменить эти параметры электрической цепи, т.к. с реостатом (прибором для изменения силы тока в цепи) по программе их знакомят позже. Решение этой проблемы заключается в следующем: тему «Реостаты» сдвигают вперёд. Объясняют их предназначение, конструкцию и сразу же провожу практическое занятие по освоению реостата. Дети очень быстро убеждаются, что реостат действительно служит для изменения силы тока в цепи. Подключив в цепь вольтметр, проводим качественные замеры разброса силы тока и напряжения, т.е. получаются минимальные значения силы тока и напряжения и максимальные значения силы тока и напряжения. Это является основой для записи закона Ома. На следующем уроке достаточно вернуться к записанным значениям и попросить посчитать отношение напряжения к силе 17 тока при минимальных и максимальных значениях. Эти отношения оказываются равны между собой. Полученный коэффициент является характеристикой данной электрической цепи, он является неизменным для этой цепи и носит название сопротивления цепи. Введя букву для обозначения сопротивления, записываем уже известное соотношение, но поясняю, что данная формула называется законом Ома, в честь немецкого учёного Георга Ома, которому впервые удалось её получить. При изучении последовательного и параллельного соединения проводников учащиеся активно работают и думают только в том случае, если сами будут измерять все характеристики цепи. Например, при объяснении темы «Последовательное соединение проводников» ученики сначала измеряют силу тока во всех участках предложенной цепи. Так они убеждаются, что при последовательном соединении сила тока везде одинаковая. Затем замеряются напряжения на каждом резисторе отдельно и общее напряжение, после чего легко сделать вывод о том, что общее напряжение в цепи при последовательном соединении равно сумме напряжений на всех проводниках, из которых состоит данная цепь. Теперь, имея численные характеристики своих цепей, учащиеся могут посчитать сопротивления всех включенных в цепь резисторов и сравнить их с общим сопротивление цепи. Вывод: общее сопротивление всей последовательной цепи равно сумме сопротивлений всех резисторов, включенных в цепь. Аналогично проводников». проводится При изучение такой работе темы «Параллельное ученики надолго соединение запоминают характеристики цепей, активно тренируются в монтаже и демонтаже электрических цепей, учатся проявлять осторожность при работе с электрическим током. Теоретический материал, которым дополняют такие уроки, воспринимается гораздо легче, чем теория, лишённая практической деятельности ученика. 18 V. Перед учениками ставится вопрос и предлагается найти ответ на него экспериментально. (Иногда поиск ответов можно ограничить формулировкой общей идеи исследования, без его детализации.) Этот способ активизации учащихся можно использовать в тех случаях, когда выдвижение идеи исследования доступно ученикам (или требует лишь небольшой помощи учителя), причем в короткое время, чтобы не вызвать большой потери времени на уроке. (Заранее надо предусмотреть, какие могут возникнуть затруднения у учеников, и подготовить вопросы, которые помогли бы им «сдвинуться с места», но в то же время не устраняли проявление их творческой мысли.). Опытов, при выполнении которых может быть с успехом использован данный способ, довольно много. Приведу примеры. • После введения понятия силы трения и ознакомления со способом ее измерения ставятся вопросы: «Как исследовать зависимость силы трения от значения силы, прижимающей тело к поверхности, по которой оно движется?», «Как исследовать, зависит ли сила трения от площади опоры тела (площади его соприкосновения с поверхностью), если сила, прижимающая к ней, остается неизменной?» и т.п. Изучив параллельное соединение проводников и формулу их общего сопротивления, можно поставить следующие вопросы: «Как изменится сопротивление параллельного соединения при уменьшении (увеличении) сопротивления одной из его ветвей?», «Как проверить на опыте ваш ответ?». Схему опыта, с помощью которого это можно сделать, учащиеся должны предложить сами. Полезен и поиск зависимости сил токов в ветвях параллельного соединения от сопротивления ветвей; он и развивает мышление ребят, и помогает им хорошо усвоить новый материал. • При изучении закона электромагнитной индукции, имея на партах гальванометры и магниты, ученики довольно легко справляются с задачей предложить опыт по обнаружению индукционных токов и выясняют все закономерности, приводящие к их появлению. Т.к. магнит можно поднести только к катушке, старшеклассники сразу замечают, что стрелка гальванометра отклоняется 19 при приближении магнита. Значит, в цепи появился электрический ток. При остановке магнита ток исчезает. Следовательно, он порождается только движущимся магнитом. При удалении магнита стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону. Вывод: направление тока при удалении магнита противоположно направлению тока при приближении магнита. Таким образом, явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в катушке при приближении или удалении магнита. Обобщение этого утверждения звучит так: электрический ток в замкнутом контуре возникает в том случае, если этот контур попадает в движущееся магнитное поле. Ясно, что этот вывод никак не воспримется учащимися при отсутствии собственного опыта с катушкой и магнитом. VI. Отдельным способом активизации познавательной деятельности учеников являются лабораторные работы. Теоретически они должны проводиться после изучения всех ключевых тем, но лабораторное оборудование физического кабинета часто не позволяет этого сделать. Лабораторные работы формируют практические умения, позволяют ученикам овладеть навыком применения тех или иных физических закономерностей, понять тесную связь физики с окружающим миром и предметами. Все лабораторные работы можно объединить в следующие группы: 1. Наблюдение явлений и процессов (кипение, взаимодействие магнитов и др.); 2. Градуировка приборов (динамометра, пружинных весов и др.); 3. Измерение физических величин (влажности воздуха, показателя преломления, удельного сопротивления и др.); 4. Изучение физических законов (уравнение состояния идеального газа, закона сохранения механической энергии и др.); 5. Определение физических констант (ускорения свободного падения, жёсткости пружины, коэффициента трения и др.); 20 6. Сборка простейших устройств и технических моделей (электродвигателя, электромагнита, трансформатора и др.); 7. Изучение характеристик приборов и устройств (полупроводникового диода, конденсатора и др.) В систему экспериментальных методов, которыми овладевают учащиеся, входят следующие: 1. Метод непосредственной оценки (например, измерение температуры термометром), 2. Метод замещения (при измерении сопротивлений и емкостей); 3. Метод совпадений (в случае изучения закономерностей),; 4. Компенсационный метод (когда собираются мостиковые схемы), а также калориметрический, спектральный и др. При выполнении лабораторной работы каждый «исследователь» выступает как активное начало, поскольку он сознательно, с определенной целью собирает экспериментальную установку, воспроизводит интересующие его процессы, производит измерения и, обрабатывая их, убеждается в справедливости и объективности физических явлений и закономерностей. Однако проведение фронтальных лабораторных работ требует большого числа комплектов оборудования. Поэтому на фронтальные работы выносятся опыты, требующие простое оборудование. Таким образом, в преподавании физики, как и в научных исследованиях, эксперимент выступает не только как источник знаний, как критерий достоверности физических закономерностей, как исходный пункт для проведения логических и математических операций или как результат, убеждающий в правильности выводов, но и как доказательство связи теории с практикой. В заключении можно сказать, что целесообразность применения того или иного способа активизации познавательной деятельности учащихся зависит от многих обстоятельств: бюджета времени, подготовленности и развития, учащихся класса, конкретной дидактической задачи, решаемой на уроке, и т.д. Важно при подготовке демонстраций всегда иметь в виду 21 необходимость активизации учащихся и применять тот или иной способ, сообразуясь с конкретными обстоятельствами. Ниже приводятся конкретные демонстрационные и лабораторные эксперименты, которые проводятся с использованием имеющегося в физических кабинетах и лабораториях оборудования. При этом выбор опытов основан на том, что в них можно проводить и количественные и качественные наблюдения. 5. Демонстрационные эксперименты по теме «Магнитное действие электрического тока» Тема «Магнитное поле» является одной из самых трудно усваиваемых учениками тем. Это связано с тем, что объект изучения не воспринимается непосредственно органами чувств. В связи с этим при изучении этой и других аналогичных тем важная роль отводится демонстрационному эксперименту. В начале изучения темы учителю или преподавателю необходимо продумать методику всего изучения с применением демонстрационного эксперимента. Здесь важно разделить задачи и четко определить их содержание, а, следовательно, и цели эксперимента. Это необходимо делать при постановке любого эксперимента, но при изучении таких материальных объектов, как электрические и магнитные поля, это особенно важно, так как эти объекты не обнаруживаются непосредственно с помощью органов чувств. Поэтому здесь изложена методика экспериментов с различными целями: а) увидеть само явление действия магнитного поля на проводник с током; б) определить направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле; в) показать зависимость силы Ампера от силы тока, от величины индукции магнитного поля и от длины проводника, а также от направления силы тока в проводнике по отношению к направлению индукции магнитного поля. Здесь описан опыт по измерению силы Ампера в 22 зависимости от силы тока. Остальные опыты выполняются аналогично. Для этого надо брать другие магниты и рамки с другой длиной стороны, которая будет располагаться в магнитном поле. Первая группа таких экспериментов направлена на демонстрацию действия магнитного поля. В данной работе для этого используется демонстрация действия магнитного поля на проводник с током. Для проведения такой демонстрации в качестве источника магнитного поля берется подковообразный магнит. Такой подковообразный магнит изображен на рисунке 1. Такие магниты входят в набор демонстрационного оборудования школьных кабинетов физики. Кроме того, такие магниты можно изъять из отработавших старых демонстрационных амперметров или вольтметров. Рис. 1. Подковообразный магнит В данном случае взяты два подковообразных магнита, соединенных между собой неподвижно. Это сделано, чтобы усилить магнитное поле. Проводник, по которому будет пропускаться электрический ток, изготавливается в форме скобы, которая изображена на рисунке 2. Скоба изготавливается из медной проволоки диаметром 2-2,5 мм. Размеры скобы 23 также указаны на рисунке в миллиметрах. Скоба изготавливается учителем или учениками. Рис.2. Скоба для исследования магнитного действия тока Скоба крепится на лабораторном штативе в подвешенном состоянии способом, который показан на рисунке 3. Рис. 3. Способ крепления скобы на штативе Для того, чтобы закрепить проводник, необходимо установить в зажиме штатива горизонтальный стержень. Стоит отметить, что сама скоба, а также крепления, удерживающие ее, должны быть изолированы как от стержня, так и от самого штатива. Поэтому необходимо учитывать, из какого материала изготовлен стержень. Если это металл, то необходимо обернуть его листом бумаги либо изоляционной лентой. Если же стержень сделан из 24 пластика, эбонита (как в данном случае) и т.п., крепления можно фиксировать непосредственно на нем. В качестве крепления между скобой и стержнем используются специальные колечки с крючками, входящие в комплект универсального лабораторного штатива (рисунок 4). Рис. 4. Крепления из комплекта универсального лабораторного штатива Если же изготовленными таких колец нет самостоятельно в наличии, их проволочными можно заменить креплениями, зафиксированными на стержне на расстоянии 10 см друг от друга, как показано на рисунке 3. Чтобы изготовить крепления, нужно взять 2 куска медной проволоки диаметром 1 – 1,5 мм, зачистить один конец каждого куска при помощи надфиля или наждачной бумаги, свернуть его в небольшое кольцо диаметром около 3 мм и залудить при помощи паяльника. Примечание: лужение— нанесение тонкого слоя олова на поверхность металлических изделий. Лужение производится для защиты металла от коррозии или для подготовки к пайке (лужёная поверхность лучше смачивается припоем). При этом можно быть уверенным, что контакт между поверхностями будет хорошим. Далее нужно обернуть оба куска проволоки вокруг стержня на расстоянии 10 см друг от друга, закрутить плоскогубцами и откусить лишнюю часть проволоки, оставив небольшой кусочек для фиксации 25 проводов. Эти оставленные кусочки также необходимо зачистить и залудить. Наконец остается припаять провода. К свободным концам проводов припаиваются однополюсные вилки типа Ш-4 (рисунок 5) для подключения к источнику тока. Рис. 5. Однополюсные вилки типа Ш-4 Таким образом, в результате получается медная скоба, которая далее подвешивается своей горизонтальной частью в поле подковообразного магнита. Благодаря кольцевым креплениям она свободно отклоняющаяся под действием этого поля. Источником тока является выпрямитель для того, чтобы провести опыт. Рамка с помощью проводников подсоединяется к источнику тока. Для измерения тока, который будет протекать по рамке, используется демонстрационный амперметр. Для того, чтобы проводить наблюдения, не вызывающие сомнения, в установку подсоединяют демонстрационный ключ, с помощью которого включается источник тока. Сама рамка подвешивается в штативе. На демонстрационном амперметре и на проводах с помощью стрелок показывается направление тока. При этом полюса источника тока также выделяются для большей наглядности. Эта подготовка к опыту представлена на рисунке 3. 26 Рис. 6. Подключение рамки к источнику тока Горизонтальная перпендикулярно сторона рамки помещается в магнитное поле линиям напряженности магнитного поля, которые направлены от северного полюса магнита к южному полюсу. Положение равновесия рамки фиксируется, для наглядности, каким – либо маркером. Например, в нашем случае, это вытянутый треугольник из красного картона. Тогда подготовленная к опыту установка изображена на рисунке 7. Теперь проводится опыт, в котором по проводнику, находящемуся в магнитном поле, протекает электрический ток. В опыте наблюдается, что проводник с током отклоняется в магнитном поле (рисунок 8). 27 Рис. 7. Установка, подготовленная для демонстрации действия магнитного поля на проводник с током Рис. 8. Отклонение рамки в магнитном поле Если изменить направление магнитного поля на противоположное, то проводник отклоняется в другую сторону. Из этого опыта делаются выводы: 1. Магнитное поле действует на проводник с током, помещенным в магнитное поле, с некоторой силой; 28 2. Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, зависит от направления индукции магнитного поля. Следующий опыт должен ответить на вопрос, как определить направление этой силы. Для этого используются стрелки, обозначающие направление силы тока, направление индукции магнитного поля и направление действующей на проводник с током силы. При этом по результатам опыта формулируется правило левой руки. На рисунках 9 и 10 показан один из опытов по определению направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Рис. 9. Демонстрация правила левой руки 29 Рис.10. Демонстрация правила левой руки Следующий опыт должен показать, от каких величин зависит величина сил. Для этого опыта надо использовать прибор, который позволяет измерять силу. Таким прибором являются Весы чувствительные с принадлежностями (ВЧсП). Эти весы представлены на рисунке 11. 6. Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП. 6.1. Устройство весов Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП являются известным прибором, который, к сожалению, редко используется в демонстрационных экспериментах. Предлагаемые здесь опыты помогут учителю или преподавателю использовать этот прибор. Схематично устройство и принцип действия весов представлены на рисунке 11.Весы представляют собой неравноплечий рычаг. Весы состоят из следующих элементов: 30 Рис.11. Схема устройства весов: 1 – рамка с нанесенной на нее шкалой; 2 – скоба; 3 – стрелка; 4 – противовес; 5 – исследуемые тела; 6 – грузики массой от 0,1 до 1 грамма; 7 – подвесы, устанавливаемые на держателях; 8 – компенсатор; 9 – винт крепления; 10 – барабан; 11 ось. Измерения осуществляются с помощью грузиков, которые изображены на рисунке 12 Примечание: маркировка присутствует только на самом большом и на самом маленьком грузиках. Массу остальных двух можно определить по размеру (см. рис.12). Рис.12. Размеры грузиков 31 Рис. 13. Вид уравновешенных весов При использовании этих весов надо учитывать требования инструкции и правила техники безопасности, которые изложены в инструкции и паспорте для данного измерительного прибора. 6.2. Общие указания по использованию весов 1.1. Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП предназначены для измерения малых сил в опытах по аэродинамике, электростатике, в магнитном поле с проводником и других 1.2. Весы применяются в демонстрационных опытах по физике, изложенных в методических пособиях Министерства образования РФ для средней школы. Описание основных опытов дано в приложении к паспорту. 32 6.3. Технические данные 1. Пределы измерения силы, Н: наибольший 3Н наименьший 0,1 Н 2. Число делений шкалы 30 3. Габаритные размеры, мм 370х80х132 4 Масса, кг 0,35 6.4. Требования по технике безопасности 1. Весы должны быть надежно закреплены на универсальном штативе и установлены на устойчивом столе. 2. При переноске весов со стрелки должны быть сняты держатели с противовесами и грузики. 3. Не допускается зарядка электростатическим зарядом исследуемых тел при помощи электрических машин и других механических устройств. 6.5. Подготовка к работе 1.Весы закрепить на универсальном школьном штативе с помощью стержня так, чтобы рамка 1 находилась в горизонтальном положении. 2. Перемещением противовеса 4 вдоль оси отрегулировать положение стрелки 3 до совпадения ее конца с указателем (риской) на рамке. 3. Держатель с исследуемым телом 5 вставить снизу в барабан 10 до упора и закрепить винтом 9, не прилагая больших усилий. 4. Компенсатором 8 отрегулировать положение стрелки 3 до совпадения ее конца с указателем на рамке. 33 6.6. Порядок работы 1. Под действием силы, полученной различными способами в зависимости от типа опыта и направленной на исследуемое тело, стрелка 3 отклоняется от положения равновесия. Общая формула расчета этой силы выглядит следующим образом: m g y F, x где m – масса грузика, g – ускорение свободного падения (принято за 10м/c2 ), x – расстояние от оси барабана стрелки до центра исследуемого тела (величина постоянная), y – деление на шкале, на котором находится грузик. Записать примеры в тетради подробно. 7. Измерение силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током Общий вид установки по демонстрации действия магнитного поля на проводник с током представлен на рисунке 14. В качестве проводника с током используется самодельная рамка из медной проволоки, помещенная между полюсами двух магнитов. Форма рамки, ее размеры и способ подвеса показаны на рисунке 15. (размеры даны в мм). 34 Рис.14. Установка для демонстрации действия магнитного поля на проводник с током Рис.15. Форма рамки 7.1 Порядок выполнения измерений Теперь чтобы измерить силу, нам необходимо соединить между собой скобу и рычаг весов. Для этого закрепим в держателе весов тело №1 из набора аэродинамических тел. Затем из тонкой легкой медной проволоки 35 сделаем толкатель произвольной длины, один конец которого закрепим на скобе, а вторым обогнем тело №1, как показано на рисунке 14. Начнем эксперимент. измерительным Для оборудованием. В начала этом нужно опыте определиться нам очень с важно контролировать ток, протекающий по рамке, поэтому можно выбрать источник со встроенным амперметром либо, если такого нет в наличии, включить в цепь школьный амперметр с шунтом на 10А и соответствующей шкалой постоянного тока. Для наблюдения за напряжением в этом случае используется электронный мультиметр (рис.14), однако его наличие не обязательно. Теперь определим, как нужно подключить скобу к источнику тока, чтобы она отклонилась не вовнутрь подковообразного магнита, а наружу. Для этого выясним, в каком направлении течет ток по проводнику и воспользоваться правилом левой руки, чтобы определить силу Ампера. Передвигая магнит, выясним, где магнитное поле будет сильнее, и зафиксируем его в этой области. Примечание: Сопротивление рамки небольшое, поэтому напряжение на скобу следует подавать осторожно, плавно вращая регулятор напряжения на источнике и наблюдая при этом за показаниями амперметра. В данном случае, напряжение не превышает 1,3В. Приступим к измерениям. Включим источник и установим значение тока 2А. При этом скоба отклоняется и благодаря упомянутой в пункте 8.2 конструкции толкает рычаг весов и выводит их из положения равновесия Рис.16. Измерение №1 36 Теперь определим значение силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Для этого выберем один из четырех грузиков (рис.2), приведем весы в равновесие, перемещая грузик (в данном случае 0,5 г) по рычагу, и вычислим величину силы. Те же самые действия выполним для значений тока 4А, 6А и 8А. Результаты измерений запишем в таблицу 1. Таблица 1. Результаты измерений силы Ампера Сила тока I(A) 2 4 6 8 Сила Ампера FA(H) Заполнить таблицу! Теперь подробно описать опыт по измерению силы Ампера. Заканчивается описание этих экспериментов выводом в виде формулировки закона Ампера. 8. Демонстрация аэродинамического сопротивления 8.1. Вентилятор Так как весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП предназначены для измерения малых сил в опытах по аэродинамике, то с помощью этого прибора можно показать действие сил сопротивления при движении тел в вязкой среде. В данном разделе рассматривается демонстрационный эксперимент, который направлен на формирование представлений о силе сопротивления при движении тела в вязкой среде. Для проведения такого опыта можно использовать любой вентилятор, но лучше всего вентилятор изготовить с учетом возможных сил. Для проведения этих опытов автором был изготовлен вентилятор. 37 Чтобы изготовить вентилятор потребуются несколько предметов. Вопервых, это электродвигатель достаточной мощности, чтобы сдвинуть аэродинамические тела из комплекта. В данном случае это электродвигатель ДП-32-4-3-27, имеющий напряжение питания 27В и частоту вращения 3000 об/мин. Вид электродвигателя изображен на рисунке 17. Его мощности вполне достаточно при небольших габаритных размерах. Рис. 17 Электродвигатель ДП-32-4-3-27 На задней кромке электродвигателя имеются клеммы для подключения проводов. Во-вторых, потребуется жесткий пропеллер из металла или пластика. Такой пропеллер можно получить, к примеру, разобрав охлаждающий компьютерный кулер, который показан на рисунке 18. Рис18. Компьютерный кулер 38 Пропеллер неподвижно соединяется с валом двигателя при помощи эпоксидной смолы или холодной сварки. Далее, после того как клей хорошо просохнет и затвердеет, вся конструкция крепится на устойчивой подставке. Можно придумать множество различных способов соорудить крепление из подручных материалов, в данном случае для этого используется подвижный миниатюрный штатив с шарниром и самодельные металлические зажимы Материал самой подставки, разумеется, также может быть различным, главное обеспечить ее размерами устойчивое положение вентилятора на ней. Рис. 19. Вентилятор При необходимости, чтобы сконцентрировать силу воздушного потока, можно дополнить данную конструкцию воздуховодом, который можно изготовить из полипропиленовой трубы подходящего диаметра. 8.2. Опыты по изучению аэродинамического сопротивления 1. Для проведения опыта соберем установку, как показано на рисунке 20. В прилагаемом руководстве по эксплуатации в качестве воздуходувки предлагают использовать универсальный электродвигатель с соответствующей насадкой, 39 которую закрепляют на электродвигателе в горизонтальном направлении. Но если такого в наличии не имеется, можно использовать небольшой бытовой вентилятор, компьютерный кулер либо собрать свой собственный. Рис.20. Установка для изучения зависимости аэродинамического сопротивления от скорости потока, формы и сечения тела. 2. В качестве исследуемых тел используются специальные тела различной формы и сечения, входящие в комплект установки (рис.21). Рис. 21.Аэродинамические тела 40 3. В держателе весов закрепим тело 2 и установим весы в исходное положение равновесия с помощью перемещающегося груза у противовеса. Добившись совпадения указателя с меткой на шкале, расположим воздуходувку напротив тела 2 на расстоянии приблизительно 10—15см так, чтобы оно полностью охватывалось воздушным потоком. Установка готова к использованию (рис.22). Рис.22. Исходное положение равновесия 4. Включим воздуходувку и с помощью регулятора на источнике установим значение напряжения 10В. Примечание: У любого электродвигателя есть предельное напряжение, которое на него можно подать. На это стоит обратить внимание, чтобы не сжечь двигатель. Значение этого напряжения указано в руководстве по эксплуатации либо на корпусе самого электродвигателя. Мы видим, что тело вместе со стрелкой весов отклонилось от положения равновесия вследствие воздействия на него воздушного потока. Чтобы определить силу этого воздействия, приведем весы в равновесие, 41 перемещая грузик (например, 0,2 г) по рычагу (рис. 20), и определим величину аэродинамического сопротивления согласно пунктам 2; 3. Рис.23. Рычаг, уравновешенный грузиком Грузик находится на отметке «6» на шкале. 5. Увеличим скорость потока, меняя величину напряжения на электродвигателе воздуходувки, и опять приведем весы в равновесие, передвигая грузик по рычагу. В этом случае показания становятся больше, т.е. с увеличением потока при одном и том же сечении, аэродинамическое сопротивление увеличивается. 6. Результаты измерений записать в таблицу 2. Таблица 2. Результаты измерений аэродинамического сопротивления № Напряжение U|(В) 1 10 2 20 3 30 Аэродинамическое сопротивление F(H) 7. Чтобы продемонстрировать зависимость аэродинамического сопротивления от формы тела при одной и той же скорости потока, в держателе весов 42 последовательно закрепим разные противовесы из прилагаемого комплекта. В этом случае опыт удобнее начинать с полусферы, обращенной вогнутой поверхностью навстречу потоку. После того, как это тело закреплено на весах и при помощи противовеса весы уравновешены, расположим грузик в конце рычага, например, на 28-м делении. При этом весы выходят из равновесия. Тогда постепенно будем увеличивать скорость воздушного потока, направленного на испытуемое тело, и добьемся, чтобы весы пришли в исходное положение. Эта величина скорости потока и останется постоянной для опытов с другими телами набора. 8. После этого повернем полусферу выпуклой стороной навстречу потоку. При этом заметим, что сила аэродинамического сопротивления уменьшилась. Перемещая грузик по рычагу, приведем весы в равновесие и найдем величину на шкале, которая в этом случае составляет 0,4 от принятой за единицу силы сопротивления пластинки. Затем согласно пунктам 2; 3 определим аэродинамическое сопротивление всех тел из набора (кроме тела №1). Результаты измерений запишем в таблицу 3. Таблица 3. Зависимость аэродинамического сопротивления от формы тела Тела №2 №2 №3 (вогнут.) (выпукл.) №4 №5 Аэродинамическое сопротивление F(H) 9. Ответим на вопрос: Какова форма тела, оказывающего наименьшее сопротивление воздушному потоку? 10. Теперь в держателе весов закрепим тело №1. Таким же образом измерим его аэродинамическое сопротивление и сравним с предыдущими результатами. Сделаем вывод, расположив все тела в порядке убывания значения их аэродинамического сопротивления (зарисовать). 43 9. Демонстрационный эксперимент с прибором «Трибометр демонстрационный» 9.1. Название и устройство прибора Прибор служит для демонстрации законов трения покоя и трения скольжения бруска по доске. Прибор представляет собой деревянную доску со стержнем длиной 82 см и шириной 10 см. Оборудование: 1) Динамометр с прямоугольным циферблатом; 2) Трибометр демонстрационный; 3) Деревянный брусок; 4) Груз массой 0,1; кг,0;2 кг; 0,3 кг; 5) Штатив универсальный; 6) Метр демонстрационный; 7) Шнурок. 9.2. Опыт №1. Изучение силы трения покоя и измерение коэффициента трения скольжения Собирают установку как показано на рисунке 21. Доску трибометра закрепляют справа в штативе с помощью имеющегося на ней стержня. Левый конец доски помещают на зажатую в муфте лапку, что бы доска расположилась горизонтально. Первую часть опыта делают только с бруском без гирек. Деревянный брусок ставят на доску и привязывают к нему шнурок. Другой конец шнурка закрепляют за крючок динамометра. 44 Рис. 24. Изучение силы трения покоя Взяв динамометр, постепенно натягивают шнурок. Динамометр показывает увеличение силы трения покоя. После достижения предельной величины этой силы брусок сдвигается с места. При равномерном движении бруска динамометр показывает меньшую величину-силу трения скольжения. Каждый опыт повторяем три раза. Из полученных данных определяют коэффициенты трения покоя и скольжения. Во второй части опыта на деревянный брусок устанавливаем поочередно три груза массами 0,1 кг; 0,2 кг; 0,3 кг. Проводим такие же измерения и убеждаемся, что сила трения скольжения увеличивается, но коэффициент трения скольжения остается неизменным. Результаты этих измерений представлены в таблице 4. Результаты этих опытов показывают, что сила трения скольжения зависит от массы движущегося тела, а коэффициент трения скольжения для данных поверхностей является величиной постоянной. Значение коэффициента трения скольжения совпадает со значением, которое приводится в справочной литературе для деревянных поверхностей. 45 Таблица 4. Измерение силы трения скольжения и коэффициента трения скольжения mгруза , кг Fтр.ск , Н 0 0,3 0,3 0,1 0,6 0,3 3 0.2 0,9 0,3 4 0,3 1,2 0,3 № опыта mбруска , кг 1 2 0,102 Рис. 25. Опыты с нагруженным бруском Повертывают брусок и кладут его на доску ребром. Повторяют опыт и убеждаются, коэффициент трения не зависит от величины трущихся тел. Проделываются все описанные опыты, и делается вывод, что коэффициент трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. 46 Рис. 26. Опыты с бруском, соприкасающимся с доской, поверхностью с меньшей площадью 9.3. Опыт №2. Изучение зависимости силы трения скольжения от силы нормального давления В данном опыте используется наклонная плоскость. Роль наклонной плоскости играет доска трибометра, которую с помощью штатива можно устанавливать под любым углом к горизонту. Для определения коэффициента трения с помощью наклонной плоскости гири снимают, левый штатив убирают, а доску располагают наклонно, как показано на рисунке 27. Постепенно поднимают правый конец доски, пока брусок не сдвинется с места. После этого измеряют демонстрационным метром высоту и основание наклонной плоскости и находят их отношение (тангенс угла наклона). В данном случае оно равно коэффициенту трения покоя. 47 Рис.27. Изучение силы трения покоя и силы трения скольжения при движении тела по наклонной плоскости (брусок на основании) Рис.28. Изучение силы трения покоя и силы трения скольжения при движении тела по наклонной плоскости (брусок на боковой грани) В данном опыте показывается, что сила трения скольжения зависит от силы нормального давления, которая определяется углом наклона плоскости к горизонту. Кроме того, в этом опыте показывается, что коэффициент трения скольжения равен тангенсу некоторого угла наклона плоскости к горизонту. 48 Таким образом, из опыта делаются выводы о том, что сила трения покоя может принимать любые значения в зависимости от внешней приложенной к телу силы, а коэффициент трения скольжения зависит только от рода материала соприкасающихся поверхностей. Кроме того, делается вывод, что сила трения скольжения зависит от силы нормального давления 10. Школьные лабораторные работы по изучению движения тел, брошенных горизонтально и под углом к горизонту с помощью баллистического пистолета 10.1. Пистолет баллистический лабораторный ПБЛ-М Т У РСФСР 8-80 Пистолет баллистический, к сожалению, редко используется пр проведении демонстрационных и лабораторных опытов по физике. Однако этот прибор можно применять и для наблюдения движения тела в поле силы тяжести и для постановки лабораторных работ физического практикума в школе, а также в вузе для специальностей, в которых физика не является профилирующей дисциплиной. Лабораторные работы такого уровня можно использовать при проведении вводного курса физики, а также при проведении различных подготовительных курсов при подготовке к сдаче государственной итоговой аттестации или единого государственного экзамена. Прибор предназначен для лабораторных занятий в физическом практикуме и позволяет вычислить работу: «Исследование движения тела брошенного горизонтально, вертикально и под углом к горизонту». Технические данные. 1. Максимальная дальность полета шарика - до 1,2 м. 2. Градуировка транспортира - от 00 до 900. 3. Цена делений на транспортире -50. 49 4. Габариты пистолета в сборе со струбцинкой, не более - 200х170х100 мм. 5. Масса прибора не более - 0,8 кг. Комплектность. - 1 шт. 1. Пистолет 2. Шарик металлический - 1 шт. 3. Струбцина - 1 шт. 4. Руководство по эксплуатации - 1 шт. 5. Коробка упаковочная - 1 шт. Устройство прибора. Пистолет состоит из пластмассового корпуса, отпрессованного заодно с транспортиром: толкателя, с ввернутой в него шпилькой; пружины, приводящей, толкатель в действие, и спускового кольца. Пружина удерживается в корпусе резьбой пробкой. Для установки под разными углами к горизонту, пистолет имеет простое угломерное устройство в виде транспортира с отвесом. Для того, что бы использовать этот прибор нам надо знать количественную характеристику этого прибора и поэтому первый этап это определение жесткости пружины. 10.2. Определение жесткости пружины Для начала измерим длину пружины в недеформируемом состоянии: x1 4см Далее измерим длину деформированной сжатой пружины: x2 1см . Определим деформацию пружины : x2 x1 1 4 3см 0, 03 м 3 Измерим массу шарика на весах, m 11, 2 г 11, 2 10 кг . 50 Устанавливаем пистолет так, как показано на рис. 25. .. Рис. 29. Пистолет в вертикальном положении «Снаряд» удерживается фиксатором. При нажатии на фиксатор k 2 пружина выпрямляется, и энергия сжатой пружины E переходит в 2 потенциальную энергию взлетевшего на высоту h0 «снаряда». По закону сохранения энергии можем определить жесткость пружины. Для того, чтобы точнее определить жесткость пружины, опыт повторяется не менее 10 раз. По результатам этих опытов определяется средняя высота, на которую поднимется шарик: hcp 47 м , 47 м . Потенциальная энергия шарика на этой высоте равна E m g h . Тогда, используя закон сохранения энергии, найдем жесткость пружины: 2m g y k 2 m g h; k 2 2 По результатам измерений определяем жесткость пружины: 51 2 11, 2 103 9,81 0, 47 2 H k 1,17 10 9 104 м Таблица 5. Результаты измерений для определения жесткости пружины № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. ,м h,м m,10 3 кг 0,03 0,50 0,48 0,49 0,47 0,50 0,42 0,49 0,40 0,50 0,46 11,2 10.3. Изучение движения тела брошенного горизонтально Устанавливаем пистолет так, как показано на рисунке 27. Нажимая на фиксатор, наблюдаем полет освобожденного «снаряда», получившего горизонтальную скорость V0 . Рис. 30. Расположение пистолета для изучения движения тела, брошенного горизонтально Наблюдая полет «снаряда», фиксируем точку его падения на землю и рассчитываем горизонтальную скорость снаряда. Для этого выберем систему координат следующим образом: ось OX направим горизонтально, по 52 направлению вектора скорости, ось OY направим вертикально вниз, по направлению вектора ускорения свободного падения. Рис. 31. Объяснение движения тела, брошенного горизонтально Выведем законы движения тела, брошенного горизонтально в отсутствии сил сопротивления воздуха. Для этого запишем второй закон Ньютона, который в данной ситуации будет иметь вид: ma m g . Так как масса тела не равна нулю, m 0 , то на эту величину можно сократить, тогда получаем a g . Спроецируем это уравнение на координатные оси, тогда получаем: ax 0; a y g . Это означает, что при изучении такого движения для проекций скоростей и для координат можно использовать законы равномерного и равноускоренного движения. Тогда для проекций скоростей получаем: Vx const V0 ; Vy g t . Аналогично находим координаты тела в изучаемом движении: x x0 V0 t ; g t2 y y0 2 53 При заданном выборе системы отсчета x0 0; y0 h , где h - высота, на которой установлен прибор. Когда шарик упадет на пол аудитории, его координаты будут равны x L , где L - дальность полета, которую можно измерить, а y 0 . Тогда для точки падения можно записать: L V0 t ; g t2 0h 2 В этих формулах t - время падения, которое также можно измерить. Теперь для проверки законов движения тела, брошенного горизонтально можно определить скорость, с которой тело вылетело из пистолета, и сравнить этот результат с тем значением скорости, которое получается из закона сохранения энергии. Тогда из последней формулы определяем время полета t 2h и подставляем в предыдущую формулу g для дальности полета. Тогда получаем L V0 2h . В этой формуле g значения дальности полета L и высоты h можно измерить. Тогда можно вычислить скорость, с которой тело вылетело горизонтально: V0 L g 2h Кроме того, эту скорость можно найти из закона сохранения энергии, так как эта скорость получена в результате того, что потенциальная энергия сжатой пружины переходит в момент «выстрела» в кинетическую энергию шарика: k k 2 m V02 , отсюда находим начальную скорость V0 m 2 2 Теперь можно вычислить эти значения скорости и сравнить их. 54 Таблица 6. Результаты измерений начальной скорости шарика, брошенного горизонтально № м с h, L, опыта м м 1. 0,7 1,25 3,37 2. 0,7 1,20 3,24 3. 0,7 1,23 3,32 4. 0,7 1,26 3,40 5. 0,7 1,28 3,46 6. 0,7 1,32 3,56 7. 0,7 1,26 3,40 8. 0,7 1,25 3,37 9. 0,7 1,25 3,37 10. 0,7 1,23 3,32 V0 , V0,cp , 3,4 м с V0,np , м с 3,2 В этой таблице V0,cp - среднее значение скорости, полученное по результатам измерений, а V0,np - значение этой же скорости, полученное из закона сохранения энергии. Как видно из таблицы, результаты определения скорости отличаются друг от друга на величину, равную 0, 2 м , что с составляет 6%. Такая точность является достаточной для школьных лабораторных работ. 10.4. Изучение движения тела, брошенного под углом к горизонту Для того, чтобы изучить законы движения тела, брошенного под углом к горизонту, в отсутствии силы сопротивления, устанавливаем прибор под определенным углом, как показано на рисунке 29 55 Рис. 32. Положение пистолета для изучения движения тела, брошенного под углом к горизонту Наблюдая полет «снаряда», и измеряя дальность полета и высоту, снова определяем начальную скорость. Это значение скорости также сравниваем со значением, полученным из закона сохранения энергии при вылете шарика. Для того, чтобы сравнить скорости, выведем законы этого движения и получим из них выражение скорости. Система отсчета для решения этой задачи представлена на рисунке 33. Как и в случае движения тела брошенного горизонтально, получаем: ax 0; a y g . Отсюда следует, что Vx const V0 cos Vy V0 y g t V0 sin gt 56 Рис. 33. Система отсчета для изучения движения тела, брошенного под углом к горизонту По аналогии можно записать формулы для координат тела: x V0 cos t ; g t2 y h V0 sin t 2 Когда тело упадет на пол аудитории, то его координаты будут равны: x S ; y 0 . Из этих условий можно найти время полета и начальную скорость В таблице 7 представлены результаты измерений и вычислений для случая, когда тело брошено под углом 450 к горизонту, в таблице 8 – под углом 300 к горизонту, а в таблице 9 – под углом 600 к горизонту. 57 Таблица 7. Результаты измерений начальной скорости тела, брошенного под углом 450 к горизонту № h, м , град 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 45 0,74 S, м 1,40 1,47 1,46 1,40 1,42 1,45 1,42 1,40 1,40 1,42 м с V0,cp , 3,08 3,12 3,11 3,08 3,23 3,09 3,23 3,08 3,08 3,23 3,1 V0 , м с V0,np , м с 3,2 Таблица 8. Результаты измерений начальной скорости тела, брошенного под углом 300 к горизонту № h, м , град 1. 2. 3. 4. 5. 30 0,74 S, м 1,53 1,55 1,64 1,55 1,58 V0 , м с 3,13 3,11 3,23 3,11 3,17 V0,cp , м с 3,13 V0,np , м с 3,20 Таблица 9. Результаты измерений начальной скорости тела, брошенного под углом 600 к горизонту № , град 1. 2. 3. 4. 5. 60 h, м 0,74 S, м 1,13 1,14 1,12 1,15 1,13 V0 , м с 3,05 3,08 3,03 3,07 3,05 V0,cp , м с 3.06 V0,np , м с 3.20 58 Результаты этих измерений показывают, что данные опыты с хорошей степенью точности позволяют измерить начальную скорость тела при вылете из пистолета. Это дает хорошее подтверждение законов движения тела, брошенного под углом к горизонту. НАБОР ПО СТАТИКЕ С МАГНИТНЫМИ ДЕРЖАТЕЛЯМИ Назначение Набор предназначен для демонстрации различных опытов по статике в средней школе. С помощью набора можно вывести правила сложения и разложения сил, правило моментов, продемонстрировать опыты с рычагами и блоками, определить центр тяжести тела неправильной формы. 3. Комплектность В комплект входят: Динамометр на 300 Г с корректирующей муфтой, смонтированный на площадке, скрепленной с подвижным магнитопроводом постоянного магнита, - 3. Цена деления динамометра - 50 Г. Постоянный: 59 магнит с магнитопроводом, предназначенный для крепления блока или штифта зацепления пружины к нити, - 2. Блок со съемной подвеской - 2. Набор из пяти грузов по 50 2 Г каждый - 2. Пластина неправильной формы для нахождения центра тяжести и вывода правила моментов 1. Стержень длиной 400 мм с петлями на концах, разделенный черными рисками с одной стороны на три, а с другой стороны на четыре равных отрезка, - 1. Угольник с делениями для измерения плеч - 1. Пружина с загнутыми концами - 2. Разрезное кольцо с металлической петлей - 2. Крючок проволочный - 5. Нить длиной - 1100 мм 4. Устройство и принцип работы Две первые детали комплекта держатся на стальном щите посредством постоянных магнитов. Этот способ дает возможность быстро устанавливать деталь в любом месте щита. На щите можно делать мелом метки, различные построения, отмечать величины и т. д. Каждый из трех трубчатых динамометров набора имеет специальное поворотное устройство, обеспечивающее ему возможность автоматически устанавливаться вдоль прямой, по которой направлена измеряемая сила. Под действием собственного веса внутренний цилиндр динамометра обычно погружается внутрь наружного цилиндра, когда динамометр установлен крючком вверх или выходит наружу, когда крючок обращен вниз. Поэтому перед измерением корректирующая муфта устанавливается так, чтобы динамометр в данном положении показывал нуль. Это делается и в тех случаях, когда необходимо исключить из рассмотрения вес подвижного блока, рычага и др. Пластина неправильной формы имеет по краям несколько отверстий, расположенных произвольно, и одно отверстие в центре тяжести. Вес пластины составляет 50 Г или кратен 50 Г. 60 Для проведения опытов щит подвешивается к верхнему краю классной доски или устанавливается на демонстрационном столе с помощью универсального штатива. 5. Опыты с набором 5. 1. Опыт №1. Сложение двух сил, действующих по одной прямой. На доске крепится держатель с установленным на нем штифтом. На штифт надевают пружину и подвешивают к ней, например, три груза. Прикрепив к колечку пружины вторую нить, перекидывают ее через блок на втором держателе и оттягивают динамометром с силой 2 ед. (рис. 1). Положение колечка пружины на доске отмечают мелом. Обратив внимание учащихся на то, что деформация пружины, отмеченная меткой на доске, вызвана действием двух сил в З ед. и 2 ед., убирают динамометр и догружают пружину еще двумя грузиками. Учащиеся убеждаются, что колечко пружины оказывается в этом случае на прежнем месте (над меткой). Таким образом, новая сила в 5 ед. по своему действию равноценна двум силам: в З ед. и 2 ед., т. е. является их равнодействующей. 61 6. 2. Опыт №2. Сложение сил, направленных под углом друг к другу. На доске подвешивают пружину и оттягивают ее двумя динамометрами так, чтобы последние расположились под прямым углом и показывали З ед. и 4ед. (150 Г и 200 Г). Отмечают мелом положение колечка пружины и проводят риски позади динамометров, чтобы отметить направление сил (рис. 2). Затем один динамометр убирают, а другим вновь оттягивают пружину так, чтобы колечко оказалось на оставленной ранее метке. Риской на доске отмечают новое положение динамометра и записывают его показание (5 ед.) - Убрав динамометр, проводят мелом из отмеченной точки прямые через три риски и на этих прямых в произвольном масштабе строят три вектора сил. Соединив концы векторов, получают параллелограмм сил. 62 7. 3. Опыт №3. Величина равнодействующей зависит от угла между составляющими Через два блока перекидывают нить с одинаковыми грузами на концах и с петелькой посередине, приготовленной для динамометра. Как видно из опыта, на эту петельку действуют две равные, противоположно направленные силы, у которых равнодействующая равна нулю (узелок находится в равновесии). Закрепив в петельке крючок динамометра, передвигают блоки, уменьшая угол между нитями (рис. 3). При этом динамометр показывает величину уравновешивающей силы, которая с уменьшением угла между нитями постепенно увеличивается и становится равной сумме составляющих, когда угол уменьшается до нуля (для этого блоки располагают па разной высоте). 63 8. 4. Опыт №4. Сложение параллельных сил. К двум пружинам подвешивают па крючках за произвольно выбранные точки стержень горизонтально или немного наклонно. Двумя параллельно расположенными динамометрами оттягивают пружины и отмечают мелом на доске положение концов стержня (рис 4). Отметив показания динамометров, убирают их и вновь возвращают стержень в прежнее положение, действуя на него теперь одним динамометром. Точку зацепления динамометра надо найти опытным путем. Сравнивая величины измеренных динамометрами сил и расстояния между точками их приложения, выводят правило сложения параллельных сил. 64 6. 5. Опыт №5. Правило моментов 7. Собирают установку, например, так, как показано на рисунке 5. Перемещениями динамометров добиваются целочисленных их показаний. Затем отмечают на пластине мелом произвольно точку А, относительно которой будут определяться моменты сил. Эту точку надо выбрать так, чтобы она не лежала на прямых, вдоль которых направлены силы. 8. Для измерения плеч служит угольник, состоящий из стержня и линейки с цветными делениями. Расположив стержень вдоль динамометра, измеряют с помощью линейки плечо силы, т. е. расстояние от стержня до выбранной точки А. 65 В приведенном примере на пластину действуют пять сил, в том числе сила тяжести пластины, равная 1 ед. (50 Г) и приложенная в ее центре тяжести (центр тяжести отмечен отверстием на середине пластины). Измеряв плечо силы, вычисляют момент относительно точки А, 9. Затем складывают моменты, вправленные по часовой стрелке и против часовой стрелки, и убеждаются, что полученные суммы близки по величине. 66 10.Во всех опытах перед измерением силы необходимо сначала ориентировать динамометр надлежащим образом, а затем установить нуль с помощью корректирующей муфты. В тех случаях, когда надо исключить из рассмотрения вёс стержня, блока и др., динамометр сначала нагружают этими предметами, после чего устанавливают корректирующую муфту на нуль.
