§ 7. Некоторые принципы комплектования оборудования для лабораторного практикума по элементарному курсу механики
К числу важнейших проблем обучения студентов конструированию системы школьного лабораторного эксперимента мы относим проблему комплектования учебного оборудования. Постановка этой проблемы и ее иллюстрация проводились нами также на материале элементарного курса механики.
Студентам показывалось, что решая самые разнообразные задачи по элементарному курсу механики, мы имеем дело с весьма ограниченным кругом физических величин и уравнений, связывающих эти величины.
В задачах, в основе которых, так или иначе, может лежать лабораторный эксперимент, мы вместе со студентами выделяли, например, следующие величины: время, перемещение, путь, скорость, средняя скорость, ускорение, угол поворота, угловая скорость, период обращения, число оборотов, частота обращения, центростремительное ускорение, масса, сила, жесткость, абсолютная деформация, относительная деформация, сила тяжести, вес, сила нормального давления, сила трения, коэффициент трения, плечо силы, момент силы, импульс тела, импульс силы, работа силы, кинетическая энергия, потенциальная энергия тела в поле тяжести, потенциальная энергия упруго деформированного тела, мощность, коэффициент полезного действия, амплитуда колебаний, период колебаний, число колебаний, частота колебаний, скорость волны, длина волны.
Далее мы находили, что, из перечисленных величин, непосредственно измеряемыми в эксперименте величинами являются только следующие: время (период обращения и период колебаний); число оборотов (или колебаний); расстояние (перемещение, путь, плечо силы, амплитуда колебаний, длина волны); угол; масса; сила.
Именно непосредственно измеряемые величины и определяли первостепенный перечень требований к комплектации оборудования для лабораторного практикума по элементарному курсу механики.
Далее рассуждения строились следующим образом.
Чтобы относительная ошибка измерений была небольшой, сами измеряемые величины должны иметь значения, как можно больше превышающие абсолютные ошибки приборов, используемых для измерений.
Так, если мы измеряем время движения какого-либо тела с помощью метронома или часов с секундной стрелкой, то это время должно составлять, по крайней мере, несколько секунд, а лучше, несколько десятков секунд.
Если, измеряя перемещение, мы не надеемся обеспечить точность измерений хотя бы до сантиметра, то сами перемещения должны составлять десятки сантиметров. Иными словами, чем более крупногабаритной будет установка для проведения эксперимента по механике, то есть, чем большие перемещения будут совершать тела, чем дольше они будут двигаться, чем будут массивнее, тем на меньшие ошибки при определении значений измеряемых и рассчитываемых величин мы можем надеяться.
С другой стороны, если проведение эксперимента планируется в классе, верхние размеры лабораторной установки ограничиваются размерами ученического стола.
Ограничения на размеры оборудования связаны и с его материалоемкостью, определяющей расход материалов при изготовлении приборов, условия хранения и транспортировки лабораторных установок или их элементов. Таким образом показывалось, что
при комплектовании оборудования для лабораторного эксперимента, приходится идти на компромисс и выбирать между громоздкостью и миниатюрностью приборов и экспериментальных установок.
Во многих работах по механике приходится иметь дело с измерением времени.
Время можно измерять с помощью механических и электронных часов или секундомеров. Использование секундомеров является, безусловно, более предпочтительным, поскольку они, работая в дискретном режиме, измеряют временные интервалы и фиксируют начало и конец процесса. Часы же работают в непрерывном режиме, поэтому запуск установок приходится подстраивать под их ход. Для регистрации момента окончания процесса приходится держать в поле зрения и движущийся объект, и часы. Неудобства возникают весьма значительные, точность измерений оказывается малой, зато часы доступны и имеются практически у каждого человека.
Секундомеры можно запускать и останавливать вручную. Можно использовать и специальные устройства, как электронные, так и механические. Примером механического устройства, управляющего работой электронного секундомера, является комплект из нормально замкнутых и нормально разомкнутых контактов. К сожалению, обеспечить электронным секундомером с такими контактами каждого ученика сложно, поэтому на практике во многих случаях приходится отказываться от подобного способа измерения времени и сознательно заменять его способами менее удобными, надежными и точными. При наличии в лаборатории программируемых микрокалькуляторов типа "Электроника Б3-34", "Электроника Б3-54", "Электроника МК-54", "Электроника МК-56", можно использовать их не только по прямому назначению для проведения вычислений, но и для измерения времени.
Примером программы, позволяющей отсчитывать время в секундах при ее остановке, является следующая
ИП1
61 |
0E |
0E |
0E |
С/П
50 |
+
10 |
БП
51 |
05
05 |
Для начальной установки хода секундомера, необходимо в регистр 1 ввести 0,5 и нажать клавиши В/О и С/П. Через некоторое время, например, 60 секунд, следует остановить программу и сверить с этим временем показания времени на табло калькулятора. Если эти времена не будут совпадать, надо несколько изменить значение масштабного коэффициента, вносимого в регистр 1. После ввода в регистр 1 подобранного экспериментально масштабного коэффициента, нажимаются клавиши В/О и С/П. На табло высвечивается значение 0,5. Программа запускается и останавливается в нужный момент времени клавишей С/П. Значение длительности процесса в секундах высвечивается на табло.
Рис.4.3. Схема простейшего измерителя времени
В основу простого измерителя времени может быть положен эффект разряда конденсатора через резистор (рис. 4.3). Так как разряд носит экспоненциальный характер, шкала электроизмерительного прибора, по показаниям которого судят о времени разряда, будет нелинейной.
Перед началом опыта ключ К замкнут, конденсатор С заряжен, а через резистор R протекает постоянный ток силой I.
Сопротивление резистора подбирается таким образом, чтобы при заданном напряжении источника тока стрелка электроизмерительного прибора отклонялась до конца шкалы. Так как скорость разряда конденсатора определяется постоянной RC, весьма желательно, чтобы сопротивление резистора было большим. При этом можно взять конденсатор с меньшей электроемкостью, не уменьшая тем самым скорости разряда.
При малых напряжениях, с которыми могут работать ученики, в качестве электроизмерительного прибора желательно брать чувствительный микроамперметр. В случае отсутствия микроамперметров, можно использовать школьные лабораторные амперметр или вольтметр, исключив из них шунты или добавочные сопротивления. С этими приборами, при напряжении источника тока 4В, для того чтобы стрелка прибора при размыкании ключа отклонялась до середины шкалы за несколько секунд, сопротивление резистора должно составлять несколько сотен килоом, а электроемкость конденсатора несколько тысяч микрофарад.
Подобный прибор требует предварительной градуировки. Он крайне неудобен в работе, поскольку стрелка прибора не фиксируется по окончании процесса. Но к преимуществам прибора можно отнести его простоту и возможность изготовления силами учащихся значительного количества самодельных секундомеров.
Более совершенный электронный секундомер, лишенный указанного недостатка, но, естественно, и более сложный в изготовлении, описан в статье В.Ю. Клиха [132].
В ряде случаев экспериментатора могут интересовать не абсолютные, а относительные значения интервалов времени.
Для сравнения интервалов времени протекания каких-либо процессов можно воспользоваться различного рода неотградуированными маятниками, капельницами или другими устройствами, работа которых основана на периодических процессах, протекающих с постоянной скоростью. Впрочем, эти же устройства, будучи отградуированными, могут применяться и для измерения абсолютных значений времени протекания различных процессов.
