Сядзяка А.Г. Лабараторны i дэманстрацыйны эксперымент з лічбавай фізічнай лабараторыяй «Архімед»

Створаныя за апошні год рэсурсныя цэнтры па фізіцы на базе некаторых школ існуюць у кожным раёне Мінска. Гэтыя школы, ды і не толькі яны. сёння могуць пахпаліцца наяўнасцю фізічнай лабараторыі "Архімед". Але само па сабе гэта яшчэ не гарантуе якаснага змянення навучальнага і выхаваўчага працэсу па прадмеце, бо выкарыстанне дадзенага абсталявання патрабуе значнаіі папярэдняй работы. Спачатку трэба прыді/маць дослед, сканструяваць і зрабіць для яго рыштунак, адпрацаваць тэхніку эксперымента і методыку апрацоўкі яго вынікаў. Гэта вьімагае ад настаў ніка многа часу і працы, але кампенсуецца радасцю творчасці і вялікай цікавасцю вучняў, якія ахвотна далучаюцца да такой дзейнасці.

Хачу падзяліцца некаторымі напрацоўкамі лабараторнага і дэманстрацыйнага эксперымента з лічбавай лабараторыяй "Архімед". якія дапамогуць настаўніку хутка іх падрыхтаваць і выкарыстоўваць на ўроках.

Мадзль генератара пераменнага току

У дадатак да эксперымента па вывучэнні з'явы электрамагнітнай індукцыі, апісанага ў папярэднім артыкуле (гл. № 5, 2008 г.), прапаную наступны дэманстрацыйны эксперымент па прымяненні закона электрамагнітнай індукцыі для атрымання пераменнага электрычнага току. На малюнку 1 прадстаўлена дзеючая мадэль генератара пераменнага току.

Паласавы магніт 2 за прымацаваную скотчам пятлю падвешаны на спружыне 1. Дакладна пад ім на штатыве вертыкальна мацуецца танкасценная пластмасавая альбо тэксталітавая трубка 5 з наматанай на яе меднай шпуляй. Пры ваганнях магніта ўнутры шпулі ўзнікае пераменны ток, які вымяраецца датчыкам току 4. Датчык індукцыі магнітнага поля 3 вымярае ваганні поля ў контуры шпулі. На камп'ютары 6 адлюстроўваецца залежнасць сілы току і магнітнай індукцыі ад часу.

Ваганні індукцыі магнітнага поля будуць гарманічнымі толькі тады, калі ў плоскасці контура шпулі будзе знаходзіцца нейтральная зона магніта. Але пры гэтым і поле, і індукцыйны ток будуць вельмі слабымі. Дзеля болыпай сілы току магніт трэба падвешваць на такой вышыні, каб ў плоскасці контура шпулі знаходзіўся яго полюс.

У пачатковых настройках датчыка магнітнай індукцыі прымаем гэтае значэнне за нуль і задаём частату вымярэнняў 25 імпульсаў за секунду. Ахвяруючы прыгожай сінусоідай (мал. 2, злева), мы затое атрымліваем выразнае ператварэнне энэргіі механічных ваганняў магніта ў энергію электрычнага току.

На прыведзеных графіках (гл. мал. 2, злева) відаць, як перыядычнае змяненне магнітнага поля прыводзіць да ўзнікнення пераменнага электрычнага току. Выразна відаць і адставанне ваганняў электрычнага току ад ваганняў магнітнай індукцыі, што тлумачыцца індуктыўнасцю шпулі. Карыстаючыся магчымасцямі праграмы Mutilab, можна раздзяліць графікі магнітнай індукцыі і току, а таксама згладзіць іх (гл. мал. 2, справа), надаўшы ім больш эстэтычны выгляд. Вучням можна прапанаваць прыдумаць канструкцыю механічнага прывада для ажыццяўлення вымушаных ваганняў такога магніта, каб ідэя падобнага генератара стала практычна рэалізуемай. На ўроку можна абмеркаваць таксама прычыны, па якіх такі генератар не можа пахваліцца значнай магутнасцю. Амплітуда току, як відаць з графіка, складае менш за 1 мА. Гэта дэманстрацыя дазваляе ўсвядаміць важныя перавагі сучасных дынамамашын: замкнутая канфігурацыя магнітнага патоку ўнутры канструкцыі статара і вялікая індуктыўнасць контуру, наматанага на жалезны якар.

Праверка асноўнага закона дынамікі

Другі закон Ньютана, сфармуляваны аўтарам у тэрмінах імпульсу сілы і змянення колькасці руху цела, — адна са складаных тэм курса механікі. Прамы дослед па яго праверцы можна правесці на ўроку, і ён дасць вучням нагляднае ўяўленне аб гэтых фізічных велічынях. Для вырабу эксперыментальнай устаноўкі неабходна крыху перарабіць датчык сілы: зняць кручок і замест яго прымацаваць вінтом М4 невялічкую дошчачку велічынёй з далонь (мал. 3).

Датчык сілы, як бачна на малюнку, мацуецца ўнізе звычайнага штатыва. Тэнісны мячык масай 100 г свабодна падае на дошчачку з вышыны прыблізна 50—60 см, як дазваляе вышыня штатыва, наверсе якога прымацаваны датчык адлегласці (мал. 4). Датчык сілы вымярае залежнасць сілы ўдару ад часу, а датчык адлегласці ў гэтым доследзе наладжваецца толькі для вымярэння скорасці мячыка пры ўдары і адскоку ад дошчачкі.

Такую настройку можна зрабіць тады, калі Nova-5000 падключана да камп'ютара і ў праграмы МііІШаЬ з'яўляюцца дадатковыя магчымасці. У характарыстыках датчыка адлегласці гаворыцца, што максімальная частата вымярэнняў не павінна перавышаць 50 імпульсаў за секунду. Аднак гэта недастаткова, паколькі час удару складае ўсяго 20—30 мілісекунд. За гэты час датчык сілы зробіць іэлькі 1—2 замеры, што не дазваляе дакладна палічыць імпульс сілы. Аднак дослед атрымліваецца і пры частаце 100 імпульсаў за секунду.

На малюнку 5 паказаны графік доследу. Спачатку адпушчаны з-пад датчыка адлегласці мячык разганяецца 180 мс у свабодным падзенні да скораці прыблізна 2,8 м/с, удараецца аб дошчачку і за час удару мяняе сваю скорасць на процілеглую -1 м/с.

ІІраверыць дакладнасць вымярэння датчыка адлегласці можна, выразіўшы графік скорасці на адрэзку разгону мячыка і зрабіўшы ліненнае прыбліжэнне. Камп'ютар дае матэматычны выгляд гэтай функцыі, па якім лінейны каэфіцыент прамой роўны 9,95 м/с² (мал. 6). Звяртаем на гэта ўвагу вучняў не толькі як на дакладнасць доследу, але і як на лішні доказ роўнасці паскарэння свабоднага падзення для ўсіх цел.

Каб зрабіць найбольш дакладныя вылічэнні імпульсу сілы і адпаведнага яму змянення колькасці руху мячыка, трэба раздзяліць графік сілы і графік скорасці (мал. 7). 3 графікаў відаць, што час удару складае прыблізна 33 мс, а сіла ўдару дасягае амаль 11 Н. Гэта дазваляе палічыць імпульс сілы.

F·t=11·33·10^-3 =0,36 Н·с.

Дяпер палічым змяненне імпульсу мячыка:

Няцяжка палічыць, што адносная хібнасць доследу складае каля ε = 5 %.

На самай справе трэба было б палічыць імпульс сілы як плошчу фігуры пад графікам сілы, якая нагадвае трапецыю. Памножыўшы амплітуду сілы на час удару, мы прыбліжана прынялі яе за прамавугольнік. Дакладны выгляд гэтай фігуры можна атрымаць, зрабіўшы дослед толькі з датчыкам сілы пры частаце вымярэнняў 500 імпульсаў за секунду (мал. 8). Можна ўбачыць, што хібнасць, якую мы атрымалі, прыняўшы гэтую фігуру за прамавугольнік, не надта вялікая.

Апісаны дослед можна зрабіць болын разнастайным, калі замяніць пругкі мячык мячыкам, які не адскоквае. Напрыклад, мячыкам ад сквоша. Можна ўбачыць, што нават калі ён болыны па масе, пры няпругкім удары ён дзейнічае на дошчачку з меншай сілай.

Знаходжанне магнітных полюсаў Зямлі

Гэты дослед можна прымяніць пры вывучэнні тэмы "Магнітнае поле Зямлі" на адным з першых урокаў раздзела "Магнітныя з'явы". Ён не толькі паглыбляе ўяўленні вучняў аб магнітна-сілавых лініях індукцыі магнітнага поля, але і ўзмацняе міжпрадметныя сувязі фізікі і геаграфіі.

Як вядома, магнітнае поле Зямлі па канфігурацыі ідэнтычна полю пастаяннага магніта. Лініі індукцыі выходзяць з паўночнага магнітнага (паўдзённага геаграфічнага) полюса і ўваходзяць у паўдзённы магнітны (паўночны геаграфічны).

На малюнку 9 відаць, што на экватары вугал паміж вектарам індукцыі і гарызонтам роўны 0°, як і шырата мясцовасці на экватары, а на полюсе, шырата якога 90°, вугал паміж магнітнай індукцыяй і гарызонтам таксама роўны 90°. Зыходзячы з гэтай логікі можна меркаваць, што калі геаграфічны і магнітны полюсы Зямлі супадаюць, то вугал нахілу магнітнага поля да паверхні Зямлі павінен быць роўны шыраце мясцовасці.

Ідэю доследу тлумачыць малюнак 10. Трэба вызначыць вугал а паміж магнітным полем і гарызонтам і параўнаць яго з шыратой. Вугал вызначаецца праз яго тангенс, для чаго трэба памераць гарызантальную і вертыкальную кампаненту вектара індукцыі магнітнага поля Зямлі. Для гэтага падключым да Nova-5000 датчык магнітнага поля, папярэдне пераіслючыўшы яго на дыяпазон высокай адчувальнасці (high sensitivity).

Паставім частату вымярэнняў на 10 замераў у секунду, а час доследу на 20—50 секунд. Запусцім рэгістратар. Трымаючы датчык у руках у гарызантальнай плоскасці і накірунку на поўнач, крыху паварочваем яго ўправа-ўлева ў пошуках максімальнага значэння магнітнай індукцыі, а знайшоўшы яго, паварочваем датчык вертыкальна ўніз для вымярэння вертыкальнай кампаненты поля. 3 графіка (мал. 11) відаць, што гарызантальная і вертыкальная складаючыя магнітнай індукцыі роўны адпаведна:

Тангенс вугла паміж вектарам індукцыі магнітнага поля Зямлі і гарызонтам, такім чынам, роўны:

што адпавядае вуглу α = 66°. А шырата Мінска, як вядома, — 54°.

Розніца складае 12°. 3 гэтага можна зрабіць выснову, што геаграфічны і магнітны полюсы Зямлі не супадаюць на 12°, што якраз і адпавядае інфармацыі падручнікаў, па якой вось вярчэння Зямлі з магнітнай воссю ствараюць 11,5° (мал. 12), а адлегласць паміж магнітным і геаграфічным полюсамі перавышае 1500 км.

Хаця логіка даследавання і не бездакорная, супадзенне яго вынікаў з сапраўдным станам рэчаў уражвае. Дослед на 5—10 мінут можа быць цікавай часткай урока. Мушу дадаць, што, праводзячы з вучнямі згаданыя вышэй вымярэнні амаль штодня, мы заўважылі, што вертыкальная і гарызантальная складаючыя вектара індукцыі магнітнага поля Зямлі значна змяняюцца ў дні магнітных бур. Гэты факт можна вельмі цікава скарыстаць пры вывучэнні сонечнага ветру ў курсе астраноміі альбо сілы Лорэнца.

Такім чынам, лічбавая фізічная лабараторыя "Архімед" можа актыўна і эфектыўна выкарыстоўвацца не толькі для факультатыўных лабараторных работ і навуковых даследаванняў, але і ў дзейнасці настаўніка на ўроках вывучэння новай тэмы альбо рашэння задач і інш. Вядома, што ўсе доследы і аналіз графікаў робяцца ў спалучэнні з мультымедыйным праектарам і экранам. Такія ўрокі цікавыя для вучняў, падабаюцца ім, добра запамінаюцца і значна ўзнімаюць іх матываванасць.

Матэрыял для гэтага артыкула, напрык лад, мне дапамагалі рыхтаваць вучні XI кла са СШ № 30 г. Мінска Кірыл Амельчанка Аляксей Дабрынскі, Генадзь Ермалаеў, Аляк сандр Строк, Павел Шмялёў, якія разам се мной канструявалі і выраблялі эксперымен тальнае начынне, наладжвалі датчыкі, праводзілі доследы і апрацоўвалі іх вынікі.