§ 2. Политехническое образование на факультативных занятиях по физике

Реализация принципа политехнизма на факультативных занятиях требует отбора для изучения таких понятий и законов, которые имеют наибольшие возможности применения во всех областях человеческой деятельности, знакомят учащихся с путями их применения в общественном производстве. Можно выделить такие уровни политехнической подготовки, Как знание применений изучаемых физических законов и явлений на практике, знание принципа действия и устройства конкретных технических установок, знакомство с научными основами современного производства, понимание роли физики в решении технико-экономических проблем данной отрасли народного хозяйства.

Именно поэтому особое внимание на факультативных занятиях в VIII классе уделяется выяснению роли прямой и обратной задач механики в науке и технике, законам вращательного движения твердого тела и законам сохранения в механике, чрезвычайно широко используемым в современной технике. В IX классе на факультативных занятиях углубляются знания учащихся о свойствах реальных газов и законах агрегатных превращений вещества, о путях и способах получения материалов с заданными физическими свойствами. Широкий выход в практику открывает рассмотрение физических принципов работы тепловых машин и основных перспектив развития энергетики.

В X классе исключительно важной с точки зрения связи физики с современной техникой является тема, посвященная изучению трехфазной системы передачи электроэнергии. При изучении оптики особого внимания заслуживают такие перспективные ее разделы, как лазеры, голография, спектроскопия. Факультативные занятия открывают широкие возможности для повышения уровня политехнических знаний, полученных при изучении основного курса. Этому способствует специальный отбор содержания учебного материала и вариативность программ факультативных курсов. В зависимости от производственного окружения школы учитель, ведущий факультативные занятия, может увеличить число часов на изучение соответствующих разделов программы с целью достижения более высокого уровня политехнических знаний.

Кроме усвоения учащимися политехнических знаний, реализация политехнического принципа предполагает выработку политехнических умений, ознакомление учащихся с основными физическими приборами и с техникой проведения физических измерений.

Можно выделить такие уровни политехнических умений, как выбор нужного прибора, умение им пользоваться, оценка погрешностей измерений и выбор способа измерений с минимальными погрешностями, составление монтажной схемы по принципиальной электрической схеме и проведение обратной операции, расчет и испытание простейших схем с использованием элементов автоматики, умение планировать проведение физического эксперимента и проводить обработку полученных результатов.

Программы факультативных курсов по физике VII-X классов рекомендуют для выполнения учащимися 95 лабораторных работ, из которых 56 фронтальных или домашних, а 39 являются работами физического лабораторного практикума. Среди них можно выделить лабораторные работы пяти основных типов.

К первому типу относятся работы, в которых экспериментально устанавливаются важнейшие соотношения и законы физики. Выполняя работы этого типа, ученики экспериментально проверяют второй закон Ньютона, основное уравнение динамики вращательного движения, законы сохранения механической энергии и момента импульса, закон Дюлонга - Пти, закон Стефана - Больцмана и закон радиоактивного распада, устанавливают пропорциональность инертной и гравитационной масс, квантовый характер поглощения света веществом, проверяют выполнение закона Ома для цепи переменного тока и закона сохранения энергии при интерференции света.

При выполнении работ второго типа учащиеся знакомятся с методами измерения физических величин: времени, расстояний и размеров тел, скорости и ускорения, силы и массы, мощности, индукции магнитного поля, сопротивления конденсатора и катушки индуктивности переменному току, максимальной энергии β-спектра.

К третьему типу относятся работы, в которых исследуются качественные характеристики физических свойств окружающего нас мира. К ним относятся работы по определению ускорения свободного падения, размеров Луны, средней квадратической скорости молекул атмосферного воздуха, индукции магнитного поля Земли, длины световой волны и скорости ее распространения.

Четвертый тип - лабораторные работы, в которых исследуются физико-технические характеристики и параметры приборов, технических устройств и материалов. Среди них исследование зависимости подъемной силы крыла самолета от угла атаки и относительной скорости воздуха, определение КПД простых механизмов и машин, передаточного числа зубчатой передачи; определение твердости стали до и после закалки; изучение характеристик холодильника, параметров транзисторов; определение точки Кюри ферритового образца; снятие кривой намагничивания ферромагнитного сердечника; построение кривой резонанса в цепи переменного тока; изучение автоматических устройств с фото- и терморезистором; работа генератора трехфазного тока и асинхронного двигателя; исследование работы релаксационного генератора; сборка транзисторного приемника прямого усиления; проведение качественного спектрального анализа; поверка электроизмерительных приборов.

Пятый тип предусматривает практические работы по изготовлению физических приборов и проведению опытов с ними. Целесообразно использовать этот тип работ в факультативных курсах VII и VIII классов. К ним относятся работы: изготовление камеры-обскуры ("дырочной камеры"), наблюдение и фотографирование с ее помощью изображений, изготовление перископа, калейдоскопа, моделей нониуса, микрометра, механического стробоскопа.

При выполнении фронтальных лабораторных работ и физического практикума учащиеся знакомятся на практике с различными приборами и техническими устройствами: лупой, проекционным аппаратом, кинопроектором, стереоскопом, микроскопом, блоком, полиспастом, зубчатой передачей, наклонной плоскостью, стробоскопом, насосом, электропроигрывателем, прибором для определения подъемной силы крыла самолета, моделью ракеты, гидравлическим прессом, форвакуумным насосом, реле постоянного тока, манометром, выпрямителем с регулируемым напряжением на выходе, электромагнитом, электроизмерительными приборами, генератором трехфазного тока, асинхронным двигателем, трансформатором, релаксационным генератором, спектроскопом, спинтарископом, счетчиком Гейгера - Мюллера, звуковым генератором, электронным осциллографом.

Приобретение навыков выполнения простых физико-технических работ способствует развитию интереса к практическим приложениям физики, что имеет важное профориентационное значение. С этой точки зрения полезны работы по выращиванию кристаллов, снятию электрических характеристик полупроводниковых приборов использованию электронного осциллографа в качестве электроизмерительного прибора, сборке и испытанию электрических схем простейших автоматических устройств с полупроводниковыми приборами: термистором, фоторезистором, фотодиодом, транзистором.

Реализация политехнического принципа предъявляет требования и к организации, и к методам проведения факультативных занятий, которые должны максимально стимулировать познавательную активность учащихся, обеспечивать ученику возможность самостоятельно раскрывать действие физических законов на практике. Успешному решению этих задач способствуют построение факультативных курсов в тесной связи с основным курсом, отбор материала, современного по содержанию и интересного по форме, активные методы проведения занятий - семинары, лабораторные и практические работы, экскурсии, самостоятельное решение задач с техническим содержанием, выполнение индивидуальных заданий исследовательского и конструкторского типа.

Особое место в системе факультативных занятий занимают самостоятельные экспериментальные работы, выполняемые учащимися. Ценность этих работ определяется, с одной стороны, их тематикой, а с другой стороны, методикой их постановки.

Политехническая ценность лабораторной работы будет особенно велика в том случае, если ее содержание связано с одним из основных направлений научно-технического прогресса, а методика обеспечивает самостоятельное и творческое выполнение работы всеми учащимися.

В качестве примера рассмотрим содержание и методику выполнения лабораторной работы факультативного курса IX класса "Расчет и испытание схемы автоматического устройства с фоторезистором".

Чтобы это задание было успешно выполнено всеми учащимися факультативной группы, необходимо сначала на отдельных занятиях выполнить фронтальные работы: регулирование силы тока и напряжения в цепях постоянного тока, измерение рабочих параметров электромагнитного реле, обнаружение зависимости сопротивления полупроводникового фоторезистора от освещенности. Эти работы направлены на приобретение учащимися навыков, необходимых для сборки автоматического устройства.

Описания работ физического практикума могут состоять из трех частей: задания, указаний, помогающих учащимся составить план выполнения эксперимента, и описания возможного варианта выполнения работы. В начале занятия каждому ученику выдается задание, сформулированное в общем виде. Указания к выполнению задания учитель выдает при возникновении затруднений в процессе самостоятельной работы. Если после ознакомления с указаниями затруднения остаются, то учитель предлагает учащимся описание возможного варианта выполнения задания. Образец творческого задания "Расчет и испытание схемы автоматического устройства с фоторезистором" приводится ниже.

Задание. Используя фоторезистор и реле, произведите расчет и испытание схемы автоматического управления, включающей или выключающей исполнительное устройство при изменении освещения.

Указания. Схема автоматического устройства имеет входную и исполнительную цепи. В настоящем исполнительную цепи, в настоящем задании входная цепь должна состоять из последовательно соединенных полупроводникового фоторезистора, обмотки реле, источника тока.

Исполнительную цепь можно составить из первично-замкнутых или первично-разомкнутых контактов реле, соединенных последовательно с лампой накаливания и источником тока (рис. 34).

Рис. 34

Для того чтобы фоторезистор вызывал значительное изменение силы тока во входной цепи схемы автоматического устройства управления и реле срабатывало в зависимости от освещения фоторезистора, сопротивление неосвещенного фоторезистора R_темн должно быть значительно больше сопротивления обмотки реле r:

Поэтому на первом этапе разработки схемы необходимо выполнить измерения сопротивления фоторезистора, предназначенного для использования в схеме, при освещении (R_осв) и в темноте (R_темн).

В предварительной фронтальной лабораторной работе по измерению рабочих характеристик электромагнитного реле исследуются сопротивления обмоток реле, напряжения и токи срабатывания и отпускания следующих типов реле: РСМ-1, РСМ-2, РПС-5, РПС-7,

Если сопротивления обмоток этих типов реле значительно меньше сопротивления R_темн неосвещенного фоторезистора, то по параметру "сопротивление обмотки" любое из них пригодно для использования в схеме автоматического управления с фоторезистором.

Следующий шаг в расчете схемы связан с выбором реле по току срабатывания I_ср. Очевидно, что ток срабатывания реле I_ср должен быть меньше максимального значения силы тока I_mах во входной цепи при определенных условиях освещения фоторезистора. Максимальное значение силы тока I_mах во входной цепи можно рассчитать, пренебрегая сопротивлением обмотки реле r и приняв максимальное значение напряжения U_mах, равное 36 В:

Знание силы тока I_mах позволяет сделать выбор определенного типа реле, ток срабатывания которого I_ср меньше силы тока I_mах.

После выбора типа реле необходимо выполнить контрольное измерение силы тока срабатывания данного реле, которая определяется как минимальное значение силы тока, при которой происходит замыкание его контактов при постепенном увеличении силы тока в обмотке реле. Изменение силы тока во входной цепи осуществляется путем изменения напряжения с помощью потенциометра R. Затем необходимо выполнить контрольное измерение сопротивления обмотки данного реле r и рассчитать напряжение срабатывания входной цепи U_cp при определенных условиях освещения фоторезистора:

Для работы автоматического устройства недостаточно обеспечить лишь срабатывание реле при освещении фоторезистора. Необходимо также, чтобы после прекращения освещения происходило размыкание контактов реле. Это условие будет выполнено, если при отсутствии освещения фоторезистора сила тока во входной цепи I_темн будет меньше силы тока I_отп, при которой происходит отпускание контактов реле:

Итак, для выполнения задания необходимо выбрать определенный тип реле, рассчитать напряжение питания входной цепи U, необходимое для срабатывания реле при определенных условиях освещения фоторезистора, собрать и испытать схему.

Учащимся, которым данные указания покажутся недостаточными, следует предложить детальное описание одного из вариантов выполнения задания.

Важное значение для реализации принципа политехнизма имеет ознакомление учащихся с элементами космонавтики.

Рис. 35

С большим интересом учащиеся факультативной группы VIII класса выполняют ряд творческих заданий по проверке законов реактивного движения. Так, например, для выполнения творческого задания "Расчет и экспериментальная проверка силы реакции водяной струи" ученикам потребовалось несложное оборудование: водопроводный кран, стеклянная трубка, изогнутая под прямым углом, резиновая трубка, динамометр школьный, мерный цилиндр, часы с секундной стрелкой. Собрав установку (рис. 35), ученики прямым измерением реактивной силы с помощью динамометра экспериментально проверяют результат теоретического расчета этой силы, проведенного по формуле:

Скорость истечения воды и определялась из выражения:

где ρ - плотность воды, S - сечение трубки, Δm - масса воды, вытекающей из трубки за время Δt.

Подстановка найденного значения скорости в выражение для реактивной силы приводит к выражению:

Одним из основных методов достижения высоких уровней политехнических знаний является решение задач с техническим содержанием.

В качестве примера рассмотрим решение задачи на расчет мощности, силы тяги и КПД ракетного двигателя как тепловой машины и как машины для разгона космического корабля. Технические характеристики ракетного двигателя ученики могут взять из справочника. Пусть ракета имеет 5 двигателей, каждый из которых расходует 2,7*10³ кг горючего и окислителя в секунду, выбрасывая продукты сгорания со скоростью 2,55*10^3м/_с. Масса ракеты на старте 2,9*10⁶ кг, из них примерно 2,5*10⁶ кг приходится на горючее и окислитель. Теплота сгорания 1 кг горючего и окислителя равна 1,3*10^7Дж/_кг. При выводе на орбиту космический корабль достигает скорости 11,2 ^км/_с.

Решение. Полезную мощность ракеты-носителя можно определить, считая приближенно, что полезная работа затрачивается на сообщение кинетической энергии струе газов:

где μ = ^m/_t - масса газов, выброшенных ракетным двигателем за 1 с, u - скорость истечения газов. Это приближение основано на том, что масса ракеты много больше массы газов, выбрасываемых ракетой за 1 с.

Следовательно, полезная мощность ракеты-носителя равна:

Сила тяги ракеты-носителя равна:

Коэффициент полезного действия ракеты-носителя как тепловой машины можно определить из условия:

Однако КПД ракеты-носителя как машины для разгона космического корабля существенно меньше:

Мощность советской ракеты-носителя "Протон" равна 45 млн. кВт, т. е. двигатели этой ракеты развивают мощность, в 7 раз превосходящую мощность крупнейшей в мире Красноярской ГЭС им. 50-летия СССР.

Ознакомление учащихся с применением изученных понятий и законов на практике не будет полноценным без активного ознакомления с реальным производством. Наиболее доступной формой такого ознакомления являются экскурсии на промышленные предприятия и сельскохозяйственные производства, в которых имеются машины и технологические установки, соответствующие основному содержанию темы, изученной на факультативных занятиях.