§ 26. Конструирование самодельных приборов для демонстрационного эксперимента

Известный советский методист Е. Н. Горячкин утверждал: "Не будет преувеличением, если признать, что конструирование преподавателем самодельных приборов является не только необходимым, но и неизбежным спутником деятельности учителя как проявление его собственной инициативы и роста квалификации и как неотъемлемая часть его профессиональной работы" [2; 13].

Ежедневное общение с оборудованием школьного физического кабинета позволяет учителю прочувствовать достоинства и недостатки имеющихся приборов, наличие и отсутствие приборов, необходимых для доходчивого изложения сложных для понимания явлений и закономерностей природы. И как естественная реакция на неудовлетворенность существующей техникой демонстрационного эксперимента появляется стремление улучшить имеющиеся приборы и изготовить недостающие. Поэтому в кабинете каждого творчески работающего учителя физики рядом с приборами фабричного изготовления всегда имеются самодельные приборы демонстрационного эксперимента.

На различных этапах развития школы основные направления в тематике конструирования самодельных приборов были различны.

В период становления учебного эксперимента, в противовес "меловой физике", основное внимание было сосредоточено на создании простых, доступных школе приборов, на разработку демонстрационных установок с использованием предметов быта, с тем чтобы реализовать на практике идеи использования учебного эксперимента для целей преподавания физики.

В этот период наибольшую известность получает конструкторская деятельность К. В. Дубровского, В. Л. Розенберга, Б. Ю. Кольбе, Н. С. Дрентельна и др. Разработанные ими конструкции многих приборов затем были освоены промышленностью.

В послевоенные годы физические кабинеты создавались и пополнялись за счет изготовления учителями приборов по имеющимся описаниям, велся поиск приспособления бытовых отходов к использованию в учебном эксперименте. Решалась проблема снабжения физических кабинетов электроэнергией. Одновременно конструировались оригинальные приборы, позволяющие расширить область применения демонстрационного эксперимента. В этот период получают известность такие имена, как Н. Н. Шишкин, Г. К. Карпинский, Б. С. Зворыкин, А. А. Покровский и др.

По мере роста производственных мощностей промышленности, производящей учебное оборудование, сокращается надобность в самодельном изготовлении известных приборов. Конструкторская мысль преподавателей переключается на разработку оригинальных устройств. Новые конструкции отражают достижения науки и техники и создают условия для изучения таких вопросов курса физики, которые ранее были недоступны для изложения ввиду отсутствия необходимой для этого техники демонстрационного эксперимента. Ярким примером этого является разработка В. А. Буровым набора полупроводниковых приборов, обеспечившего условия для введения в школьный курс изучения электрических свойств полупроводников.

Комплект приборов для изучения свойств электромагнитных волн конструкции Н. М. Шахмаева позволил обеспечить демонстрационным экспериментом другой раздел школьного курса физики. На новой элементной базе создаются более совершенные электронные секундомеры, электронные стробоскопы, источники электропитания и т. д.

В настоящее время промышленность выпускает для школьных физических кабинетов более 200 приборов, предназначенных для постановки обязательного минимума демонстрационных опытов. Отличительной особенностью советского школьного приборостроения является четкое подразделение оборудования на две группы: приборы демонстрационного эксперимента и приборы для лабораторных работ.

Вторая особенность заключается в том, что все выпускаемое оборудование образует систему устройств, взаимосвязанных между собой техническими параметрами, согласованную с содержанием образования. Такая система расковывает методическую мысль учителя, позволяет собирать из имеющихся приборов новые демонстрационные установки и тем самым ставить такие опыты, которые не запрограммированы, а потому, казалось бы, не обеспечены необходимым оборудованием.

В настоящее время процесс самодеятельного творчества учителей в области приборостроения наиболее плодотворно продолжается по следующим основным направлениям:

1. Повышение методических качеств используемых приборов, обеспечение эффективного и надежного демонстрационного эксперимента. Самодельные приборы и устройства чаще всего не отличаются конструктивной сложностью. Обычно это простые приспособления, обеспечивающие методическую сторону демонстрационного эксперимента, улучшающие эксплуатационные характеристики существующих фабричных приборов. Например, промышленность выпускает электронный сторобоскоп. Удобный в работе и надежный, этот прибор тем не менее имеет одну особенность, не позволяющую использовать его для теневого проецирования (например, для демонстраций с волновой ванной). Дело в том, что рефлектор, которым снабжена импульсная лампа, не только увеличивает световой поток, но и делает его широким. А известно, что четкое теневое изображение можно получить, применяя источник света, приближающийся к точечному.

Но если закрыть рефлектор черной бумагой (рис. 288), то четкость теневого изображения волн на поверхности воды значительно возрастет. Поэтому, возможно, следует сконструировать для электронного стробоскопа два быстро сменяемых рефлектора: зеркальный и черный.

Рис. 288

Еще пример: промышленность выпускает для школ фотоэлемент кремниевый (ФЭК). Имея хорошие технические характеристики, этот прибор крайне неудобен для работы и даже для хранения. Он представляет собой небольшой пластмассовый корпус, закрытый очень тонкой кремниевой пластинкой. Сквозь отверстие в корпусе выведены соединительные провода, которые в скором времени обламываются в месте выхода из корпуса. Кремниевую пластинку можно повредить даже неосторожным касанием соединительного провода. Укреплять фотоэлемент в демонстрационной установке можно, лишь зажимая его корпус в лапке штатива. И здесь опять возникает опасность повреждения чувствительного элемента. Поэтому учитель вынужден модернизировать этот прибор. Прежде всего кремниевая пластинка защищается пластинкой тонкого органического стекла, которая приклеивается к корпусу так, чтобы по-прежнему можно было легко снимать и устанавливать тубус. А сам корпус прикрепляется к вертикальной панели со стержнем (рис. 289). Соединительные провода укорачиваются и подключаются к винтовым зажимам или гнездам на панели. В таком виде прибор удобно включать в цепь гальванометра, размещать в нужном месте демонстрационной установки, а кроме того, прибор надежно защищен от случайных повреждений.

Рис. 289

Уже несколько десятилетий промышленность выпускает для школ подъемный столик - приспособление, совершенно необходимое для обеспечения видимости демонстрируемых приборов.

Конструкция подъемного столика предельно проста и состоит всего из 4 деталей: основания, стержня, опорной площадки и винта. Опорная площадка в виде круглого пластмассового диска навинчивается на стержень. Но размеры и формы опорной площадки не всегда могут удовлетворить учителя.

Так, на круглой площадке диаметром 190 мм не помещается полностью демонстрационный гальванометр. Основание гальванометра, изготовленное из той же пластмассы, что и столик, скользит по поверхности столика. Велик риск уронить гальванометр с такого подъемного устройства!

Но стоит лишь изготовить из многослойной фанеры опорную площадку прямоугольной формы (рис. 290), как положение существенно меняется. Теперь демонстрационный гальванометр своим основанием полностью опирается на поверхность столика (см. рис. 5). Несколько столиков с прямоугольными площадками могут образовать поверхность любых размеров для установки на некоторой высоте прибора больших размеров.

Рис. 290

Изменив высоту установки столиков, можно образовать ступенчатую поверхность, удобную для демонстрации электрических цепей.

2. Второе направление конструирования демонстрационных приборов способствует облегчению труда учителя по подготовке и постановке демонстрационных опытов. В этом случае создаются наборы деталей, позволяющие с минимальной затратой времени собрать максимальное число схем демонстрационных опытов.

Побуждающие мотивы и некоторые особенности конструирования таких наборов деталей рассмотрим на следующем примере.

Эффектная демонстрация раздавливания стекла атмосферным давлением сопряжена с опасностью поражения учащихся и учителя осколками стекла. Даже стеклянный колокол от тарелки к вакуум-насосу, которым обычно закрывают демонстрационную установку, может быть пробит осколком стекла.

В литературе по демонстрационному эксперименту описан безопасный вариант этой демонстрации. Безопасность обеспечивается заменой стеклянной пластины листом бумаги. Предлагается взять стеклянную банку, отрезать дно и получившийся цилиндр пришлифовать торцом к стеклянной подушке тарелки вакуум-насоса. Горло банки закрывается листом бумаги, а края бумаги прижимаются к горлу банки шпагатом. Банка устанавливается пришлифованным торцом на стеклянную подушку тарелки так, чтобы всасывающее отверстие тарелки оказалось внутри банки. Воздух из банки откачивается. Атмосферное давление прорывает бумагу.

В настоящее время эту демонстрацию в таком виде трудно поставить в школе, так как требуется тарелка с чугунной или стеклянной подушкой. Правда, можно было бы попробовать применить и современную пластмассовую тарелку, изготовив резиновое кольцо-уплотнитель под торец банки. Но смущает продолжительность процедуры закрепления бумаги на горле банки.

Анализ системы обучения демонстрационного эксперимента показывает, что подобный прозрачный цилиндр требуется для постановки около десяти демонстраций только по курсу VI-VII классов. Поэтому стоит подумать о такой конструкции цилиндра, которая могла бы быть использована не один раз.

В конечном итоге было принято решение выточить цилиндр из органического стекла. Диаметр цилиндра - 92 мм. Этот размер был продиктован размером резинового уплотнительного кольца, взятого из металлической крышки для консервирования продуктов.

Резиновое уплотняющее кольцо вкладывается в проточку в торце цилиндра. Диск, вырезанный из бумаги (можно использовать бумагу для компрессов или кальку), закрепляется на цилиндре навинчивающимся кольцом (рис. 291). В дно цилиндра ввинчивается штуцер для соединения с воздушным насосом. В собранном виде прибор показан на рисунке 292. Высота цилиндра не указана. При изготовлении руководствуютсй следующими соображениями: чем больше высота цилиндра, тем больше воздуха надо выкачать, пока атмосферное давление прорвет бумагу. Поэтому для одного этого опыта было бы желательно сделать цилиндр малой высоты, равной его диаметру.

Рис. 291

Рис. 292

Демонстрация прорывания бумаги атмосферным давлением проходит успешно и эффектно - атмосферное давление с шумом, подобным взрыву, прорывает бумажный лист.

Повторить опыт несложно. Достаточно вложить новый, заранее вырезанный по размеру бумажный диск и навинтить крепежное кольцо. Для демонстрации опыта 117 требуется затянуть цилиндр резиновой пленкой и прикрепить с противоположной стороны стеклянную трубку.

В качестве стеклянной трубки можно использовать цилиндрическую часть прибора "Шар Паскаля", который по своему прямому назначению используется лишь однажды. Для крепления трубки к цилиндру можно использовать резьбу, которой снабжена трубка прибора "Шар Паскаля". Но для этого надо, чтобы резьбовое отверстие в дне цилиндра соответствовало резьбе трубки. Ввинтив трубку в цилиндр и затянув резиновой пленкой открытый конец цилиндра, можно ставить демонстрацию опыта 117 (рис. 293).

Рис. 293

Но так как цилиндр с резиновым дном требуется и в опытах 102, 103 127 и др., то оказалось целесообразным не привязывать резиновую пленку каждый раз к цилиндру, а приклеить ее к пластмассовому кольцу и при необходимости вкладывать закрепленную таким образом резиновую пленку под навинчивающееся кольцо (как это делается в опыте по про-давливанию бумаги атмосферным давлением).

Этим, однако, не ограничивается возможная область применения изготовленного цилиндра. В опыте 199 также требуется прозрачный цилиндр, но с поршнем. Попытки изготовить такой поршень, который и обеспечивал бы должную герметичность, и с малым трением перемещался бы в цилиндре, не увенчались успехом. Но пришло другое решение: изготовить лишь макет поршня, а воздух, который должен находиться в цилиндре под поршнем, заключить в оболочку резинового шара.

Идея отказаться от непременной герметизации стыка поршня и цилиндра позволила реализовать и демонстрацию опыта 141. Для демонстрации принципа устройства и действия гидравлического пресса требуется второй цилиндр меньшего диаметра. Его тоже можно было бы выточить из органического стекла. Но для того, чтобы не делать специального цилиндра для одной этой демонстрации, можно использовать имеющийся в оборудовании цилиндр прибора для демонстрации гидростатического парадокса. Использование этого цилиндра решает и проблему крепления цилиндра, так как можно временно снять с имеющегося прибора все ненужные для этого опыта детали. Остается лишь изготовить макет поршня. Макет поршня - цилиндра диаметром 29 мм и высотой 150 мм можно склеить из бумаги или вырезать из пенопласта. Важное условие - поршень должен быть легким. В противном случае тяжелый поршень, действуя своим весом на жидкость или газ в узком цилиндре, полностью вытеснит жидкость или газ из цилиндра.

Для удобства крепления оболочек резиновых шаров к соединительным шлангам выточены специальные штуцеры. Узкая часть штуцера предназначена для соединения с резиновым шлангом, широкая часть представляет собой диск диаметром 35 мм, толщиной 6-7 мм. По ободу диска сделана проточка 2*2 мм. В эту проточку вкладывается кольцо входного отверстия резиновой оболочки. Таким образом, отпадает необходимость какого-либо дополнительного крепления оболочки резинового шарика к штуцеру. Комплект самодельных деталей для демонстрации принципа устройства и действия гидравлического пресса показан на рисунке 294. Демонстрационная установка опыта 141 показана на рисунке 295.

Рис. 294

Рис. 295

Приведенный пример позволяет сделать два важных вывода:

а) тематика конструирования самодельных приборов определяется содержанием системы обучающего демонстрационного эксперимента;

б) в процессе конструирования важно максимально использовать имеющееся оборудование школьного физического кабинета.

Б. С. Зворыкин рекомендует: "...прежде чем приступать к конструированию нового прибора, следует сначала продумать возможность собрать установку из уже выпускаемых приборов, деталей, материалов. Если собранная установка удовлетворяет всем требованиям, то необходимость в конструировании специального прибора отпадает" [6; 59-64].

Установка, собранная из элементов оборудования типового школьного кабинета, представляет собой большую ценность, чем законченный самодельный прибор аналогичного назначения. Ценность заключается в возможности использования интересной разработки всеми учителями физики. А конструкцию самодельного прибора, в конечном итоге, повторит лишь ограниченное число учителей.

Придумать сборную установку гораздо труднее, чем конструкцию законченного прибора. Для этого надо отлично знать все оборудование кабинета физики, все технические возможности каждого прибора. Немаловажным является и то обстоятельство, что использование фабричных приборов в сборных демонстрационных установках повышает коэффициент использования каждого прибора.

Для примера рассмотрим демонстрацию невесомости при падении тел. В книге "Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе" (ч. I) в опыте 27 [4; 59-61] приведено описание сборной установки, состоящей из штатива, наборного груза, подвешенного на нити, и полоски бумаги, одним концом зажатой между дисками наборного груза, а другим - закрепленной в лапке штатива. При падении груза полоска бумаги неповрежденной выскальзывает из-под дисков груза. Здесь же приведено описание прибора А. А. Жукова для демонстрации невесомости. В этом приборе, представляющем собой закрытый шар, во время падения загорается лампа (этот прибор сейчас выпускается промышленностью). И наконец, имеется предложение в последнем приборе вместо лампы поместить звуковой генератор на транзисторах и громкоговоритель. Тогда во время падения шара ученики услышат звуковой сигнал.

Сравним эти три варианта демонстрации. Сразу отметим, что во всех трех опытах ученики наблюдают невесомость опосредованно, через сопутствующие явления: в первой демонстрации бумажная лента оказывается неповрежденной, во второй о невесомости сигнализирует световой сигнал, а в третьей - звуковой.

В первом случае схема демонстрации согласована с определением понятия веса. Во втором опыте уже гораздо сложнее объяснить причину включения лампы. А если не объяснять? Тогда демонстрация теряет свою образовательную функцию и превращается в забавный фокус, не связанный с содержанием урока. Демонстрация прибора со звуковой сигнализацией с методической точки зрения равнозначна демонстрации прибора А. А. Жукова, но отличается затратой больших средств на проведение одного опыта.

Как видим, собранная демонстрационная установка имеет существенные методические и экономические преимущества перед готовым прибором.

3. Высшим проявлением творческой деятельности в области конструирования приборов демонстрационного эксперимента является создание таких устройств, которые позволяют поставить принципиально новые демонстрационные опыты, необходимые для успешного преподавания курса физики.

Самым сложным является определение того, что действительно требуется сконструировать. Когда технические условия сформулированы, собственно конструкторская разработка становится сравнительно несложным делом.

Нередко конструкторы демонстрационных приборов не определяют предварительно методическое назначение того устройства, к постройке которого они приступают. Создаются устройства, необходимость которых не продиктована задачами преподавания существующего содержания образования. В этом случае авторы уже построенного прибора говорят о необходимости включения в школьный курс физики дополнительных вопросов, при изучении которых может быть использован созданный ими прибор.

Разработка вопросов содержания и методики преподавания курса физики диктует задания на конструирование нужных приборов, но не наоборот.

Лучшие конструкции демонстрационных приборов рождаются в процессе преподавания курса физики. И не только потому, что процесс преподавания позволяет наиболее верно определить направление работы, тему конструкторской разработки, но и потому, что созданный прибор или устройство немедленно проверяются на уроке, подтверждая или опровергая конструкторский замысел.