§ 3. Внеклассная работа и политехническое образование

В практике работы школы используются различные формы внеклассной работы: кружки по конструированию технических моделей, домашние технические задания, вечера по физике и др. Кружковые и домашние занятия раздвигают рамки урока по времени и по темам занятий, углубляют знания, развивают практические умения и навыки, конструкторские и исследовательские способности учащихся.

Содержание, внеклассной работы определяется прежде всего задачами коммунистического воспитания и политехнического образования. При этом большое значение имеет связь содержания с практикой коммунистического строительства в стране, с направлениями научно-технического прогресса, с ведущими отраслями науки и техники. Современные достижения науки и техники должны во многом определять содержание учебной деятельности школьников во внеклассной работе. В связи с этим стоит задача дальнейшего совершенствования содержания и методов внеклассной работы.

Конструирование технических моделей. Широкий простор творческой деятельности учащихся в применении их знаний по физике, в приобретении политехнических умений и навыков дают кружки физико-технического моделирования. Основное содержание работы в таких кружках - конструирование физических приборов, моделей, технических объектов (машин, механизмов, приспособлений и т. п.).

Моделирование есть один из основных методов познания природы, ценнейшее средство экспериментального исследования, средство интерпретации и научного объяснения явлений, а также объект конструкторского проектирования, разработки и реализации технических идей. Модель, как доступный возрасту учащихся объект творческой разработки, приобретает исключительное значение в процессе усвоения ими научно-технических знаний, выработки творческих навыков, развития способностей.

Работа кружка по конструированию моделей, приборов может проводиться разными методами. Большой интерес вызывает у учащихся конструирование моделей и приборов прикладного характера, имеющих практическое применение. Поэтому, учитывая заинтересованность учащихся, целесообразно организовать тематические кружки, например физический кружок по конструированию и изготовлению моделей, кружок по конструированию объектов современной техники или техники будущего. В перечень моделей для кружка могут войти такие, как вездеход на воздушной подушке, судно на подводных крыльях, водометный катер, шнековый вездеход и др.

Задания на конструирование моделей, приборов должны быть связаны с учебной программой, удовлетворять интересам физического кабинета и, как правило, подобраны таким образом, чтобы работа была закончена в течение 2-3 месяцев. Учитель при отборе тем для конструирования должен отчетливо представлять все этапы конструкторской работы над каждым прибором. У него также должны быть заранее подготовлены инструмент, материалы и все детали, необходимые для изготовления каждой модели.

Учащимся одновременно с получением задания следует дать список технической литературы, необходимой для выполнения каждой модели или прибора, сообщить определенные требования, которым должны удовлетворять модель, прибор или техническая установка (соответствовать техническим требованиям, быть безотказной и надежной в работе, красиво внешне оформленной).

Работа учащихся по конструированию может проводиться по следующим этапам: изучение принципа действия модели по рекомендованной литературе и разбор схем конструкции на основании технических требований; отбор и изображение схемы, конструкции; выбор материала и технологии его обработки; изготовление или монтаж технического изделия; налаживание или настройка и эксперимент; подготовка технической документации и сообщение о работе прибора, модели или другого пособия. Изготовленные приборы поступают на школьную выставку и пополняют оборудование физического кабинета.

В качестве примера рассмотрим конструирование модели реактивной гидротурбины с водоприемной камерой^*. Идея конструкции модели взята из рисунка-схемы гидроэлектростанции, данной в учебнике физики для VIII класса. Демонстрация такой модели позволяет показать принцип действия современных гидростанций.

^* (В конце параграфа приведен перечень технических моделей и соответствующая литература, в которой учитель может найти рекомендации по их изготовлению.)

Общий вид модели показан на рисунке 36. Основные ее части - водоприемная камера 1 и рабочее колесо 2.

Рис. 36

Цилиндрическая часть водоприемной камеры может быть сделана из куска оргстекла толщиной 3 мм. Стекло по шаблону сгибают в горячей воде и склеивают дихлорэтаном или клеем. Коническая часть водопроводной камеры 3 и рабочее колесо можно изготовить из куска белой жести толщиной до 1 мм. После изготовления рабочего колеса на него напаивают направляющие лопатки 4.

Регулировка стока воды производится совмещением отверстий неподвижного диска дна 5 с подвижным 6 (конструкция дисков одинаковая). Поворот подвижного диска осуществляется ручкой 7, находящейся на верхней части патрубка-трубки.

Работает прибор следующим образом. При установке ручки в положение "открыто" вода из цилиндрической части водоприемной камеры через совмещенные отверстия попадает на направляющие лопатки, приводя во вращение рабочее колесо. Рабочее колесо жестко связано через ось вращения с держателями магнитов 8. Вращаясь, магниты наводят ЭДС индукции в катушке.

С помощью данной модели, зная расход воды через турбину, можно вычислить мощность водяного потока по формуле:

или

где ^V/_t - расход воды, h - разность уровней воды, η - КПД гидротурбины.

Интересным методом проведения занятий по конструированию моделей может быть метод групповых творческих заданий.

Например, в сельской школе учащимся можно предложить задание по теме "Использование энергии ветра". В этом задании речь идет об исследовании ветрового режима района и конструировании ветродвигателей. Тема имеет хозяйственно-практическое значение, так как строительство действующей ветросиловой установки силами кружковцев в условиях неэлектрифицированного района позволит снабдить электроэнергией школу, кабинет физики, производить зарядку аккумуляторов.

Такая же групповая тема может быть предложена по расчету и строительству, например, на ручье, действующей модели гидроэлектростанции, шлюзовой камеры, установке гидравлического тарана, водоподъемного колеса. Также можно рекомендовать задание по сооружению гелиоустановки для нагревания воды солнечными лучами.

Увлекательной и для городских, и для сельских школьников является тема "Автоматические устройства". В ней учащиеся знакомятся с различными автоматическими устройствами, их классификацией, принципом действия, применением в различных технических объектах.

Групповыми работами подобного типа могут быть такие: "Конструирование и монтаж школьного радио- и телефонного "узла", "Постройка школьной УКВ-радиостанции" и др.

Домашние задания с использованием бытовой техники. Сейчас каждая семья имеет различные бытовые приборы и машины, облегчающие домашний труд. Ассортимент и количество выпускаемых товаров культурно-бытового и хозяйственного обихода растут в нашей стране из года в год.

Выпускники средней школы должны знать принцип действия бытовых приборов и машин, уметь правильно включать и настраивать их в соответствии с прилагаемой к ним инструкцией, уметь читать блок-схемы, а в ряде случаев и простейшие схемы электроприборов.

Одной из организационных форм развития и формирования таких навыков являются домашние технические задания. К содержанию этих заданий предъявляются следующие требования: домашние технические задания должны иметь обобщающий характер, содержать субъективную новизну, а также быть связанными друг с другом так, чтобы предыдущие задания служили подготовкой к последующим.

Покажем на конкретных примерах, как выполняются эти требования при разработке содержания домашних заданий, которые в зависимости от содержания могут быть объединены в несколько тем; каждая из них раскрывает принцип работы и условия эксплуатации того или иного прибора или машины. Для выполнения заданий каждой темы требуются знания одного или нескольких разделов курса физики.

Например, чтобы выполнить задания по теме "Изучение схемы бытового нагревательного прибора и расчет его сопротивления", учащиеся должны применить знание законов Ома, Джоуля-Ленца, последовательного и параллельного соединения проводников и др. Задание выполняется с использованием инструкции одного из нагревательных бытовых приборов: электроплитки, электродуховки, печи отражательного типа, напольного электронагревателя, электрокалорифера, электроконвектора.

Рассмотрим задания и краткие ответы к ним при изучении схемы электрокамина "Уголек":

1. Укажите обозначения нагревателей, выключателей, лампы накаливания на схеме. Начертите схемы возможных соединений двух нагревателей. Выключив камин из сети, укажите расположение его основных частей.

2. В камине устройство, имитирующее горящие угли, состоит из лампы накаливания, вертушки и панели, выполненной в виде углей. Почему при включенной лампе вращается вертушка? Объясните назначение вертушки в этом устройстве.

Ответ. Поток подогретого воздуха, поднимаясь, вращает вертушку. Прорези вертушки, пропуская свет, создают эффект бликов пламени.

3. Почему нагреватели помещены в фокусе рефлектора?

4. Определите сопротивление нагревателя камина. Данные для расчета взять из инструкции.

Решение. Пусть камин "Уголек" потребляет максимальную мощность Р = 1,25 кВт при напряжении U = 220 В. Мощность лампы накаливания Р₁ = 40 Вт. Мощность камина а где R_л - сопротивление лампы, R - сопротивление нагревателя.

Тогда Но Следовательно,

и

5. Пользуясь вычисленным значением сопротивления нагревателя, определите потребляемую камином мощность при последовательном соединении нагревателей. Сравните полученное значение с данными, приведенными в инструкции.

Ответ. Мощность определяется по формуле: P = 0, 34 кВт.

6. При включении электрокамина на максимальную мощность яркость горящих ламп в квартире уменьшается, а затем несколько возрастает. Объясните это явление.

Ответ. Электрокамин, включенный в сеть параллельно, уменьшает сопротивление сети, что приводит к возрастанию силы тока. На подводящих проводах, последовательно соединенных с лампами, увеличивается падение напряжения, что приводит к уменьшению яркости лампы. С ростом температуры спиралей нагревателей их сопротивление растет, сила тока в сети становится меньше и лампы горят ярче.

Эти задания могут быть даны учащимся VII класса (часть из них может быть предложена в старших классах при повторении вопросов электродинамики).

Среди бытовых машин широкое распространение получили холодильники компрессионного типа, стиральные машины, пылесосы и др. Во всех этих машинах учащиеся должны увидеть то общее, что характерно для любой из них. Из курса физики VIII класса учащимся известно, что основными частями любой машины являются двигатель, передающее устройство и исполнительные механизмы. Эти знания ученики должны применить в конкретных условиях, анализируя принцип действия машин. Например, компрессионного типа электродвигатель служит источником механической энергии, которая через вал передается исполнительному органу - компрессору. Важно, чтобы при выполнении этих заданий школьники поняли как принцип действия холодильника, так и назначение его основных частей: электродвигателя, конденсатора, испарителя, автоматического регулятора температуры, ознакомились с основными параметрами холодильника: расходом электроэнергии, коэффициентом полезного использования холодильника, характеризующим его технический уровень, температурными показателями.

Рассмотрим содержание заданий по теме "Наблюдение за работой стиральной бытовой машины и изучение ее инструкции". Учителю следует иметь в виду, что стиральные машины различаются по устройству и назначению. Отечественная промышленность выпускает машины малогабаритные с ручным отжимом белья, полуавтоматические, а также автоматические стиральные машины с программным управлением.

Для механизации отжима белья часто применяются ручные валки и центрифуги. Специальные приборы автоматики, имеющиеся на стиральных машинах, позволяют выбрать необходимый режим стирки или отжима белья.

Рассмотрим тексты заданий по этой теме и возможные варианты их выполнения:

1. Пользуясь инструкцией, укажите основные части машины: двигатель - передающее устройство - исполнительные механизмы.

Ответ. В полуавтоматических стиральных машинах основными частями являются электродвигатель, ремень привода и исполнительные механизмы - вращающийся лопастный диск, центрифуга и центробежный насос.

2. Укажите источник механической энергии в машине. Каким образом эта энергия передается и используется при работе машины в режиме "стирка"?

Ответ. Источник механической энергии - электродвигатель, в котором электрическая энергия превращается в механическую. От электродвигателя энергия передается через ремень привода к вращающемуся лопастному диску, приводящему в движение моющий раствор, а вместе с ним и белье.

3. В быстровращающейся центрифуге белье прижимается к стенкам барабана и находящаяся в белье жидкость через отверстия стекает в бак центрифуги. Почему?

Ответ. В инерциальной системе отсчета "Земля" в момент включения машины белье движется криволинейно. Скорость его направлена по касательной к траектории движения. Стенки центрифуги препятствуют этому движению, и белье прижимается к барабану. Силы сцепления между каплями жидкости и белья недостаточны, чтобы удержать капли, и вода стекает через отверстия в бак центрифуги.

4. На рисунке 37 приведена схема биметаллического датчика температуры стиральной машины с электронагревателем (1 - биметаллический элемент, 2 - резиновая мембрана, 3 - керамический шток, 4 - резиновое уплотнение, 5 - корпус, 6 - контакты). Каково назначение биметаллической пластинки? Объясните работу датчика.

Рис. 37

Ответ. Биметаллический датчик монтируется в стенке резервуара машины. В датчике биметаллическая пластинка вогнута. При определенной температуре она прогибается в противоположную сторону. Керамический шток, перемещаясь, обеспечивает размыкание контактов электрической цепи нагревателя. При уменьшении температуры пластинка возвращается в исходное положение и контакты размыкаются.

Технические задания могут включать вопросы, для ответа на которые необходим определенный опыт работы учащихся с бытовыми приборами, а также знание дополнительной литературы. Такие задания предлагают на достаточно длительное время, и в процессе их выполнения у школьников формируются практические навыки, а также умение самостоятельно найти необходимую информацию из книг, журналов и других источников.

Например, по теме "Изучение оптической техники" в числе других заданий могут быть такие, в которых раскрыто применение законов оптики в фотографии.

1. На шкале диафрагмы объектива наносятся числа, равные отношению фокусного расстояния к диаметру отверстия: 2; 2,8; 4,5; 5; 5,8 и т. д. Как изменится время выдержки съемки, если диафрагму перевести на большее деление шкалы?

Ответ. Чем больше число диафрагмирования, обозначенное на шкале, тем освещенность изображения меньше, а требуемая при фотографировании выдержка больше.

2. Чаще всего объективы фотоаппаратов состоят из нескольких линз. Свет, проходя через объектив, частично отражается от поверхностей линз. К каким дефектам это приводит при съемке?

Ответ. Лучи, отраженные от поверхностей линз, частично поглощаются внутренней зачерненной поверхностью оправы, а большей частью проникают внутрь фотокамеры, создавая в ней равномерно рассеянный свет. Это вызывает образование равномерной вуали. В отдельных случаях, например при попадании в поле зрения ярких источников света, отраженные лучи вызывают на негативах образование следов светлых пятен и побочных изображений.

3. При съемке снежных равнин и водных поверхностей в солнечные дни рекомендуется применять солнечную бленду, которая представляет собой зачерненную внутрицилиндрическую или коническую трубку, надеваемую на объектив. Каково назначение бленды?

Ответ. Косые лучи света, попадая в объектив, частично отражаются от внутренней поверхности ее оправы. Попадая в фотокамеру, они вызывают световые пятна на негативе. Такое же явление наблюдается и при попадании в объектив лучей, отраженных блестящими предметами, расположенными сбоку от фотокамеры. Для предупреждения этих явлений применяют солнечные бленды.

4. Чтобы свет не отражался внутри объектива, на поверхность линз наносят тончайшую прозрачную пленку порядка десятитысячных долей миллиметра. Такие объективы называют просветленными. На каком физическом явлении основано просветление объектива? Объясните, почему объективы не отражают свет.

Ответ. Просветление основано на явлении интерференции световых волн, отражаемых поверхностью стекла и поверхностью нанесенной на нее просветляющей пленки. При определенной толщине пленки и определенном ее показателе преломления интенсивность лучей, отраженных обеими поверхностями, становится одинаковой, а разность хода лучей составляет полволны. Тогда вследствие интерференции этих лучей поверхность перестает отражать свет.

В тему, посвященную изучению оптической техники, могут входить не только качественные задания но "задания требующие доступных для учащихся расчетов. Например, такое. "В практике часто пользуются формулой ^F/_L = ^b/_B, где F - фокусное расстояние кинопроекционного объектива, b - высота када, B - высота изображения на экране, L - расстояние от объекта до экрана. Выведите формулу. Рассчитайте размеры экрана для вашей комнаты, учитывая, что высота экрана составляет 0,7 его ширины".

Система заданий по каждой теме рассчитывается на 2-3 недели Работа завершается написанием краткого отчета. По каждому отчету проводится собеседование с учащимися, и их работа оценивается.

Приведенные примеры, конечно, не исчерпывают содержания заданий по использованию бытовой техники. Они лишь являются иллюстрацией основных требований к содержанию технических заданий.

Примерный перечень заданий по изготовлению технических моделей