Штуро А.И. Устройство для изучения закона сохранения и превращения энергии

Для большей наглядности на уроках физики часто приходится применять приспособления и приборы, придуманные и изготовленные в школе.

Хочу поделиться опытом использования на уроках устройства для изучения закона сохранения энергии. Конечно, для демонстрации этого закона у нас есть и готовое оборудование, хотя с годами оно своё уже отработало и демонстрация, особенно в электрических и магнитных явлениях, не всегда выглядит эффектно.

На занятиях кружка электроники, которым я руковожу, возникла идея создания демонстрационной установки, позволяющей иллюстрировать превращение энергии заряженного конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности, когда по её виткам идёт разрядный ток. Хотелось сделать так, чтобы с помощью прибора можно было демонстрировать превращение кинетической энергии в потенциальную, наблюдая за полётом "снаряда".

В 2008 году мои ученики успешно защитили этот прибор на 10-й областной научно-практической конференции "Квант" и заняли призовое место. Коллеги предложили поделиться опытом с более широким кругом учителей.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принципиальная электрическая схема созданного нами прибора показана на рисунке 1.

Устройство состоит из источника питания, в котором применяется трансформатор ТВК-110, диодного мостика КЦ, блока конденсаторов С1-СЗ (ёмкостью 1000 мкФ, 2000 мкФ и 4000 мкФ на напряжение 50 В), катушки индуктивности (подойдёт от электромагнита для лабораторных работ), переключателей ёмкости К1-КЗ; переключателя рода работ К4.

Для индикации процесса зарядки конденсатора в схему включена лампа Л1.

Лампы Л2-4 являются индикаторами включения заданной ёмкости С1-3.

Клеммы К1-2 служат местом для подключения дополнительной ёмкости, а при положении ключа К4 в состоянии 1 они используются как источник постоянного напряжения 24 В.

Схема работает следующим образом.

В положении 1 переключателя К4 напряжение с диодного моста подаётся на один из конденсаторов, выбранный с помощью ключей К1-КЗ. В положении 2 переключателя К4 весь заряд с конденсатора подаётся на катушку индуктивности. В ней возникает ток, и внутри нарастающее магнитное поле создаёт индукционный ток в гильзе из тонкой жести, которая свободно может перемещаться. Благодаря взаимодействию магнитных полей катушки и гильзы происходит её выталкивание наружу с приличной скоростью на высоту Н (более 1 метра при ёмкости 2000 мкФ). Масса гильзы примерно 1 грамм. Можно исследовать зависимость высоты подъёма гильзы от ёмкости конденсатора.

Внешний вид прибора показан на рисунке 2.

На передней панели расположены лампа Л1, лампы Л2-4, переключатели К1-3.

На верхней панели расположен переключатель рода работ К4 (заряд — разряд) и отверстие для размещения гильзы — снаряда. В конструкции предусмотрена штанга-линейка и направляющая нить во избежание потери гильзы после выброса.

При сборке используется навесной монтаж. Все детали доступны, и изготовление прибора вполне под силу для повторения любому, кто имеет небольшие навыки в сборке электросхем.

Конструкция позволяет оживить урок и успешно решить многие вопросы при объяснении или при закреплении материала.

С помощью установки могут быть продемонстрированы многие опыты и предложены следующие экспериментальные задачи:

■ проверка закона сохранения энергии;

■ определение КПД устройства;

■ проверка зависимости энергии конденсатора от его ёмкости;

■ измерение скорости и кинетической энергии;

■ определение баллистических характеристик тела при стрельбе под углом к горизонту.

ПРАВИЛА ПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИБОРОМ

Выбрать с помощью К1-3 нужную ёмкость.

Переключатель К4 поставить в положение "заряд".

Дождаться, пока погаснет лампа Л1.

Опустить в отверстие гильзу.

Переключить К4 в положение "разряд".

Визуально зафиксировать высоту подъёма гильзы после её вылета.

Изменив при помощи переключателя К1-3 ёмкость, опыт можно повторить.

Для подключения внешнего конденсатора необходимо отключить все секции К1-3, а конденсатор подключить к клеммам К1-2, соблюдая полярность.

При использовании клемм К1-2 в качестве источника тока необходимо К4 поставить в положение "заряд".