§ 5. Автоматизация производства

Изучение опыта работы передовых учителей показывает, что ознакомление учащихся с элементами автоматики на уроках физики повышает их интерес к предмету. Поэтому для этой цели следует использовать всякую возможность: демонстрацию занимательного опыта, пример из жизни, задачу, задание на дом и др.

Достижения физики, применяемые в автоматизации производства,- яркое свидетельство превращения физики в непосредственную движущую силу научно-технической революции. Автоматизация освобождает человека от монотонного труда по контролированию производственного процесса, способствует повышению производительности труда и качества выпускаемой продукции. С помощью автоматических устройств и ЭВМ создаются единые общегосударственные системы сбора, обработки и выдачи информации, разрабатываются и координируются народнохозяйственные планы, создаются автоматизированные системы управления. Эти обстоятельства являются важными для мотивации глубокого изучения учащимися многих разделов школьного курса физики.

Анализ школьной программы по физике показывает, что изучение идей автоматизации должно носить сквозной характер. При этом представления о различных видах автоматизации, сформированные на начальной ступени обучения, будут расширяться и углубляться. Одновременно будут накапливаться знания учащихся о физических закономерностях, лежащих в основе работы элементов автоматических устройств: датчиков, реле, исполнительных устройств.

Автоматические устройства, рассматриваемые в школьном курсе физики, могут быть разделены на три типа:

• устройства автоматического контроля;
• устройства программного управления;
• устройства управления с обратной связью.

Автоматический контроль выполняет задачу получения сигнала о состоянии контролируемого объекта или о ходе технологического процесса. Датчиком в таком автомате может служить, например, биметаллическая пластинка, которая замыкает электрическую цепь. При этом загорается сигнальная лампочка (исполнительное устройство).

Автоматы контроля на производстве помогают контролировать давление пара, газа и жидкости, расход жидкостей и газов, уровень жидкостей, температуру, скорость движения, уровень радиации и т. д.

При программном управлении автоматически изменяется режим работы объекта (например, токарного станка) или процесса (например, химического производства) по заданной программе. Программа хранится в памяти устройства. Она записывается на перфорированном диске, на перфорированном барабане или на перфокарте. Она может быть также записана и на магнитофонной ленте или каким-то другим способом. Сигналы программы (она служит датчиком) передаются в электрическую цепь. При этом автоматически в определенной последовательности и через определенные промежутки времени включаются различные исполнительные устройства: механизмы или аппараты. Например, на токарном станке автоматически переключаются скорости вращения шпинделей и подачи резцов. При этом автоматически точится деталь нужной формы. Более сложными являются устройства с обратной связью. В них сигналы управления зависят не только от заданной программы, но и от состояния управляемого объекта. Широко известным устройством автоматического управления с обратной связью является регулятор Уатта.

В основе работы элементов автоматики, из которых состоят автоматические устройства, лежат известные явления физики, которые подчиняются определенным законам.

Датчики служат для преобразования контролируемого параметра в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Широкое распространение получили датчики, преобразующие контролируемую величину в электрический сигнал. Они обеспечивают наиболее удобную связь с технологическим процессом: электрический сигнал удобен для дистанционной передачи, усиления, хранения ("запоминания").

Разработано довольно много способов преобразования самых различных параметров технологических процессов (давления, температуры, скорости вращения, уровня жидкости и др. в электрические сигналы). На уроках физики изучаются явления, положенные в основу работы большинства датчиков, используемых в народном хозяйстве.

Слабые электрические токи (сигналы) чувствительных датчиков (например, фотоэлементов) могут управлять электрическими цепями с большими токами благодаря электромагнитным реле, с которыми учащиеся знакомятся в VII и IX классах.

В качестве исполнительных механизмов используются чаще всего электродвигатели и различные механизмы.

Для того чтобы определить последовательность изучения вопросов автоматизации производства в курсе физики средней школы, нужно проанализировать их с точки зрения физического содержания.

Целесообразно знания по автоматике формировать постепенно, в несколько этапов. При этом следует всегда идти от предмета физики, давая сведения по автоматике лишь в качестве приложения науки в технике в ознакомительном плане.

В VI классе школьники изучают физические явления, законы, опираясь на которые можно сформировать представления об автоматическом контроле и об основных элементах автоматических устройств: датчиках и исполнительных механизмах. Этот материал может быть рассмотрен в следующих темах курса физики: "Введение", "Давление газа", "Плавание тел".

В VII классе представления об автоматических устройствах могут быть расширены. Это можно сделать в темах: "Электрическая цепь и ее составные части", "Реостаты", "Электромагнитное реле", "Телефон", "Генератор электрического тока".

В VIII классе появляется возможность сформировать наиболее трудное понятие в автоматизации-понятие обратной связи. Это делается при ознакомлении с принципом работы регулятора Уатта. Здесь же рассматриваются датчики ускорения, перемещения, скорости, давления и др.

В IX классе изучаемый материал по физике позволяет расширить знания школьников об автоматическом контроле и автоматах с обратной связью. Здесь изучаются тепловое расширение твердых тел, электроемкость плоского конденсатора, зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещенности, магнитные свойства вещества, используемые при конструировании устройств контроля неэлектрических величин (перемещения, температуры, освещенности) электрическим способом. Расширяется представление об обратной связи и автоматах с обратной связью (терморегуляторах на биметаллической пластине и терморезисторе).

Программа X класса позволяет на основе изучения таких вопросов курса, как автоколебания, ламповый генератор, амплитудная модуляция, демодуляция, фотоэффект, синхрофазотрон, устройство атомного реактора, расширить представления учащихся о всех трех видах автоматизации, а в обобщающей лекции систематизировать знания школьников по данному направлению научно-технического прогресса, раскрыть успехи и перспективы в области автоматизации.

Изложенная схема изучения вопросов автоматизации в школьном курсе физики представлена в таблице 5.

Таблица 5

Остановимся теперь более подробно на методике рассмотрения вопросов.