Високіх Анатолій

Науковий керівник: доктор пед.наук, професор Вовкотруб В.П.

Кіровоградський державний педагогічний університет

імені Володимира Винниченка

 

Анотація: Розглядаються аспекти і варіанти широкого впровадження цифрових засобів і методів вимірювань в процес постановки і виконання експериментальних завдань з фізики. Наведені відповідні варіанти модернізації експериментальних завдань до вивчення змінного струму в курсі фізики старшої школи.

Ключові слова: фізичний експеримент, набірне поле, прямі вимірювання, змінний струм, мультиметр, саморобні мікроелектронні прилади.

 

Актуальність. Серед пріоритетних напрямків розвитку освіти визначено й запровадження освітніх інновацій та інформаційних технологій; забезпечення та зміцнення матеріально-технічної бази освіти. Це суттєво стосується процесу навчання фізики, як експериментальної науки. Комплексний підхід до розв’язання таких задач враховує відповідність змісту і методів навчання дидактичним принципам, впровадження новітнього обладнання для матеріального забезпечення експериментального відображення навчального змісту. Зокрема визначена важливість і доцільність широкого впровадження сучасних цифрових вимірювань до навчального фізичного експерименту, чим успішно реалізується ефективність і якість розв’язання ряду проблем: забезпечення читабельності експериментальних установок; відповідності змісту і методів виконання експериментальних завдань основній меті; позбавлення змісту експерименту тривалих і громіздких другорядних завдань щодо визначення окремих фізичних величин через прямі їх вимірювання; посилення практичної спрямованості експерименту і ряд інших [1].

Нині з’явились окремі зразки цифрових приладів промислового виготовлення для побутового використання на зразок мультиметрів DT890B⁺, МАС-344, UT 70A тощо. Їхні характеристики значно ширші в порівнянні з шкільним мультиметром, бо дозволяють вимірювати напругу і силу струму в колах змінного струму, а також електроємність, індуктивність, частоту електрогмагнітних коливань. Відповідно назріла необхідність впровадження таких засобів до навчального фізичного експерименту.

Впровадження в навчальний процес з фізики нових технічних досягнень потребує внесення відповідної інформації і до змісту теоретичної частини навчального курсу, що має місце для переважної більшості технічних пристосувань і частини питань прикладного характеру.

Мета статті: В статті розглядаються чинники адекватного підходу і впровадження цифрових приладів до навчального фізичного експерименту, варіанти здійснення таких підходів до експериментальних завдань до вивчення змінного електричного струму.

Виклад основного матеріалу. Нами запропоновано і практикується ознайомлення з цифровими вимірювальними приладами учнів сьомого класу вже при виконанні перших лабораторних робіт. З перших уроків варто демонструвати разом з аналоговими вимірювальними приладами і цифрові: лабораторні і демонстраційні секундоміри і мультиметри з давачами для вимірювання температури. Принцип будови і дії давачів детально розглядають при вивченні питань про джерела і дії струму в основній школі і розширюють уявлення вже в старшій школі. Електричні термометри варто включити до обладнання для виконання завдань визначення температурних залежностей опорів провідників, напівпровідників і інших. Разом, за відсутності, доцільно виготовити кілька давачів.

Формування цілісних уявлень про фізичні основи будови і дії цифрових вимірювальних приладів і пристосувань потребує комплексного підходу. В теоретичному плані нами визначено за доцільне включити до змісту курсу ряд питань і відомостей. Зокрема, розширення відомостей здійснюється при вивченні змінного струму. Учнів ознайомлюють з цифровим приладами, в основі будови і дії яких використані вже відомі принципи вимірювань та модулі логічних елементів, вивчення яких передбачене програмами.

Формування цілісних уявлень не можлива без ознайомлення учнів із найзагальнішими основами будови і дії електронно-обчислювальної техніки в процесі вивчення теми «Електричний струм в різних середовищах» і виконанні роботи фізичного практикуму, на зразок запропонованої раніше [3, с. 117-122], але організованим виконанням на сучаснішій елементній базі [5]. Разом важливо в процесі вивчення теоретичного матеріалу ознайомити учнів з призначенням і робою таких вузлів цифрової техніки.

В практичному плані використання цифрових вимірювальних приладів доцільне на кожному етапі вивчення фізики. Особливо важливо відмітити це з позицій реалізації дидактичного принципу науковості навчання через досягнення належної точності вимірювань. Зокрема це чітко проявляється в процесі експериментального відтворення змісту при вивченні електромагнітних коливань. Так виконання більшості визначених програмами дослідів і завдань за традиційних методів розкриває визначений метою зміст переважно на якісному рівні.

Вагомого значення набуває використання цифрової техніки до виконання експериментальних завдань. Окрім визначених раніше проблем і варіантів їх розв’язання варті уваги ті, що пов’язані з експериментальним відображенням змісту питань про змінний електричний струм. В цілому такі завдання пропонувались лише для поглибленого курсу вивчення фізики в якості лабораторної роботи до перевірки закону Ома для кіл змінного струму за інструктивними матеріалами, наведеними в посібнику для факультативних занять. Практично такий варіант організації і постановки роботи не був забезпечений лабораторним джерелом змінного струму і відповідними електровимірювальними приладами. Нині шкільні фізичні кабінети поповнюються новими засобами до яких входить і набірне поле «Школяр» [4]. Його використання знімає ряд вагомих проблем, зокрема, забезпечується належна читабельність лабораторних установок, безпека через відсутність умов контактів експериментатора з оголеними ділянками електричних ланцюгів, зручність і комфортність збирання установок через позбавлення турбот щодо добору провідників з необхідними клемами тощо. Учні легко і швидко опановують вміннями користування таким комплектом разом з електровимірювальними приладами і джерелами живлення.

Плануючи зміст і мету експериментальних завдань, вчитель передбачає які з одержаних результатів будуть використані і внесені до інструктивних матеріалів і змісту наступних експериментальних завдань. Так, наприклад, вимірювання з належною точність електроємності конденсаторів з комплекту набірного поля вказують в інструкції до роботи практикуму і за потреби наносять на модуль такого конденсатора. Такими кроками розвантажується обсяг завдань наступного експерименту.

Особливості введення і вивчення індуктивності характерні специфічною особливістю – залежністю значень індуктивності від параметрів котушок і середовища, з чим пов’язана вже відмічена відмінність номіналів від вказаних і зміна їх з часом та умовами використання. То ж в процесі виконання демонстраційних дослідів використання цифрових приладів потребує вимірювання індуктивності однакових котушок кожного разу, бо інколи навіть зміна положення на демонстраційному столі дросельної котушки з осердям від універсального трансформатора викликає зміну індуктивності. Пряме вимірювання індуктивності значно спрощує демонстрацію залежності індуктивності від параметрів котушки і середовища. Корисними для ряду завдань лабораторних робіт будуть наслідки і результати вимірювань індуктивності котушок з комплекту набірне поле, визначення індуктивного опору котушки. Якість вимірювань визначається і точністю значень частоти змінного струму, для чого за відсутності генератора з відповідним цифровим приладом варто скористатись мультиметром типу XB 868.

Підготовка і виконання роботи практикуму з перевірки закону Ома для кола змінного струму потребує належної ретельності. До змісту роботи необхідно додати завдання прямих вимірювань: активного опору резисторів і котушок індуктивності, електроємностей конденсаторів, індуктивностей котушок, частоти змінного струму джерела. Для вимірювань використовувати цифрові вимірювальні прилади і результати записувати з точністю до сотих одиниць: вольт, міліампер, мікрофарад, мілігенрі, герц. До схеми, запропонованої в інструкції, варто внести ще один резистор, ввімкнений послідовно зі змінним резистором, яким регулюють силу струму і прикладену напругу до розглядуваної ділянки кола. За випадкового короткого замикання такої ділянки унеможливлюється коротке замикання джерела струму навіть за повного виведення опору змінного резистора. За відсутності необхідної кількості мультиметрів результати вимірювань виконаних напередодні в процесі розв’язування експериментальних задач пропедевтичного характеру вказують в інструктивних матеріалах, а за для розбіжностей з добором обладнання, доцільніше виконати відповідні маркування на елементах обладнання. За виконаними відповідними завданнями з обладнанням п’ятнадцяти набірних полів відносні похибки результатів для повних опорів ділянок кола з активним і реактивними опорами, визначеними за виміряними значеннями сил струму і напруги ділянок кола і разом розрахованими за номіналами елементів кола і виміряною частотою змінного струму, лежать в межах 8,5%-17%. При цьому спостерігається зростання похибок зі зменшенням номіналів індуктивності.

Відмічені пропозиції спрямовані на висвітлення основних тенденцій і чинників впровадження цифрових вимірювальних приладів в систему шкільного фізичного експерименту і не вичерпують інші підходи і варіанти нових доробок, зокрема в процесі інтеграції до експериментального відображення змісту інших природничих дисциплін.

Відповідно до пропозицій щодо класифікації експериментальних завдань і забезпечення варіативності завдань в процесі виконання фізичного практикуму та посилення практичної спрямованості його змісту нами внесені пропозиції щодо віднесення окремих завдань чи повністю окремих робіт практикуму до рангу фронтальних лабораторних робіт. Прикладом слугує трансформована з програм фізичного практикуму робота “Вимірювання індуктивності котушок за їх опором змінному струму”.

Виконання роботи є пропедевтичною підготовкою до наступної зміненої роботи практикуму з даної теми, а отже разом реалізує мотиваційний підхід, посилює практичну спрямованість.

До змісту виконання роботи доцільно включити і операції зі складання електромагніту (закріпленню котушок на залізній пластинці і закріплення ярма на осердях гумовим кільцем), відповідно доцільно на демонстраційному столі мати зібраний такий модуль, або виконати на дошці (таблиці) відповідний рисунок. Оскільки учні вперше будуть користуватись джерелом змінного струму – відповідні вказівки, поради і зауваження необхідно включити до вступного інструктажу.

За наявності мультиметрів останніми доцільно замінити лабораторний амперметр. Разом з тим до інструкції додати завдання вимірювання активного опору котушок, або таке вимірювання виконує вчитель і значення активних опорів вказує на ярлику кожної котушки.

Обладнання: 1 - котушки для складання електромагнітного реле, закріплені на залізній пластинці із замкнутим осердям; 2 - лабораторне джерело змінного струму (ЛИП-90, модернізований) [1, с. 133-134]; 3 - амперметр лабораторний з випрямлячем; 4 - вольтметр лабораторний з випрямлячем; 5 - реостат лабораторний (або потенціометр дротяний); 6 - мультиметр; 7 - вимикач; 8 - комплект з’єднувальних провідників.

Хід роботи

1. Закріпіть котушки на залізній пластинці з відігнутими краями відповідними болтами (осердями) з гайками, прикладіть до вільних кінців осердь залізну пластинку (ярмо) і закріпіть за допомогою гумового кільця.
2. Складіть електричне коло, сполучивши послідовно джерело змінного струму, котушки, амперметр з випрямлячем (або мультиметр, ввімкнений в режим вимірювання сили змінного струму), реостат і вимикач.
3. Приєднайте паралельно до котушок вольтметр з випрямлячем (або мультиметр, ввімкнений в режим вимірювання напруги змінного струму).
4. Ввімкніть живлення установки, занесіть до таблиці значення напруги і сили струму.

U, B
I, A
R, Ом
L, Гн

1. Змініть силу струму за допомогою реостату, запишіть відповідні значення напруги і сили струму.
2. Повторіть операції згідно пункту 5 ще для трьох різних значень електричних величин.
3. Розрахуйте для кожного варіанту вимірювань значення індуктивності котушок. Визначте середнє значення індуктивності.

Додаткове завдання

Виміряйте індуктивність однієї котушки. Припускаючи, що кількість витків котушок однакова, порівняйте значення індуктивності для двох і однієї котушок, зробіть висновки щодо залежності індуктивності від кількості витків котушки.

До програми фізичного практикуму доцільно включити завдання, яке має практичну спрямованість і різностороннє ознайомлення з такими пристроями, чим забезпечується варіативність завдань.

В теоретичних відомостях подають необхідну інформацію.

Датчик – це пристрій, призначений для перетворення контролюючої величини в величину іншого виду, зручну для подальшого використання. В більшості випадків датчики перетворюють неелектричну величину в електричну. Індуктивні датчики призначені для перетворення лінійного механічного переміщення в змінний електричний струм.

По характеру електричних величин, одержаних на виході, електричні датчики діляться на параметричні або пасивні, генераторні або активні.

До параметричних датчиків відносяться такі елементи, у яких зміна контролюючої величини викликає відповідну зміну параметру електричного кола (активного опору, індуктивності чи ємності).

До генераторних відносяться такі датчики, які являються джерелом електричної енергії, причому енергія, що з’являється на виході, пропорційна величині яка контролюється.

Індуктивні датчики відносяться до класу параметричних. Переміщення, яке вимірюється, на вході датчика викликає зміну магнітного поля і певних параметрів електричного кола в результаті чого змінюється вихідна величина – електричний струм.

За допомогою індуктивних датчиків можна контролювати механічне переміщення, механічні сили, температуру, властивості магнітних матеріалів; за їх допомогою визначають наявність дефектів у кристалах, чи наявність домішок в матеріалах; контролюють діаметр дроту.

Індуктивні датчики мають такі переваги:

–   простота і міцність конструкції, надійність в роботі, відсутність ковзаючих контактів;

–   можливість приєднання до джерела живлення промислової частоти;

–   відносно велика величина потужності на виході перетворювача (до кількох десятків ватт), що дає можливість приєднувати контрольний прилад безпосередньо до перетворювача;

–   значна чутливість і великий коефіцієнт підсилення.

До недоліків індуктивних датчиків відносяться:

–   вплив коливання частоти напруги живлення на точність вимірювань;

–   можливість використовувати лише в колах змінного струму.

Є різні конструкції особливості індуктивних датчиків. Для вимірювання значних переміщень застосовується соленоїдний датчик. Конструктивно він являє собою котушку, всередині якої переміщується плунжер(феромагнітне осердя).

Механічне переміщення, яке вимірюється, викликає зміщення плунжера відносно котушки на величину х, в результаті чого змінюється величина магнітного опору магнітного кола датчика і, відповідно, індуктивності, змінюється індуктивний опір, а значить і повний опір Z котушки. При постійній напрузі живлення (U8 В) зміниться сила струму ~І, яка вимірюється міліамперметром. В результаті маємо, що вихідна величина – змінний струм І залежить від вихідної величини – переміщення плунжера х, тобто

І~f(x).

Ця залежність називається вихідною характеристикою датчика. Переміщення плунжера здійснюють обертанням мікрометричного гвинта, переміщення х відраховують за шкалою з ноніусом.

Хід роботи

1. Ввімкнути полігон до мережі.
2. Виконати ввімкнення живлення, перевівши перемикачі К1 і К2 у верхнє положення. Про наявність ввімкнення свідчить світіння відповідних світлодіодів.
3. Підвести мікрометричний гвинт до нульової поділки і, обертаючи за годинниковою стрілкою ручку потенціометра, досягти зрушення стрілки міліамперметра до нуля.
4. Переміщуючи мікрометричний гвинт вправо, через кожний міліметр записуйте покази міліамперметра. Дані занесіть до таблиці.
5. За даними таблиці побудуйте графік залежності струму від переміщення – характеристику датчика.
6. За виконаним графіком визначте чутливість датчика за статичною характеристикою, як тангенс кута між дотичною до кривої та віссю Х, розрахуйте похибки.

Вагомого значення ми приділяємо ознайомленню учнів фізичними основами будови і дії пристроїв і вузлів мікроелектронних засобів разом із експериментальним відображенням. Високо оцінюючи пропозиції О.М,Желюка [2] і Н.В.Федішової [5] нами розширено обсяг таких завдань. Досить характерною в плані охопленням широкого змісту є робота фізичного практикуму «Вивчення резонансу в електричному коливальному контурі».

Для проведення роботи використовують наступне обладнання: 1. джерело змінного струму (генератор прямокутних імпульсів); 2. амперметр 43122-У; 3. вольтметр 43124-У; 4. набірне поле «Школяр» (комутаційна панель, модулі: індуктивності з позначками на 220 мГн і 80 мГн, конденсатори на 23 мкФ і 14 мкФ, вимикач, з’єднувальні провідники, з’єднувальні елементи).

У даній роботі фізичного практикуму генератор прямокутних імпульсів використовується як джерело змінного електричного струму. Прямі вимірювання ємності конденсатора та індуктивності котушки, а також зміна і вимірювання частоти підведеного струму дозволяє окрім спостереження явищ резонансу струму і напруги перевірити кількісно співвідношення між резонансною частотою, ємністю конденсатора та індуктивністю котушки

У профільних класах можливе виконання експериментальних завдань щодо дослідження резонансу напруги з метою розрахунку та експериментальної перевірки співвідношення між напругою прикладеною до кола , і напругою на котушці індуктивності і конденсаторі в колі :

Порядок виконання роботи

1. Зберіть експериментальну установку, використавши в якості джерела змінного струму генератор прямокутних імпульсів.

2. Ввімкніть живлення генератора і замкніть вимикач на набірному полі..

3. Підберіть значення ємності та індуктивності такими, щоб сила струму в колі була максимальною.

4. Виміряйте загальну напругу, напругу на індуктивності та на ємності.

5. Виміряйте частоту коливань в контурі.

6. Розімкніть коло живлення і виміряйте мультиметрами значення індуктивності котушки і ємності конденсатора.

7. Перевірте кількісно співвідношення між резонансною частотою, ємністю конденсатора та індуктивністю котушки, оцініть справедливість формули

і зробіть висновки.

8. Складіть установку для отримання резонансу струму.

9. Ввімкніть живлення установки. Підберіть такі значення ємності та індуктивності, щоб сила струму в колі була мінімальною, виміряйте частоту коливань в контурі .

10. Виміряйте загальний струм, струм індуктивності та струм ємності, порівняйте струми, зробіть висновки.

Додаткове завдання:

1. Проведіть дослідження на резонанс струму та напруги в залежності від частоти.

2. Перевірте співвідношення між напругою прикладеною до кола , і напругою на котушці індуктивності і конденсаторі в колі :

Висновки. Відмічені пропозиції спрямовані на висвітлення основних тенденцій і чинників впровадження цифрових вимірювальних приладів в систему шкільного фізичного експерименту і не вичерпують інші підходи і варіанти нових доробок, зокрема в процесі інтеграції до експериментального відображення змісту інших природничих дисциплін.

Список літератури

1. Вовкотруб В.П. Ергономіка навчального експерименту. – Кіровоград: РВВ КДПУ ім.В. Винниченка, 2005. – 308 с.

2. Желюк О. М. Впровадження основ цифрової електроніки в навчальний фізичний експеримент / Желюк О. М. // Фізика та астрономія в школі. – 1997. - № 2. – С. 47–56.

3. Практикум з фізики в середній школі: Дидакт. матеріал: Посібник для вчителя:/Л.І.Анциферов, В.А.Буров, Ю.І.Дік і ін.: За ред. В.А.Бурова, Ю.І.Діка.- 3-є вид., перероб.- К.: Рад. Шк., 1990.- 176 с.

4. Прокопенко М.М. Опис лабораторних занять з набірним полем «Школяр». –Житомир, 2005. – 76 с.

5. Федішова Н.В. Комплект для вивчення фізичних основ роботи електронно-обчислювальної техніки // Фізика та астрономія в школі. – 1999. - №2. – С. 23-27.