Основные типы школьных физических приборов и их особенности

Материальной основой школьного физического эксперимента являются учебные приборы по физике. По целям и условиям про­ведения все опыты, проводимые в физическом кабинете, делят на демонстрационные, фронтальные (проводятся при выполнении лабораторных работ) и опыты физического практикума (выпол­няются учениками при проведении этого вида занятий). В соот­ветствии с этим все приборы также подразделяют на три типа: демонстрационные приборы, лабораторные приборы, приборы физи­ческого практикума.

Особенности конструкций приборов каждого типа в полной мере отражают специфику этих видов эксперимента. Так, демон­страционные приборы отличаются большими размерами, что не-

обходимо для обеспечения видимости наблюдаемого явления с расстояния 8-9 м.

Для обеспечения максимальной выразительности опыта уста­новка собирается из минимально необходимого числа приборов.

Отсюда требование к высокой универсальности и унификации демонстрационного оборудования.

Чтобы учитель мог собирать установки непосредственно в хо- урока, приборы и их отдельные части должны просто и надежно крепиться и соединяться друг с другом, иметь согласованные характеристики.

Надежность демонстрационной установки достигается безот­казной работой приборов, из которых она собрана, и грамотным обращением с ними. Поэтому демонстрационный прибор должен иметь достаточно большой срок службы, иметь защиту от кратко­временных перегрузок, допускать быстрое устранение мелких не­поладок.

Учитывая, что демонстрации некоторых явлений требуют спе­циальных условий, например использования высокого напряже­ния в опытах по электростатике или сильного нагрева в опытах по молекулярной физике, и принимая во внимание, что в неопытных руках эти факторы могут стать причиной серьезных травм, все демонстрационные приборы должны использоваться только учи­телем. На некоторых из них, наиболее опасных, имеется соответ­ствующая предупредительная надпись.

Поскольку демонстрационные установки собирают из отдель­ных приборов, а учащиеся не могут одновременно наблюдать больше одного опыта, то и число демонстрационных приборов каждого вида, приобретаемых для кабинета, составляет не более 1-2 экземпляров.

Фронтальный лабораторный эксперимент начинают приме­нять еще тогда, когда у учеников нет достаточного опыта работы с оборудованием, их практические умения, необходимые для сборки экспериментальных установок, только начинают форми­роваться. Поэтому лабораторные приборы должны иметь воз­можно более простую конструкцию, повышенную степень защиты от возможных травм (поражения током, реактивами, ожогов, по­резов) и невысокую стоимость.

В зависимости от уровня подготовки учеников темп выполне­ния лабораторной работы, как правило, оказывается разным. В одно и то же время одни ученики записывают результаты опы­тов, другие проводят измерения, некоторые собирают или разби­рают установку. Для создания всем учащимся нормальной рабо­чей обстановки следует использовать лабораторные приборы, не требующие специальных условий для их работы (например, за­темнения класса).

Поскольку лабораторная установка собирается на учениче­ском столе, где кроме нее во время работы находятся еще и тетра-

ди, а иногда и учебники, общий размер установки не может пре­вышать половину площади поверхности стола. Из этого следует, что лабораторные приборы должны быть как можно более ком­пактными.

Для быстрой раздачи приборов в начале работы и организа­ции их рационального хранения размеры корпусов должны согла­совываться с размерами укладочных ящиков и внутренних полос­тей шкафов.

Чтобы обеспечить проведение лабораторной работы фрон­тально, т.е. одновременно всем классом, необходимо иметь лабо­раторные приборы каждого вида в количестве, соответствующем числу столов в классе.

Физические практикумы проводятся после того, как учащими­ся накоплены достаточные знания и они могут разбираться в фи­зических явлениях, применять более сложные приборы, обосно­вывать целесообразность их использования для данного опыта, ориентируются в методах измерений физических величин и расче­тах погрешностей.

Для проведения практикума класс делят на группы по 2-3 че­ловека.

Так как число работ, выносимых на практикум, в каждом клас­се составляет обычно 5-7, что значительно меньше числа групп учеников в каждом классе, то путем дублирования работ доводят их количество до числа групп. Таким образом, за один урок прак­тикума в классе выполняются по две-три одинаковые работы. Это означает, что для практикума требуется не более трех приборов каждого вида.

Поскольку лабораторный эксперимент в физическом практи­куме значительно сложнее, то и приборы для его проведения должны быть более совершенными, а следовательно, более слож­ными и дорогими. Иногда здесь используют не специальные учебные приборы, а те, которые применяются в научных лабора­ториях или на производстве (психрометры, микрометры, гигро­метры и др.).

Более полно описать и конкретизировать особенности учебных физических приборов можно, если выделить в каждом типе прибо­ров отдельные группы, исходя, например, из той функции, которую выполняет прибор в установке. В классификации учебного обору­дования, предложенной известным методистом А.А.Покровским, среди приборов каждого типа выделены такие группы: измери­тельные приборы, приборы для изучения или объяснения явлений и устройств и вспомогательные приборы. К группе вспомогатель­ных приборов по этой классификации относятся и источники электропитания. В дальнейшем мы будем придерживаться этой классификации.

Рассматривая последовательно указанные группы, можно от­метить основные отличительные черты приборов, предназначен

ных для разных видов физического эксперимента, но выполняю­щих в экспериментальных установках аналогичную роль.

Измерительные приборы демонстрационного типа в целях сокра­щения их общего числа выполняют, как правило, многопредельны­ми. Чтобы облегчить считывание показаний, эти приборы делают одношкальными или со сменными шкалами, которые заменяют при переключении пределов измерения. Размеры меток, интервалов между ними, цифр и букв на шкалах должны обеспечивать возмож­ность определения цены деления и показаний прибора с последней парты. Взаимное расположение шкалы и стрелки должно сводить к минимуму ошибки отсчета показаний из-за параллакса.

В тех случаях, когда невозможно нанести штрихи различной длины, как, например, на шкалу цилиндрической формы у труб­чатого демонстрационного динамометра, прибегают к чередую­щейся раскраске делений.

Лабораторные измерители в целях удешевления могут не иметь обозначения класса точности, но их фактическая приведенная по­грешность должна соответствовать классу 2, 5. Измерительные приборы этого типа выполняются одношкальными и однопре-дельными. Для уменьшения вероятности ошибки в определении показаний шкалы делаются равномерными. Рабочее положение этих измерителей, как правило, горизонтальное.

Измерительные приборы, предназначенные для работ физиче­ского практикума, имеют класс точности 1, 5 или 2, 5. Это много­шкальные, многопредельные приборы, в которых можно встре­тить как равномерные, так и неравномерные шкалы. Среди таких приборов много универсальных, т.е. таких, которые могут изме­рять несколько различных физических величин (ампервольтом-метр, счетчик-секундомер и др.).

К типичным представителям группы измерителей демонстра­ционного типа можно отнести амперметр и вольтметр с гальва­нометрами, лабораторного типа - амперметр АЛ-2, 5 и вольтметр ВЛ-2, 5, для практикума - авометр АВО-63.

Приборы для наблюдения и изучения физических явлений и уст­ройств в демонстрационном исполнении могут предназначаться для показа одного опыта (например, трубка Ньютона) или не­скольких демонстраций по какой-то теме или разделу курса физи­ки. В последнем случае прибор представляет собой набор или комплект из различных узлов и деталей.

Такие приборы обеспечивают видимость объектов изучения и происходящих с ними в ходе опыта изменений с последней пар­ты. При невозможности непосредственного наблюдения за из­менением состояния объекта изучения прибор должен иметь устройства, обеспечивающие такое наблюдение (например, у прибора для наблюдения за тепловым расширением имеется специальное кольцо, позволяющее зафиксировать изменение объема шара при нагревании).

В целях улучшения видимости результатов опыта при работе с этими приборами допускается создание в классе специальных ус­ловий, в частности затемнения.

Если объект изучения требует перед опытом специальной под­готовки, то в комплекте прибора должно быть соответствующее приспособление (например, к свинцовым цилиндрам прилагается струг для зачистки их торцов).

Приборы одноименной группы, предназначенные для фрон­тального эксперимента, используются, как правило, для выполне­ния какой-нибудь одной лабораторной работы. Эти приборы имеют простую конструкцию, принцип их действия должен быть понятен учащимся. Физические явления, воспроизводимые с их помощью, должны протекать при минимуме побочных эффектов.

Приборы этой группы, используемые в физическом практику­ме, по конструкции более универсальны и могут иметь многоце­левое назначение. Для их хранения требуется больше места, а при подготовке к работе - больше времени на монтаж и настройку.

Примерами приборов этой группы могут служить универсаль­ный трансформатор, трибометр лабораторный, комплект по ме­ханике для практикума.

Вспомогательные приборы для демонстрационных установок не должны привлекать внимание школьников, для чего их корпуса окрашиваются в нейтральные тона. Они обладают повышенной устойчивостью; чтобы ее усилить, некоторые приборы снабжают дополнительными приспособлениями для крепления к демонст­рационному столу. При работе эти приборы не должны создавать шума, вибраций, другие побочные эффекты. Напряжение питания тех из них, которые имеют электрическую схему, составляет 220 В, что исключает возможность работы с ними учеников.

Большинство демонстрационных источников электропитания имеют индикаторы выходного напряжения и позволяют плавно регулировать его в заданных пределах. У каждого источника есть несколько выходных гнезд, что позволяет получать от него раз­личные виды напряжений.

Лабораторные источники питания являются нерегулируемыми и обеспечивают получение от них только одного значения напря­жения. Они должны выдерживать длительное превышение крити­ческих режимов работы.

Источники питания для работ физического практикума ком­бинированные, обеспечивают работы практикума как перемен­ным, так и постоянным напряжением. Выходное напряжение этих источников можно регулировать плавно или ступенчато. Как и лабораторные источники, они питаются от сети напряже­нием 42 В.

К этой группе приборов относятся источник питания демонст­рационный ИПД-1, лабораторный источник питания ВУ-4, ис­точник электропитания для практикума ИЭПП-2.

Приведенная классификация учебных приборов на типы по виду учебного эксперимента, в котором они используются, а внутри каждого типа еще и на группы по функции в эксперимен­тальной установке, которую прибор выполняет, как и всякая классификация, в некоторой степени условна. Так, среди прибо­ров демонстрационного типа один и тот же прибор может ис­пользоваться в одном случае как измеритель, а в другом служить; объектом изучения, если на уроке изучается его устройство или принцип действия.

Деление приборов на типы отражает более глубокие различия между ними, и замена в опыте недостающего прибора на прибор аналогичного назначения, но другого типа не рекомендуется. Особенно это касается замены лабораторных приборов на демон­страционные или наоборот. Например, невозможно в демонстра­ционном опыте измерять силу тока лабораторным амперметром, поскольку ученики не увидят его показаний. Также нельзя в рабо­те физического практикума использовать демонстрационный ис­точник питания, поскольку последний требует для работы сетево­го напряжения 220 В, и по правилам безопасного труда работать с ним может только учитель.