Лещинский Ю.Д. Эксперимент по теме «Реостаты и потенциометры»

Одна из важнейших задач школьного курса физики — привитие учащимся практических навыков обращения с простейшими элементами и узлами электрических цепей, задача, одинаково важная как для учеников базовой школы, так и для тех, кто учится в классах с углубленной программой по физике. Выделим из этой широкой задачи конкретную: устройства, регулирующие силу тока и напряжение в цепях постоянного тока. Обращаясь к стабильным школьным учебникам, мы видим, что если там определенное внимание уделяется изучению реостата, то явно «обиженным» остается потенциометр, который появляется без всяких пояснений и комментариев в схемах для снятия вольт-амперных характеристик в учебнике X класса.

Не удивительно, что это важнейшее устройство воспринимается большинством обучаемых формально, а некоторые из них вообще чисто зрительно запоминают схемы без осмысления сущности процессов в изучаемых устройствах. Поэтому, на наш взгляд, совершенно необходимо выделить определенный ресурс времени на прохождение данной темы.

Формы и время этих занятий (VIII или X класс) могут быть установлены самостоятельно учителем, в конкретном классе, отдельные моменты могут быть изложены лишь для более сильных учащихся во внеурочное время (факультатив, кружок). Нам бы хотелось остановиться подробнее на системе проведения эксперимента (демонстрационного и фронтального) по указанной теме, где в течение ряда лет накоплен значительный полезный опыт.

1-й этап. «Первичное ознакомление с реостатом и его работой». Собрав схему по рис. 1 с выпрямителем, реостатом на 30 Ом, лабораторной лампочкой накаливания «3,5 В, 0,26 А» и демонстрационным амперметром, демонстрируем изменение тока в цепи как результат изменения рабочей длины проволоки реостата (на схеме на доске ее следует заштриховать). Обращаем внимание обучаемых на два момента: а) в такой схеме используются лишь два вывода реостата(А и С); б) в этой схеме ток в нагрузке регулируется в строго определенном диапазоне: I_min≤ I_нагр ≤ I_max и ни при каком положении скользящего контакта не сводится к нулю (именно поэтому в схему желательно включить амперметр, не доверяясь оценке силы тока по накалу лампы).

Рис. 1

2-й этап. «Ознакомление с эффективностью регулировки силы тока реостатом». Выписав на доске числовой диапазон тока в нагрузке в предыдущем опыте, заменяем в схеме реостат на более низкоомный (лабораторный на 6 Ом) и заново выписываем новый диапазон регулирования, истолковываем его резкое сужение.

3-й этап. Тот же, что и предыдущий, но с переходом от демонстрационного эксперимента к фронтальному. Для этого усложняем программную получасовую работу с реостатом, когда в качестве нагрузки выступает амперметр, до полной работы на целый урок. Учащиеся, собрав схему по рис. 1, измеряют диапазон изменения тока сначала в лабораторной лампе накаливания, а затем в 2-омном резисторе на колодке. Результаты измерений заносятся в таблицу, в которую можно ввести завершающую колонку «Эффективность регулировки силы тока в нагрузке I_max/I_min». Для наиболее подготовленных учеников можно предложить дополнительный вопрос: «Каким требованиям должен отвечать реостат для эффективного регулирования силы тока в данной нагрузке?».

Рис. 2

4-й этап. «Включение реостата тремя точками» — развивающий для более сильных учащихся. Этап может быть оформлен в виде проблемной ситуации: что произойдет с током в цепи, если, не меняя положения ползунка, соединить его вывод со свободным выводом реостата? Соединить точкиВ и D, как показано на рис. 1, штриховой линией. Проведя такое соединение, видим, что сила тока не изменяется. Объясняем, что правая часть реостата СВ все равно не будет участвовать в провождении тока, так как она зашунтирована проводомCD. Показав через эпископ фрагменты каких-либо радиосхем, показываем, что практически всегда реостат включают в схемы не двумя точками, как в школьном учебнике, а именно тремя, как только что было показано. Все дело в том, что при потере контакта между ползунком и проводящей поверхностью первая схема дает полный обрыв цепи, что иногда абсолютно недопустимо (например, регулирующий шунт к амперметру), а вторая — лишь увеличение сопротивления.

5-й этап. «Первичное знакомство с потенциометром (делителем напряжения)». Собираем цепь по рис. 2, где используются тот же реостат на 30 Ом и два демонстрационных вольтметра со шкалами «5 В». Передвигая ползунок реостата, показываем и объясняем, что полное напряжение источникаU делится на две части U₁ и U₂ так, что выполняются обе закономерности последовательного соединения U₁ + U₂ = U и U₁/U₂ = R₁/R₂ = l₁/l₂. Сообщаем, что нагрузку подключают под одно из напряженийU₁ или U₂, т.е. между В и А или между В и С. Отключив оба вольтметра, подсоединяем нагрузку — лампочку первыми вторым способами, замечая, что максимальная яркость горения лампочки достигается при противоположных положениях ползунка. В завершение этого этапа полезно произвести подключение двух одинаковых лампочек к обеим плечам делителя и продемонстрировать противоположность режимов их горения. Полезно заметить здесь,что русское слово делитель напряжения полнее раскрывает смысл устройства, чем латинское потенциометр.

Рис. 3

6-й этап. «Эффективность регулировки силы тока потенциометром». Сообщаем обучаемым, что, регулируя напряжение, подаваемое на нагрузку, мы регулируем таким образом и силу тока в ней, как и в случае обычного реостата. Оставив в цепи одну лампочку, мы добавляем в нее амперметр для измерения тока в нагрузке и, передвигая ползунок, показываем (рис. 3), что при крайней левой позиции его ток в нагрузке равен 0, так как оба вывода нагрузки подключены фактически к одному и тому же (минусовому по схеме) полюсу источника. Внимание: при проведении этой демонстрации провод АВ должен быть достаточно толстым и все контакты крепко зажаты! Передвинув ползунок в позицию С, наблюдаем максимальный ток в нагрузке, так как сейчас она попадает под полное напряжение источника. Записываем диапазон изменения тока в нагрузке 0 ≤ I_нагр ≤ I_max, откуда видно, что схема позволяет свести плавно ток нагрузки к нулю в отличие от реостатной схемы. В заключение этого этапа следует показать учащимся различные радиотехнические потенциометры, используемые для регулировки громкости звука и т.п.

7-й этап. «Роль соотношения сопротивления нагрузки и сопротивления потенциометра» — развивающий этап. Вернувшись к схеме рис. 2 с двумя вольтметрами, выставляем режим равных плеч (проверяем линейкой!), при котором показания вольтметров равны, например по 3,5 В. Формулируем проблемную ситуацию «Будет ли лампа с надписью «3,5 В, 0,26 А» работать в номинальном режиме?». Включаем к одному из плеч делителя лампу и наблюдаем резкие изменения в показаниях приборов: напряжение на нагруженном плече резко падает (примерно на 1,5 В), а на ненагруженном — на столько же возрастает. Объясняем,что подключение нагрузки привело к изменению соотношения плеч делителя, так как нагрузка шунтирует «свое» плечо делителя, уменьшая его сопротивление. Разбор данной ситуации полезно завершить решением конкретной задачи, составленной по данным рассматриваемой схемы. На дом рекомендуется задать задачу №804 из сборника А.П. Рымкевича, где в качестве нагрузки выступает вольтметр с небольшим сопротивлением.

8-й этап (завершающий для сильных учащихся). «Схема, позволяющая изменять направление тока в нагрузке». К реостату, используемому в предыдущих опытах, припаивают провод ровно в середине обмотки (нихромовая проволока после зачистки наждачной бумагой допускает пайку обычным 40-ваттным паяльником с применением канифоли и обычного припоя). Во всех предыдущих демонстрациях этот провод присутствует, но смотан в колечко и повернут «от класса». Повернув реостат проводом к классу и размотав провод, собираем схему по рис. 4 и формулируем новую проблемную ситуацию: «Что покажет вольтметр, включенный между данным отводом и ползунком при различных положениях ползунка?».

Рис. 4

Установив для начала ползунок на «паянном» витке (точка В), демонстрируем отсутствие напряжения на вольтметре, что почти не требует объяснений. Перемещая ползунок в разные стороны от В, наблюдаем отклонение стрелки вольтметра в противоположные стороны, так как при движении вправо от В к С ползунок касается точек с более высоким потенциалом, а при движении к А — точек с более низким потенциалом. Воспользовавшись возможностями демонстрационного вольтметра, можно при учениках заменить его шкалу на 5 В с нулем слева на гальванометрическую шкалу с нулем посередине и выставить на центр стрелку прибора. Подключив для наглядности параллельно вольтметру лампочку накаливания, провести завершающую демонстрацию, которая показывает, что в данной схеме можно не только изменять значение тока в нагрузке, но и изменять направление тока в ней, не переключая полюсов питающего источника. В конце данного этапа желательно показать ученикам схемы из вузовских лабораторных пособий, где эта идея часто используется.

Завершая данный разбор, еще раз напоминаем, что конкретный объем материала по названной теме и конкретные формы выбираются учителем исходя из конкретных программ и подбора учащихся.