IX класс

Учитывая, что основные положения об автоматах учащимся уже известны из предыдущих классов и из жизненного опыта, здесь следует останавливаться на рассмотрении конкретных автоматических устройств и элементов, из которых они состоят. Познавательные возможности девятиклассников позволяют раскрывать не только качественную, но и количественную сторону этих вопросов. При этом особое внимание необходимо уделять различного рода задачам, заданиям, практическим работам, в ходе выполнения которых учащиеся самостоятельно могут получить знания по автоматизации.

Например, для знакомства с автоматом с обратной связью и закрепления материала по тепловому расширению твердых тел может быть применена задача № 12 из упр. 7 учебного пособия по физике для IX класса, в которой рассматривается схема автомата с использованием биметаллической пластинки для поддержания температуры неизменной.

Дополнительно к этой задаче можно задать такие вопросы: "Какое физическое явление положено в основу работы автомата? Что является объектом управления?"

Рис. 31

Для формирования представлений о емкостных датчиках полезно решить следующую задачу: "На рисунке 31, а схематически изображены 3 типа емкостных датчиков, позволяющих контролировать перемещение электрическим способом. Какой принцип положен в основу работы каждого из них? Начертите примерные графики зависимости емкости каждого датчика от значения контролируемого перемещения".

Наиболее сложно построить график зависимости С = С(х) для датчика с изменяющейся диэлектрической средой.

Здесь необходимо мысленно представить конденсатор с введенной в него пластиной из диэлектрика состоящим из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатора С1 с диэлектрической проницаемостью ε' и конденсатора С2 с диэлектрической проницаемостью ε. Тогда C = C1 + C2, или

где а и b - соответственно длина и ширина пластин конденсатора.

После преобразований получим:

Таким образом, емкость такого конденсатора линейно зависит от перемещения. На рисунке 31, б показан график зависимости С = С(х) для случая, когда ε'>ε. В учебном пособии для IX класса рассматривается решение задачи на вычисление емкости плоского конденсатора для случая, когда в него вставлена металлическая пластинка (задача 1). После разбора решения этой задачи можно указать на возможность измерения и контроля толщины металлических лент электрическим способом.

Полезно отметить, что точность устройств контроля на емкостных датчиках довольно высока и составляет порой сотые и тысячные доли миллиметра.

К емкостным датчикам следует вернуться вновь в X классе при изучении вопроса о емкостном сопротивлении в цепи переменного тока. Учащимся не трудно будет понять, что в цепи переменного тока при неизменной ЭДС при изменении емкости проводников меняется и сила тока в цепи.

Иногда емкостный датчик включают непосредственно в колебательный контур лампового генератора. В этом случае при изменении емкости датчика изменяется частота колебаний генератора.

Материал курса физики IX класса позволяет также рассмотреть работу некоторых устройств памяти автоматов.

Девятиклассникам на кружковых занятиях можно объяснить, что иногда необходимо, чтобы управляющее воздействие автомата происходило спустя некоторое время после получения сигнала. Для достижения такого эффекта применяются различного рода устройства, которые называются запоминающими. В основу работы современных типов запоминающих устройств положены различные физические явления.

В емкостных запоминающих устройствах используется свойство конденсатора накапливать и сохранять электрический заряд. Наличие заряда принимается за единицу информации, отсутствие - за нуль. Но так как идеальных диэлектриков нет, а реальный диэлектрик все же обладает малой проводимостью, конденсатор постепенно разряжается. Поэтому емкостные элементы памяти используются, как правило, для кратковременного хранения информации.

На кружковых занятиях можно рассказать девятиклассникам еще об одном типе памяти - памяти на ферритовых сердечниках. Это следует сделать при объяснении основных свойств ферромагнетиков, иллюстрируя применение ферромагнитных материалов. Пример с ферритовыми сердечниками ценен еще тем, что позволяет показать не только запись и хранение информации, но и ее считывание.

В первых запоминающих устройствах применялись ферритовые сердечники в форме кольца с наружным диаметром 2 мм и внутренним 1 мм. В современных запоминающих устройствах наружный диаметр сердечника уменьшен до 0,5 мм, а внутренний - до 0,3 мм.

Рис. 32

Элемент памяти на ферритовом сердечнике работает следующим образом (рис. 32). Пусть на обмотку памяти подан сигнал, который создает магнитное поле с индукцией I_у. Намагничивание сердечника остается равным B_у. С прекращением сигнала сохраняется остаточное намагничивание I_ост. Это состояние условно принимается за нулевое - запоминания не происходит.

При подаче сигнала противоположной полярности, создающего магнитное поле с индукцией - B_у, намагничивание становится равным - I_у. С прекращением сигнала остаточное намагничивание принимает значение - I_ост. Происходит запоминание сигнала.

Таким образом, в основе построения элементов памяти на ферритовых сердечниках лежит их способность сохранять намагничивание после прекращения намагничивающего воздействия.

Информацию нужно не только записывать, но и считывать. Для считывания нужны две обмотки. В одну из обмоток подается импульс тока, меняющий магнитный поток сердечника. Меняющийся магнитный поток сердечника индуцирует во второй обмотке (ее называют воспринимающей) ЭДС индукции, равную

где N - число витков в воспринимающей обмотке, S - площадь витка.

Полярность считывающего импульса выбирают таким образом, чтобы при отсутствии информации перемагничивания сердечника не происходило, тогда его намагничивание меняется по абсолютному значению на 2ΔI. При наличии информации сердечник перемагничивается, его намагничивание меняется по абсолютному значению на 2I_ост (см. рисунок), магнитный поток сердечника изменяется на противоположный. Поэтому в воспринимающей обмотке намагничивание будет больше, чем при отсутствии информации. Таким образом, по значению намагничивания в воспринимающей обмотке можно судить о наличии информации или ее отсутствии.