§ 8. Построение конструктора для проведения лабораторного эксперимента по элементарному курсу механики
   
   Одним из очень существенных и распространенных недостатков организации и проведения учебного лабораторного эксперимента как в средней, так и в высшей школе, является предложение учащимся уже готовых, заранее собранных и отрегулированных лабораторных установок. Эти установки содержат необходимое и достаточное для проведения запланированного эксперимента оборудование и поэтому вопрос об отборе этого оборудования оказывается снятым. Если подобные установки рассматривать в сочетании с точными инструкциями, предписывающими выполнение вполне конкретных действий, можно утверждать, что дидактические функции лабораторных работ будут значительно обеднены за счет нереализованности их эвристических возможностей.
   
В качестве одной из центральных задач экспериментального обучения студентов мы ставили задачу показать, что одним из путей решения проблемы развития конструкторских и творческих способностей учащихся при выполнении ими лабораторных работ, может быть разработка системы лабораторного физического эксперимента, в основе технической части которого лежит конструктор.
   Для иллюстрации данной позиции нами разработано несколько незначительно отличающихся друг от друга вариантов конструктора, в основу которых положены следующие
принципы: простота, низкая себестоимость и материалоемкость, возможность тиражирования в школьной мастерской, использование одних и тех же элементов при сборке различных блоков экспериментальных установок.
   В изготовлении конструкторов и решении некоторых технических проблем принимали участие студенты физического факультета БГПУ В.А. Цайтлер и А.В. Белоглазов. Так, А.В. Белоглазовым было изготовлено 15 комплектов конструктора. Работа с ними осуществлялась Л.Е. Андреевой, Е.Г. Сизовым, Е.Д. Шаповаловой, В.А. Лазуткиной и А.А. Шаповаловым в 1994-1999 годах во время проведения физических практикумов в 9-х и частично в 11-х классах средней школы N 112 г. Барнаула, а также в 10-х физических классах краевого педагогического лицея.
   В эти же годы конструкторы проходили апробацию на занятиях спецпрактикума по методике и технике лабораторного физического эксперимента в Барнаульском государственном педагогическом университете и на лабораторных занятиях по методике преподавания физики в Алтайском государственном университете.
   Анализ хода и результатов работ, выполненных учащимися и студентами, свидетельствует о возможности использования конструктора как в средней школе, так и в педагогическом вузе.
   В комплект одного из вариантов конструктора входят следующие элементы:
   
Две одинаковые по размерам, проградуированные доски.
   Вдоль досок прорезаны неглубокие желоба. Доски имеют по три сквозных отверстия (1), предназначенных для пропускания сквозь них шпилек. Два отверстия расположены по краям досок, одно - посередине.
|
   К торцу одной доски прикреплен металлический уголок (2).
   На краю другой доски, по центру желоба (3), просверлено сквозное отверстие (4). Диаметр отверстия должен быть равен диаметру входящей в комплект трубки. В горизонтальном направлении отверстие на глубину 2-3 мм пропиливается.
|
|
   Ширина пропила также составляет 2-3 мм.
   Желательно, чтобы длина каждой доски равнялась высоте ученического стола. Толщина досок определяется толщиной шпилек и соответствующих им отверстий.
   Ширина досок и место пропила желобов определяются размерами легкоподвижной тележки, которая изготавливается из деревянного бруска, двух шпилек и четырех пластмассовых шариков.
   Деревянный брусок имеет форму параллелепипеда и размеры сторон, относящиеся примерно как 1:2:5. Ширина бруска равна ширине досок. На одном торце бруска укреплен крючок (5).
   На другом торце, примерно до середины бруска, высверлено отверстие (6). На две плоскости бруска наклеены пластины из материалов, существенно отличающихся по коэффициенту трения от дерева (7).
   Две длинные боковые поверхности бруска имеют по три небольших отверстия (8) для крепления ведерок с грузами (9).
   В углах боковой поверхности бруска сделаны сквозные отверстия, предназначенные для пропускания сквозь них шпилек.
    Шпильки должны проходить сквозь отверстия свободно, без трения и слегка выступать за пределы бруска, так, чтобы на них можно было укрепить пластмассовые шарики (10), превратив тем самым брусок в легкоподвижную тележку.
   Чувствительный динамометр изготовлен из пружинящей стальной полоски (11), укрепленной на жестком плоском основании (12). К плоской пружине крепится прочная нить (13), которая пропускается через фиксатор (14). Динамометр предварительно градуируется либо в условных единицах, либо в единицах силы.
   Резиновый динамометр представляет собой плоскую шкалу (15) к одному концу которой может быть прикреплена тонкая (круглая или плоская) резина (16). Другой конец резины пропускается сквозь направляющую (17). К резине крепится стрелочный указатель (18). Шкала такого динамометра является нелинейной.
   Чувствительность динамометра определяется толщиной резины и длиной участка от точки крепления до указателя. В связи с этим, желательно планку, на которой крепится резина, сделать длинной.
   Блок (18), осью которого служит винт М4 (19). Блок предназначен для крепления на металлическом уголке одной из досок, поэтому в уголке имеется соответствующее отверстие, а к винту прилагается две гайки (20).
   Набор шаров, состоящий из четырех одинаковых пластмассовых (21), и двух стальных - малого и большого - шаров.
   Сюда же относится кусок пластилина (22), из которого также можно изготовить шар или укрепить его на одном из уже имеющихся шаров.
   Пластмассовые шары должны иметь отверстия такого диаметра, чтобы в них с трением входили шпильки (23).
   Все большие шары должны иметь по крайней мере одно сквозное отверстие для пропускания сквозь него нитей (24). Нити имеют на концах петли или крючки (25).
   В комплект входит три нити, одна длинная и две короткие. Длина коротких нитей должна быть строго одинаковой. Она определяется размерами используемого в работах штатива из тех соображений, что нити служат в первую очередь для изготовления баллистического маятника (26) и установки для исследования процесса удара шаров (27).
   Если вертикально расположенную доску с укрепленным на ее конце блоком, поднять на максимально возможную высоту, то длинная нить, должна растягиваться от блока до пола.
   Набор грузов (28) должен быть таким, чтобы каждый груз мог свободно входить в легкое ведерко (29) с коромыслом (30) и независимо от ведерка укрепляться на нити (31).
   Две спиральные пружины, одна из которых имеет слегка разведенные витки (29), а другая, напротив, скручена таким образом, что витки плотно прижимаются друг к другу (30).
   Стержень с утолщением на конце (31) и сквозным отверстием около этого утолщения (32), трубка (33), в которую свободно может входить стержень и тонкая резина (34) дают возможность изготовить пистолет для стрельбы маленьким шариком (35).
   Для крепления различных приспособлений в штативе предназначены два изогнутых под прямым углом стержня (36) и небольшой отрезок трубки с нарезным отверстием в боковой поверхности для ввинчивания в него одного из стержней (37).
   Из элементов конструктора можно собирать лабораторные установки, соответствующие многим из перечисленных ранее сюжетов.
   Из трубки (38), стержня с утолщением (39) и резинки (40) можно изготовить пистолет (41). Закрепить пистолет можно с помощью доски (42), пропустив в ее отверстие трубку и резину.
   Из пистолета можно производить выстрел в отверстие бруска (43).
   Брусок при этом может быть подвешен на нитях (44), лежать на горизонтальной поверхности, быть превращенным в легкоподвижную тележку.
   Из пистолета можно производить выстрел под углом к горизонту. В качестве мишени можно использовать ведерко или шарик, подвешенный на нити (45).
   Шарики можно использовать для изучения упругого и неупругого ударов (46), для изготовления нитяного маятника, в качестве уравновешивающих друг друга грузов при изучении движения связанных тел в вертикальной плоскости (47).
   Продернув нить через трубку (48) и привязав к одному из ее концов шарик (49), а к другому ведерко с грузом (50), можно изучать вращательное движение тела и эффекты, связанные с этим движением.
   Здесь необходимо только освоить саму технику вращения, счета числа оборотов, перехвата нити по окончании опыта для измерения ее длины.
   Из досок можно изготовлять наклонные (51) и горизонтальные плоскости (52) и двигать по ним брусок (53) или тележку (54), катать шарик.
   Конструктор как раз и предназначен для того, чтобы из его деталей самостоятельно или с подсказками можно было собрать как можно больше экспериментальных установок (55, 56).
   В другом варианте конструктора использовались иные технические решения крепления досок, подвесов, блоков. Это позволило несколько иначе собирать экспериментальные установки (см. фотографии 57-60), что никак не отразилось ни на перечне, ни на идее выполнения лабораторных работ.
   Существенно отличающийся от описанного, автономный конструктор был разработан нами совместно с С.В.Таныгиным. С.В.Таныгину принадлежит техническое решение элементов конструктора, его дизайн и изготовление опытных экземпляров. Электронная часть конструктора по нашему заказу была изготовлена А.И. Зизевских.
   В 1993-1999 годах конструктор использовался на занятиях творческого спецпрактикума в Барнаульском государственном педагогическом университете. В 1996 году все работы, предусмотренные конструктором, детально проделали на факультативных занятиях по физике учащиеся 9 класса средней школы N 112 г. Барнаула С. Купряхин, В. Шовкун и А. Фараносов. Результаты работы с конструктором говорят о его работоспособности и возможности использования как в средней, так и высшей школе.
   Данный вариант конструктора размещается в небольшом чемоданчике (1).
   Предполагалось, что работа с конструктором не должна требовать каких-либо дополнительных элементов, не входящих в его комплект. В связи с этим, в чемоданчике находились рулетка (2), транспортир (3), линейка с миллиметровыми делениями (4).
   Для удобства и быстроты вычислений на передней панели приведенного в рабочее состояние чемоданчика смонтирован программируемый микрокалькулятор (5).
   На этой же панели располагались кнопки "Пуск", "Стоп", "Сброс" (6) электронного секундомера и кнопки установления временных интервалов таймера (7).
   При нажатии первой, второй, третьей кнопок устанавливается время 1,2,3 секунды, соответственно. При нажатии первой и третьей кнопок одновременно - 4 секунды, второй и третьей одновременно - 5 секунд, первой, второй и третьей одновременно - 6 секунд.
   Блок индикации времени (8) крепится на откидной крышке чемоданчика.
   Электропитание микрокалькулятора, секундомера, других элементов конструктора осуществляется от сети переменного тока напряжением 36 В (в последующем понижаемом и выпрямляемом), которое подается к чемоданчику с помощью переходного шнура (9), снабженного с одной стороны плоской вилкой (10).
   Одним из основных элементов конструктора является складной швеллер (11).
   На одном конце швеллера стационарно крепится электромагнит (12).
   На этом же конце швеллера можно закреплять легкий, вращающийся в подшипнике блок (13).
   На другом его конце сделана прорезь (14) для крепления концевых контактов (15).
   С помощью металлических стержней (16), соединительных (17) и упорных колодок (18), из швеллера можно изготовить горизонтальную (19) или наклонную (20) плоскость, аналог машины Атвуда (21).
   Вертикально установленный швеллер с электромагнитом и концевыми контактами можно использовать не только для измерения ускорения свободного падения (22), но и для запуска уравновешивающих или не уравновешивающих друг друга грузов (23).
   При этом, швеллер можно расположить таким образом, чтобы рабочей была вся его широкая плоскость или вертикально расположенные бортики. В первом случае по поверхности можно двигать бруски (24). Во втором случае по бортикам может двигаться легкоподвижная тележка (25).
   Для крепления шаров, подвешенных на нитях, баллистического маятника, в качестве которого выступает все та же тележка (26), или отдельный цилиндр, используются металлические стержни (27), вворачиваемые в откидную крышку чемоданчика (28).
   Для стрельбы под углом к горизонту, или в горизонтальном направлении, в конструкторе используется баллистический пистолет, изготовленный по образцу промышленного и смонтированный на П-образной панели (29).
   На оси, вставляемой в центр открытого чемоданчика, можно крепить фанерный диск (30). Диск приводится во вращательное движение с помощью микроэлектродвигателя (31). Соединение микроэлектродвигателя с диском осуществляется посредством магнитофонного пассика (32).