Методика изучения электродинамики в школьном курсе физики

4) В промежутках между соударениями электроны движутся совершенно свободно.

5) Электроны проводимости рассматривают как электронный, газ, подобно идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы, этому же закону подчиняется и электронный газ.

Трудности классической электронной теории связаны с тем, что: а) электроны проводимости не подчиняются законам статистики Максвелла-Больцмана; б) не учитывается взаимодействие электронов друг с другом; в) не учитывается, что электроны движутся в периодическом поле кристаллической решетки; г) движение электронов описывается не законами классической механики, а законами квантовой механики.

На смену классической электронной теории пришла квантовая теория твердых тел.

Скорость распространения электрического тока в проводниках- это скорость, с которой распространяется действие электрического поля на заряды в проводнике. Поле почти мгновенно (со скоростью, близкой к скорости света) увлекает электроны в упорядоченное и очень медленное движение (доли мм/с).

Средней скоростью упорядоченного движения электронов под действием электромагнитного поля определяют силу тока в проводнике: чем больше скорость упорядоченного движения электронов, тем большее число электронов пройдет через поперечное сечение проводника S в единицу времени:

Школьники должны четко представлять себе различие между скоростью теплового хаотического движения электронов и скоростью дрейфа.

Как известно, явление сверхпроводимости может быть объяснено только в квантовой физике. В школе материал о сверхпроводимости излагают в ознакомительном плане.

К ИЗУЧЕНИЮ ПРОВОДИМОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД

Особенности и закономерности прохождения электрического тока через различного рода твердые, жидкие и газообразные вещества, вопросы практического использования электрического тока излагают в теме «Электрический ток в различных средах».

Наиболее подробно изучают электрический ток в металлах и электролитах, здесь дают количественные зависимости, решают задачи. Весь остальной материал изучают практически на качественном уровне. Последовательность рассмотрения материала темы может быть различной. Порядок изложения вопросов определяется методическими соображениями. Например, при изучении материала в таком порядке: металлы - Вакуум -полупроводники - газы - электролиты - за основу берут последовательный переход от сред, проводимость которых обусловлена электронами, затем - электронами и дырками и, наконец, электронами и ионами, только ионами. Традиционная последовательность: металлы - электролиты - газ - вакуум - полупроводники - отражает исторический путь изучения и использования в технике особенностей прохождения тока через различные среды.

Программа одиннадцатилетней средней школы предлагает следующую последовательность: электрический ток в металлах, электрический ток в полупроводниках, ток в вакууме, в электролитах и газах. Здесь изучение полупроводников идет после изучения проводимости металлов, что подчеркивает важность полупроводников в современной технике. Целесообразно придерживаться последней рекомендации изучения материала темы.

Учет современных психолого-педагогических концепций о создании общей ориентировки, систематизации и обобщении знаний обусловливает необходимость рассмотрения проводимости различных сред по единому плану или, другими словами, по единой методической модели: 1) выяснить природу носителей заряда, особенности их движения; 2) ввести вольт-амперные характеристики; 3) объяснить закономерности, которым подчиняется ток в данной среде; 4) отметить явления, сопровождающие прохождение тока в данной среде; 5) показать практическое применение тока в данной среде, устройство и принцип действия различных приборов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСНОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Основная цель изучения свойств проводников в школе - доказать и объяснить отсутствие заряда и электрического поля внутри заряженного проводника или проводника, помещенного в электрическое поле; показать практическое применение электростатических явлений. Наличие свободных зарядов приводит к тому, что при электризации проводника сообщенный ему заряд будет распределяться до тех пор, пока в любой точке внутри проводника напряженность поля, создаваемого данным распределением зарядов, не станет равной нулю. При внесении незаряженного проводника в электрическое поле свободные электрические заряды приходят в движение - происходит перераспределение зарядов.

Свойства диэлектриков выявляют при рассмотрении процессов электризации вещества. Диэлектрические характеристики вещества во многих отношениях формально сходны с магнитными. Существуют атомы и молекулы с постоянными магнитными моментами, так же как и атомы (молекулы) с постоянными электрическими моментами. Ряд материалов обладает спонтанной намагниченностью (ферромагнетики), точно так же как некоторые вещества обладают спонтанным электрическим моментом (сегнетоэлектрики). Намагничивание, как и поляризация, может носить либо ориентационный, либо наведенный характер.

Диэлектрики при внесении их в электрическое поле поляризуются, в результате чего в них возникают связанные заряды. Существенное изменение претерпевает и само поле. Диэлектрическую проницаемость е вводят при рассмотрении вопроса о поведении диэлектриков в электрическом поле. Тогда можно показать на опыте изменение напряженности в конденсаторе при внесении между его пластин диэлектрика, т. е. е=E0/E (E0- напряженность электрического поля в вакууме, E-в данной среде).

При изучении курса физики в X классе учащимся сначала на опытах показывают различие свойств диа-, пара- и ферромагнетиков, а затем уже дают объяснение. Для объяснения процессов намагничивания и для характеристики магнитных свойств вещества предполагается познакомить десятиклассников с понятием относительной магнитной проницаемости м и вектором намагничивания. Перед тем как разбирать свойства ферромагнетиков и анализировать кривую намагничивания ферромагнитных образцов, целесообразно рассмотреть графики намагничивания диа- и пара-, магнетиков и сформулировать их основные свойства. Все это позволит сразу же подчеркнуть особые свойства ферромагнетиков

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

При изучении электромагнитных колебаний школьников нужно постоянно привлекать к использованию аналогий, к экспериментальной проверке выводов по аналогии. Поскольку колебания различной природы подчиняются общим закономерностям, то аналогии используют при сопоставлении свободных колебаний в механических и электрических системах, вынужденных колебаний и резонансных явлений в этих системах и т.д.

При изучении электромагнитных колебаний обращают внимание школьников на то, какие величины в этом процессе «колеблются» (заряд конденсатора, ток в контуре, напряжение на конденсаторе и катушке, ЭДС самоиндукции), какие превращения энергии в нем происходят. Предлагают вспомнить основные признаки любой колебательной системы и задают вопросы: что считать устойчивым положением равновесия в этой системе (разряжен конденсатор, нет тока в контуре), фактором, возвращающим систему в это положение, если она была из него выведена (заряженный конденсатор создает электрическое поле, которое вызывает ток в контуре, разряжающий конденсатор), и фактором «инертности», обеспечивающим прохождение положения равновесия «по инерции» (индуктивность катушки, благодаря которой конденсатор не разряжается сразу, а перезаряжается и тем самым обеспечивается периодичность процесса).

В качестве упражнения для более основательного усвоения физической сущности электрических колебаний в контуре полезно рядом с рисунками, изображающими колебательный процесс в, контуре через каждую 1/4 периода, показать соответствующие состояния механической колебательной системы (горизонтальный и вертикальный пружинные маятники, математический маятник). Далее учащимся предлагают самим составить таблицу, показывающую аналогию между величинами в механической и электрической колебательной системах.

Затем получают формулу для периода собственных колебаний в контуре. Как известно, это можно сделать несколькими способами: используя аналогию между величинами, характеризующими механическое и электрическое колебания, или используя закон сохранения энергии для идеального колебательного контура. Возможны и иные подходы.

Находим выражение для собственной частоты и периода колебаний в контуре:

и

Целесообразно провести экспериментальную проверку полученных результатов. Изменяя индуктивность катушки и электроемкость батареи конденсаторов, наблюдают изменение собственной частоты колебаний в контуре. Изменяя напряжение, подаваемое на конденсатор, наблюдают изменение амплитуды колебаний в контуре. С помощью реостата, включенного в цепь контура, можно проиллюстрировать также влияние затухания на период (частоту) и амплитуду колебаний. После того как получено уравнение гармонических колебаний в контуре

вводят (если это не было сделано ранее) понятие фазы колебания.

Следует иметь в виду, что фаза - понятие большой общности, применимое к колебаниям любой природы. Физический смысл фазы заключается в том, что она позволяет характеризовать состояние колебательной системы в любой момент времени.

Анализируя выражение показывают, что значение колеблющейся величины q в любой момент времени t определяется аргументом функции (щt+ц0), который в этом уравнении и представляет собой фазу колебания в любой момент времени, а ц0 - начальная фаза колебания при t= 0. Зная время в секундах или долях периода, можно.

АВТОКОЛЕБАНИЯ

Автоколебания представляют собой незатухающие колебания в реальных колебательных системах, которые поддерживаются за счет внешнего источника энергии, причем поступление энергии регулируется самой колебательной системой. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия.

Изучение свободных колебаний в контуре завершает рассмотрение затухающих электрических колебаний. Выясняют причины затухания. После этого логично сделать переход к колебательным системам, в которых колебания с частотой, равной собственной частоте колебаний системы, происходят как угодно долго за счет внешнего источника энергии, т. е. к автоколебательным системам.

Вначале учащиеся вспоминают то общее, что присуще таким колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники, колебательный контур: в них могут возникать свободные колебания, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализированных системах они являются незатухающими, гармоническими. В этом случае их частота определяется свойствами самой системы, а амплитуда зависит от начальных условий. Эти моменты вспоминают с помощью уже известных демонстраций, которые здесь имеет смысл повторить. Демонстрируя работу маятника в часах, учащимся предлагают самим определить, какой вид колебаний имеет здесь место, назвать основные части этой колебательной системы: маятник (колебательная система), поднятая гиря (источник энергии), храповое колесо с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энергии от источника в систему). Устройство анкерного механизма, обеспечивающего поступление энергии от гири к маятнику, можно рассмотреть подробнее, если эту часть прибора показать в теневой проекции.

Вся проведенная работа ставит своей целью подготовить учащихся к рассмотрению электромагнитных автоколебаний, которые, как показывает практика преподавания, оказываются достаточно сложным для школьников материалом. Вначале рассказывают о том, что автоколебательные электромагнитные системы нашли широкое применение в радиотехнике, в частности в генераторах незатухающих электромагнитных колебаний высокой частоты.

Программа одиннадцатилетней средней школы в качестве электромагнитной автоколебательной системы предусматривает рассмотрение генератора на транзисторе.

Показывают колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58. В качестве источника энергии служит батарея напряжением 4,5 В, роль «клапана» играет транзистор, в качестве обратной связи используют катушку от универсального трансформатора (на 12 В), концы которой соединяют с базой и эмиттером транзистора. Колебательный контур включен в цепь коллектора. Катушку контура и катушку обратной связи размещают на общем магнитопроводе из того же комплекта универсального трансформатора. Напряжение с контура подают на электронный осциллограф ОЭШ.

Выделяя элементы установки и выясняя их роль в работе генератора. Изменяют электроемкость батареи и наблюдают изменение частоты колебаний генератора. Изменяют индуктивность катушки (например, медленно поднимая ее по магнитопроводу), наблюдают тот же эффект. Делают вывод: частота колебаний генератора зависит от параметров самой колебательной системы. Амплитуда колебаний также зависит от самой системы. Можно продемонстрировать эту зависимость, включив последовательно в цепь контура переменное сопротивление: амплитуда колебаний генератора уменьшится.

Объясняют, что при замыкании ключа через транзистор от источника энергии проходит импульс тока, которым заряжается конденсатор контура. В контуре при разрядке конденсатора возникают свободные затухающие колебания.

Предлагают школьникам разобраться в энергетических превращениях в демонстрируемой автоколебательной системе: чтобы колебания в контуре были незатухающими, источник напряжения должен периодически к нему подключаться, возмещая потери энергии в этом контуре. Это достигается тем, что контур индуктивно связан с участком «эмиттер - база» через катушку обратной связи.

Роль катушки обратной связи иллюстрируют на опыте: поменяв местами провода, идущие к катушке обратной связи, убеждаются в отсутствии, колебаний в контуре генератора. Восстановив прежнюю схему, можно увидеть, что генератор вновь работает. Делают вывод: пульсирующий ток в коллекторной цепи увеличивает или уменьшает силу тока в контуре в зависимости от того, в какие моменты открывается транзистор (а транзистор открывается и закрывается той переменной ЭДС, которая наводится в катушке обратной связи). Соответственно пульсации коллекторного тока либо совпадают с изменением тока в контуре (и тем самым усиливают его), либо оказываются противоположными (и ослабляют (гасят) ток в этом контуре). Поэтому генерация колебаний возможна только при определенном подключении катушки обратной связи.

Поднимая катушку обратной связи по магнитопроводу, наблюдают на осциллограмме уменьшение амплитуды колебаний. Это объясняют тем, что связь катушки становится слабее с контуром и тем самым уменьшается наводимая в ней ЭДС. Если связь станет еще слабее, колебания в контуре затухнут, так как при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур за период, оказывается меньше потерь энергии в контуре.

ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

После изучения свободных электрических колебаний и автоколебаний школьников знакомят с вынужденными электрическими колебаниями. Начинают знакомство с колебаний низкой частоты, основной областью применения которых является электротехника.

Важно, чтобы учащиеся воспринимали переменный ток именно как процесс вынужденных электрических колебаний в цепи. При этом можно проверить справедливость тех закономерностей, которые были уже установлены, для механических вынужденных колебаний (соотношения между частотой источника и частотой собственных колебаний цепи, явление резонанса и т.д.), и тем самым более прочно усвоить их. В то же время должны быть усвоены понятия, специфичные именно для цепей переменного тока: действующие значения тока и напряжения, их отличие от мгновенных, максимальных и средних значений этих же величин, физическая сущность активных и реактивных сопротивлений и способы их вычисления и экспериментального определения, принципиальное устройство генераторов переменного тока, преобразование переменного тока с помощью трансформатора и др.

В начале изучения переменного тока целесообразно повторить условия возникновения свободных колебаний в контуре, обратив особое внимание на затухающий характер этих колебаний. С помощью осциллографа учащиеся наблюдают незатухающие колебания напряжения в осветительной сети и делают вывод о синусоидальном характере его изменения. Записывают выражения для мгновенного значения напряжения в любой момент времени:

U=Umcos(щt+ц0).

Сообщают, что далее будем изучать переменный ток - электрические колебания, возникающие в цепи под действием гармонически изменяющегося напряжения.

Если, не изменяя приложенного к участку цепи напряжения, изменить переключателем его полярность, то изменившееся направление напряженности вызовет ток противоположного направления той же величины (в опыте участком цепи должен быть элемент с линейным сопротивлением). Таким образом, учащихся подводят к пониманию того, что если на концах цепи напряжение меняется по знаку и модулю (в частности, по гармоническому закону), то в этой цепи меняется напряженность электрического поля внутри проводника и по такому же закону, с той же частотой изменяется сила тока в цепи.

Далее рассматривают активные и реактивные сопротивления в цепи переменного тока. Активное сопротивление в цепи переменного тока вызывает необратимые потери энергии (на нагревание, излучение, перемагничивание сердечника и др.). В изучаемых цепях переменного тока низких частот потери мощности на активном сопротивлении связаны в основном с нагреванием, а другими дополнительными потерями можно пренебречь.

Изучение цепей переменного тока с активным, емкостным и индуктивным сопротивлениями происходит в следующей логической последовательности: сначала дается понятие о том или ином виде сопротивлений в цепи переменного тока (сравнение с его поведением в цепи постоянного тока), затем фазовые соотношения, формула соответствующего сопротивления, преобразования энергии в цепи, содержащей только активное, емкостное или индуктивное сопротивление.

Последовательность изучения сопротивлений в цепи переменного тока может быть и несколько иной.

Понятие действующего значения силы тока и напряжения можно ввести так: вначале выводят выражение для расчета мгновенных значений мощности на активном сопротивлении, отсюда находят среднее значение мощности за период и выясняют, что есть среднее значение квадрата силы тока за период. Вводят определение: корень квадратный из этой величины называют действующим значением переменного тока. Название связано с тем, что при прохождении такого тока по участку с активным сопротивлением выделяется мощность

Такая же мощность выделяется в цепи постоянного тока, величина которого равна действующему значению переменного тока. Итак, действующим значением переменного тока является такое значение постоянного тока, которое в резисторе R выделяет такое же количество теплоты, что и переменный ток.

Очень важно отметить, что шкалы электроизмерительных приборов, для измерения переменных силы тока и напряжения градуируют именно в действующих значениях этих величин.

Рассмотрение цепи переменного тока со смешанным сопротивлением начинают с эксперимента - измеряют напряжение на каждом из последовательно включенных элементов цепи (лампе, катушке и батарее конденсаторов), подключенных к источнику переменного напряжения. Обращают внимание на следующие опытные факты:

1. Общее напряжение не равно сумме напряжений на отдельных участках, как это имело место для цепей постоянного тока.

2. Напряжение на участке, включающем в себя катушку и конденсатор, равно не сумме, а разности напряжений на каждом из них в отдельности. Объяснить этот результат можно предложить самим учащимся; им известно, что на индуктивности напряжение опережает ток на р/2, а на электроемкости отстает от него на ту же величину. Так как мгновенное значение силы тока в цепи всюду одно и то же, то ясно, что колебания напряжения на индуктивности и электроемкости происходят со сдвигом фаз, равным р, т. е. их фазы противоположны.

3. Полное сопротивление цепи меньше суммы всех включенных в нее сопротивлений (активного, индуктивного и емкостного). Учащихся нужно убедить, что чем меньше сдвиг фаз между током и напряжением, тем большую часть мощности, подводимой к цепи, используют полезно, необратимо превращая в другие виды энергии.

Далее рассматривают устройство и работу трансформатора. На примере однофазного трансформатора показывают его действие (повышение и понижение напряжения) и устройство. Вначале рассматривают режим холостого хода, а затем нагруженного трансформатора. В качестве нагрузки целесообразно использовать реостат, так как им проще изменять нагрузку. Показывают, что при увеличении нагрузки возрастает сила тока как во вторичной, так и в первичной обмотке трансформатора. Учащимся предлагают самим с энергетических позиций объяснить возрастание силы тока в первичной цепи (увеличение потребления энергии на нагрузке естественно должно сопровождаться увеличением потребления энергии первичной обмоткой от генератора).

Для изучения электромагнитных колебаний широко используется школьный прибор- звуковой генератор школьный ГЗШ. Он перекрывает диапазон генерируемых частот синусоидальных колебаний от 20 до 20000 Гц с диапазонами: «X1» (от 20 до 200 Гц), «X10» (от 200 до 2000 Гц), «X100» ( от 2000 до 20000 Гц), питается от сети переменного тока напряжением 220 В. На лицевую панель генератора выведены тумблёр включения генератора в сеть, сигнальная лампочка, переключатель поддиапазонов на три фиксированных положения, отмеченных «X1», «X10», «X100», диск с неравномерной шкалой деления (от 20 до 200) ручка переменного резистора, позволяющая менять амплитуду выходного сигнала, выходные зажимы, рассчитанные на подключение цепей с разным сопротивлением (5, 600, 5000 Ом).

Рис. 5

Если для опытов необходимы частоты 20 - 200 Гц, то переключатель устанавливают в положение «X1» если 200 - 2000 Гц - в положение «X10», а для частот 2000 - 20000 Гц используют положение «X100». Плавную регулировку частоты осуществляют поворотом диска.

Так же широко используются выпрямители ВУП-1 и ВУП-2

Рис. 6

ВУП-2 предназначен для обеспечения питанием демонстрационных установок в опытах по электричеству.

Технические данные: Прибор позволяет получить на выходных зажимах: выпрямленное напряжение 350В при максимальной силе тока 220мА;

постоянное отфильтрованное напряжение 250В при максимальной нагрузке 50мА; регулируемое напряжение от 0 до 250В постоянного тока до 50мА; регулируемое напряжение от 0 до +100В и от 0 до-100В постоянного тока до 10мА; напряжение 6.3В переменного тока до 3А.

Еще один источник питания без которого практически невозможно осуществлять многие опыты по электричеству РНШ.

Рис. 7

Регулятор напряжения школьный предназначен для плавного регулирования напряжения однофазного переменного тока с частотой 50 Гц, при проведении лабораторных и демонстрационных опытов в физических кабинетах школ. Прибор присоединяется к сети выводным шнуром. Прибор можно включить в сеть напряжением 127 и 220В. Рабочее напряжение снимается с зажимов, обозначенных «Выходное напряжение».

В целях правильной эксплуатации регулятора напряжения в паспорте прибора приведена таблица допустимых значений электрической мощности нагрузки регулятора при разных напряжениях, подаваемых на нагрузку, и при сетевых напряжениях 127 и 220В.

Установленный в регуляторе напряжения вольтметр имеет неравномерную шкалу. Достоверный отсчет можно вести только при 50В. В случае необходимости снимать с регулятора более низкие напряжения нужно параллельно выходным зажимам подключать дополнительный вольтметр с соответствующим пределом измерения.

Регулятор напряжения может быть использован как для повышения, так и для понижения напряжений переменного тока, при разных демонстрационных и лабораторных опытах

Для наглядного отображения электромагнитных колебаний применяют школьные осциллографы ОДШ-2 и ОЭШ-70.

Рис. 8

Наиболее широко применяют осциллографы для исследования периодических процессов, а также для изучения вольтамперных характеристик диода и триода, петли гистерезиса и др. В простейшем случае осциллограф состоит из четырех блоков: блока электронно-лучевой трубки ЭЛТ, генератора развертки ГР, усилителя исследуемого сигнала УС и блока питания БП . Основным элементом первого блока является электронно-лучевая трубка, на экране которой формируется картина исследуемого сигнала (осциллограмма). Нить накала НН подогревает катод К, с поверхности которого вылетают электроны. Электроны, пролетев через отверстия управляющего электрода, фокусирующего цилиндра ФЦ и анода А, а также между пластинами XX и УУ, попадают на экран и вызывают его свечение. Изменением разности потенциалов между катодом и управляющим электродом можно менять число электронов в пучке, а это позволяет регулировать яркость изображения на экране. Чем больше по модулю отрицательный потенциал на управляющем электроде относительно катода, тем меньше электронов пройдет через управляющий электрод и достигнет анода. Осциллограф снабжен ручкой «яркость» для управления потоком электронов в пучке.

Электрическое поле между фокусирующим цилиндром и анодом способно фокусировать расходящийся электронный пучок. Обычно на передней стенке смонтированы выключатель сети, сигнальная лампочка, зажимы «Вход У», «Вход X» и делитель входного сигнала. На боковую панель выведены ручки управления электронным пучком, «Синхронизация», «Внутр. - от сети - внешн.», «Усиление», ручки развертки, «Диапазоны 0, 30, 150, 500 Гц, 2, 8, 16 кГц», «Частота плавно», а также ручки усиления сигнала «Усиление У», «Усиление X». Осциллограф ОДШ-2 отличается от ОЭШ-70 конструктивно и внешним оформлением. На переднюю панель выведен не только экран электронно-лучевой трубки, но и основные ручки управления. Верхний ряд ручек предназначен для управления электронным пучком: «Яркость», «Фокус», «Вверх-вниз», «Влево-вправо». Во втором ряду сверху смонтированы ручки управления усилителем «Усиление У» и делитель напряжения 1:1, 1:10, 1:30, 1:1OO, 1:1000, а также выключатель сети с сигнальной лампочкой. В третьем ряду сверху расположены ручки и кнопки генератора развертки: «Частота плавно», «Вкл. 1, 2, 3, 4», «Усиление X». Кнопочный переключатель позволяет менять пилообразное напряжение частотой от 20 Гц до 20 кГц. Генератор развертки работает только при нажатой кнопке «Вкл». В нижнем ряду расположены зажимы «Вход У», «Вход X», «Внешн. синхр», кнопки синхронизации «Внешн.», «Внутр.» и ручка синхронизации.

На боковую панель осциллографа ОДШ-2 выведены ручки управления двухканальным коммутатором с двумя входами. Коммутатор позволяет наблюдать на экране осциллографа одновременно сигналы от двух источников переменного тока. Если частоты источников одинаковы, то по полученным осциллограммам можно судить о сдвиге фаз поданных сигналов. Например, на один вход можно подать сигнал, пропорциональный напряжению на конденсаторе, а на другой - пропорциональный силе тока, текущего через конденсатор. Тогда на экране осциллографа можно наблюдать две синусоиды, сдвинутые по фазе на 90°. Применяя коммутатор, можно сравнивать частоту исследуемого сигнала со стандартной частотой, если эти сигналы отличаются по частоте. На задней стенке осциллографов ОДШ-2 и ОЭШ-70 смонтированы гнезда, позволяющие подавать исследуемый сигнал непосредственно на пластины электронно-лучевой трубки. Возможность подавать исследуемый сигнал непосредственно на пластины позволяет применить осциллограф и для цепей постоянного тока. Подавая сигнал постоянного напряжения на пластины XX (или УУ) при отключенной развертке, можно наблюдать смещение светящейся точки по горизонтали (или вертикали), причем отклонение этой точки пропорционально приложенному напряжению. Следовательно, осциллограф можно применить как вольтметр с большим внутренним сопротивлением.

Для усиления электромагнитных колебаний применяют усилители низкой частоты. Усилитель низкой частоты - электронный прибор. Предназначенный для усиления электрических колебаний звуковой частоты от 20 Гц до 20 кГц. Обычно усилитель состоит из нескольких блоков: предварительного усилителя напряжения, усилителя мощности, согласующего выходного трансформатора и блока питания. Для школ выпускаются усилители разной конструкции и отличающиеся по внешнему виду.

Усилитель УНЧ-3 на лицевой панели имеет ручку регулятора громкости и сигнальную лампочку. Ручкой регулятора громкости производят также включение и выключение сети. В крайнем левом положении ручки при повороте против часовой стрелки прибор отключен. Включение осуществляют поворотом ручки по часовой стрелке после щелчка. Так как усилитель собран на электронных лампах, то он начинает работать после их прогрева.

На боковой стенке смонтированы три входных гнезда: для подключения М - микрофона, АД - адаптера, Л - линии. Нижние гнёзда соединены с корпусом прибора. На задней стенке имеются две пары гнёзд: Гр - для подключения громкоговорителя (низкоомный выход) и Л - высокоомный выход. Здесь же имеются вывод сетевого шнура с вилкой и октальная панель, в которую вставлена специальная вилка с предохранителем (на 0,5 А) для сети с напряжением 220 В. Вилку можно устанавливать в двух положениях: «220 В» и «127 В».

Усилитель УНЧ-5 собран на транзисторах. На лицевой панели усилителя смонтирован выключатель сети с индикаторной лампочкой, гнезда выхода, гнезда входа для микрофона и звукоснимателя, разъем для подключения микрофона, ручки регулировки тембра по низкой и высокой частоте, ручка регулировки уровня сигнала, индикатор перегрузки. На задней стенке имеются вывод сетевого шнура с вилкой и предохранитель (на 0,5 А).

На вход усилителя могут подаваться сигналы не только с микрофона и звукоснимателя, но и от других датчиков электрических колебаний напряжением от нескольких милливольт до вольт (сигналы с элементов цепи переменного тока, звукового генератора и т.д.). К выходу усилителя можно подключить не только громкоговоритель, но и другие приборы: осциллограф, измерительные приборы переменного тока, головные телефоны и пр. Потребляемая усилителем мощность не более 40 Вт, выходная - около 5 Вт.

Запрещается при эксплуатации усилителя менять предохранитель, разбирать и ремонтировать прибор, включенный в сеть.

Усилитель на вертикальной панели входит в комплект демонстрационных приборов по радиотехнике. Слева смонтированы универсальные зажимы входа усилителя. Первая лампа работает в режиме усиления напряжения, вторая - как усилитель мощности. В анодную цепь второй лампы включен согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с зажимами низкого и высокого выходного напряжения. Три нижних зажима служат для подключения питания от ВУП -2, на два нижних зажима подаётся напряжение переменного тока 6,3 В для питания накала ламп, а на средний и третий снизу - напряжение постоянного тока 250 В для анодной цепи ламп, причём на третий снизу зажим подаётся положительный потенциал. Подключение блока питания и сборку установок с усилителем на панели запрещается выполнять при включённом в сеть выпрямителе ВУП-2.

В демонстрационных установках предпочтение следует отдавать усилителю УНЧ-5.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И МЕТОДИКА ИХ ИЗУЧЕНИЯ

В программе одиннадцатилетней школы тема «Электромагнитные волны» охватывает большой круг вопросов: электромагнитные волны и их свойства, вопросы радиосвязи, световые волны и электромагнитные излучения, разных длин волн.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА

Изучение понятия электромагнитной волны начинают с рассмотрения взаимосвязи переменного электрического и переменного магнитного полей.

Электромагнитная волна-это процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве с конечной скоростью. Существование электромагнитных волн предсказал еще в 1832 г. М. Фарадей, а в 1865 г, Дж. Кл. Максвелл теоретически показал, что электромагнитные колебания должны распространяться в вакууме со скоростью света.

В электромагнитной волне вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции перпендикулярны друг другу, кроме того, они лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, т. е. вектору скорости волны. Это дает основание утверждать, что электромагнитные волны- поперечны. Направление распространения волны определяют

Вектор напряженности электрического поля Е и вектор магнитной индукции В колеблются в одной фазе, т. е. одновременно превращаются в нуль и одновременно достигают максимума. Эти сведения дают возможность изобразить графически изменения вектора напряженности электрического поля Е и вектора магнитной индукции B и направление распространения волны, показать направление скорости. На этом же графике можно отметить длину волны.

Из решения волнового уравнения в теории Максвелла вытекало, что фазовая скорость электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Переменное электрическое поле напряженностью Е порождает переменное магнитное поле с индукцией В, электромагнитная волна переносит энергию.

Импульс электромагнитной волны мал. Прямые измерения светового давления впервые были произведены замечательным русским ученым П. Н. Лебедевым в 1900 г. Доказательством наличия импульса у электромагнитного излучения служит поведение хвостов комет: из-за радиационного давления хвосты комет направлены от Солнца.

Свободное электромагнитное поле обладает не только энергией и импульсом, но и массой. Поскольку энергия равна Е=mс2, а скорость света велика, то даже весьма значительной энергии поля соответствует очень малая масса. Например, масса, соответствующая энергии, излучаемой очень мощной радиостанцией (500 кВт) в течение часа, равна 0,02 мг.

Электромагнитную природу имеет чрезвычайно широкий круг излучений. Можно говорить о непрерывном ряде излучений, простирающихся от радиоволн до гамма-лучей, т. е. о спектре или шкале электромагнитных излучений. Названия для излучений, лежащих в различных участках спектра, сложились исторически. Они фактически дают классификацию источников излучения.

При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из следующих путей:

1. Вначале рассматривают распространение электромагнитной волны вдоль двухпроводной линии, а затем, развертывая концы этой линии, переходят к диполю, излучающему электромагнитные волны.

2. Рассматривают задачу о поле излучения точечного диполя (диполя Герца), а затем - сам вибратор Герца как систему точечных диполей, излучения которых складываются и дают излучение всего вибратора в целом.

3. Вскрывают недостатки закрытого колебательного контура как излучателя и, постепенно изменяя электроемкость его конденсатора и индуктивность катушки, переходят к открытому контуру- вибратору.

Показывают, что в открытом контуре, индуктивно связанном с контуром генератора незатухающих колебаний, возбуждаются вынужденные колебания той же частоты.

В методической литературе встречаются и другие предложения по изучению поля вокруг прямолинейного вибратора. При этом в качестве индикаторов магнитного поля предлагается использовать или ферритовый стержень с витком и лампочкой, или просто виток проволоки с низковольтной лампочкой (2,5 В; 0,075 А). Для изучения электрического поля вокруг вибратора предлагается использовать проводник, в середине которого помещают лампу накаливания. После данной демонстрации зарисовывают картину линий поля вокруг прямолинейного вибратора. Следует подробно остановиться на опытах Герца, которые явились экспериментальной проверкой выводов теории Максвелла. Их можно проиллюстрировать с помощью генератора ВЧ, излучающего волны длиной около 3 см.

Этим условиям удовлетворяет комплект приборов на базе генератора сантиметровых волн, разработанный Н. М. Шахмаевым. Совершенно ясно, что при использовании этого комплекта не следует в силу больших методических трудностей объяснять учащимся устройство и принцип работы генератора на клистроне. В тех опытах, которые предлагаются в работе, генератор выполняет служебную роль.

В работе требуется ознакомиться с методикой и техникой проведения демонстраций, устанавливающих наиболее важные свойства электромагнитных волн радиодиапазона.

Рис. 9

Учебный комплект с генератором сантиметровых волн (СВЧ) (рис. 29-1), в который входят следующие приборы и принадлежности: генератор сантиметровых волн (л = 3 см) с мультивибратором 1, приемник с рупорной антенной 2, приемник с дипольной антенной 3, призмы из диэлектрика - прямоугольная и треугольная 4, поляризационные решетки 5 - 2 шт., линза 6 из диэлектрика, металлические пластины 7 широкие и узкие - 4 шт., пластинка 8 из диэлектрика, диск металлический 9, держатели для пластин 10. Кроме того, к комплекту прилагаются четыре подставки.

Сверхвысокими частотами (СВЧ) называют частоты от 109 до 1012 Гц,

Генератор с мультивибратором (рис. 29-2) смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода смонтированы клистрон типа К-19 и радиолампа 6Н7С. Генератор дает остро направленное излучение электромагнитных волн длиной 3 см, модулированных колебаниями звуковой частоты 500 - 600 Гц.

Приемник с рупорной антенной (рис.; 29-3) также смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода установлена детекторная секция, внутри которой смонтирован кремниевый детектор типа - С7М.

Рис. 10

Детектор имеет возможность вертикально перемещаться для подстройки приемника. От детектора выведен одножильный экранированный шнур, снабженный двумя наконечниками для подключения к входным клеммам усилителя низкой частоты с громкоговорителем в качестве индикатора.

Приемник с дипольной антенной 3 смонтирован на пластмассовом держателе. Между бортиками держателя в горизонтальном положении укреплен кремниевый детектор ДК-С7М, имеющий контакты с экранированным проводом, оканчивающимся наконечниками.

Прямоугольная 4 и треугольная 5 призмы изготовлены из пластмассовых пластин. Внутренняя полость призм залита парафином.

Поляризационные решетки 6 представляют собой пластмассовые кольца с параллельными металлическими стержнями. Кольца могут скользить между металлическими скобами, что позволяет поворачивать их рукой вокруг горизонтальной оси. Плосковыпуклая линза 7 изготовлена из диэлектрика. Металлические пластины 8 прямоугольной формы, изготовленные из алюминия, и диэлектрическую пластину можно устанавливать в держателях 9.

Основная установка с комплектом показана на рисунке 267.

Рис. 11

Штепсельный разъем генератора соединяют с разъемом выпрямителя ВУП. После включения ВУП и прогрева ламп генератора он начинает излучать электромагнитные волны. Провод приемника с рупорной или дипольной антенной подключают на вход усилителя низкой частоты, на выходе которого может быть включен громкоговоритель, гальванометр переменного тока или осциллограф. При включенных приборах громкоговоритель издает звук частотой 500-600 Гц, громкость которого можно регулировать ручкой усиления УНЧ.

Комплект позволяет продемонстрировать излучение электромагнитных волн генератором, прохождение электромагнитных волн через диэлектрики, отражение и преломление электромагнитных волн, собирающее действие вогнутого зеркала и плосковыпуклой линзы, стоячие электромагнитные волны в пространстве, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, и др.

Ознакомьтесь с опытами по электромагнитным волнам, которые рассмотрены в пособии.

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Для электромагнитных волн характерны явления отражения, преломления, интерференции, дифракции, поляризации. Все они могут и должны быть продемонстрированы в средней школе. Это важно для последующего изучения этих явлений в случае световых волн.

С помощью генератора с длиной волны 3 см демонстрируют опыты, знакомящие учащихся со свойствами электромагнитных волн - отражением, преломлением, поглощением.

При изучении свойств электромагнитных волн школьников впервые знакомят с явлениями интерференции и дифракции. Способность интерферировать, характерна для волн любой природы. Явление интерференции помогает выявить волновой характер того или иного процесса. Кроме того, интерференция находит широкое практическое применение. Это определяет особую важность ее изучения.

Знакомство с интерференцией волн целесообразно начать с принципа суперпозиции волн. Показывая процесс распространения волн (например, звуковых) от двух разных источников в однородной среде, учащихся подводят к выводу: волны распространяются независимо друг от друга, каждая из них распространяется так, как будто другой нет. В той области среды, где встречаются две волны от разных источников, происходит их наложение. Вызванные ими колебания складываются таким образом, что результирующее смещение каждой частицы среды равно сумме отдельных смещений.

Обращают внимание школьников на картину, полученную в области наложения волн от двух вибраторов в волновой ванне (наблюдать удобнее в стробоскопическом освещении).

Итак, в каждой точке среды в зависимости от разности хода до когерентных источников наблюдаются или максимальная, или минимальная амплитуда, или ее промежуточное значение. Следует отметить, что если разность хода волн до некоторой точки соизмерима с ее расстоянием до источников, т. е. достаточно велика, то вследствие убывания амплитуды круговых волн с расстоянием волны будут приходить в эту точку с разными амплитудами. Поэтому в таких точках максимумы и минимумы будут размываться, отчетливо они будут видны лишь на небольшом расстоянии от источников.

Записывают условия максимумов и минимумов в интерференционной картине: для максимумов

Выделяют наиболее важные моменты:

1) Устойчивая картина интерференции будет в том случае, если: а) частота источников одинакова; б) разность фаз между ними не изменяется во времени (в частном случае равна нулю); в) интерферирующие волны одинаково поляризованы. Можно экспериментально показать важность всех этих условий.

Вспомнив, что источники, удовлетворяющие этим условиям, называют когерентными, заключают: устойчивую интерференционную картину получают только от когерентных источников.

2) Полная энергия системы волн в отсутствие затухания должна в соответствии с законом сохранения энергии оставаться неизменной. В области интерференционной картины происходит лишь ее перераспределение в пространстве: в точках минимумов энергия колебаний уменьшается до нуля, в точках максимумов она возрастает (становится больше, чем суммарная энергия складываемых колебаний).

3) Положение максимумов и минимумов в интерференционной картине зависит от частоты колебаний источников волн и расстояния между ними. Если увеличить частоту колебаний источников волн, (это можно проделать с помощью вибраторов в волновой ванне), то отчетливо видно, что места максимумов сближаются. Таким образом, по расстояниям между ними можно судить о частоте (длине) волны. На той же установке показывают, что при сближении источников друг с другом расстояния между максимумами увеличиваются (частота источников оставалась неизменной).

Интерференцию электромагнитных волн показывают после этого с помощью генератора сантиметровых волн (л=3 см).

Явление дифракции - отклонение волн от прямолинейного распространения, огибание ими препятствий-характерно для волн любой физической природы. Это можно показать на примере волн на воде и звуковых волн. Показывают учащимся, что волна, падающая на непрозрачный экран с отверстием, образует за отверстием круговую волну. Чем меньше размеры отверстия по сравнению с длиной падающей волны, тем более четкой будет картина загибания волн за непрозрачный экран. Если же на пути волны поставить непрозрачное препятствие, то будет наблюдаться огибание волнами его краев. Чем меньше размеры препятствия по сравнению с длиной волны, тем заметнее эффект огибания. Отмечают, что дифракция имеет место и тогда, когда размеры отверстий и препятствий больше длины падающей волны, но этот эффект заметен только на достаточно больших расстояниях от них.

После ознакомления с дифракцией механических волн целесообразно на опыте с генератором сантиметровых волн показать, что это явление имеет место и для электромагнитных волн.

Из практических применений интерференции следует остановиться на интерференционных способах определения длины волны и скорости распространения волны в среде, проиллюстрировав это опытами для звуковых волн и упругих волн на шнуре.

В поперечности электромагнитной волны учащихся можно убедить на опыте: генератор и приемник сантиметровых волн располагают друг против друга. Получив громкий прием, поворачивают генератор вокруг его продольной оси на 90° и наблюдают прекращение приема. Тот же эффект имеет место при поворачивании приемника. Если между генератором и приемником расположить поляризационную решетку, то, поворачивая решетку в ее оправе, наблюдают ослабление приема в случае, когда прутья решетки располагаются вдоль вектора напряженности электрического поля, сигнал отражается.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ

После того как Г. Герц экспериментально подтвердил справедливость теории Максвелла, были получены электромагнитные волны, изучены их свойства и доказано, что они во многом аналогичны волновым процессам иной природы. Начали совершенствоваться излучатели и приемники электромагнитных волн.

Учащихся прежде всего следует ознакомить с работами А.С. Попова - его приемником с когерером, приемной антенной с заземлением, выполненной им первой в мире передачей и приемом радиограммы, осуществлением радиосвязи на дальние расстояния.

После ознакомления с работами Г. Герца и А.С. Попова, положившими начало развитию радиосвязи, целесообразно познакомить школьников с принципами современной радиосвязи и ее физическими основами. Они уже знакомы с распространением электромагнитных волн, их излучением и приемом на дипольную антенну. Выясняют необходимость использования достаточно мощных высокочастотных колебаний. Высокие частоты нужны по нескольким причинам: а) чем выше диапазон частот, тем больше независимых радиостанций можно в нем разместить; б) интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени частоты, это одна из причин того, что низкие частоты для радиосвязи не используют; в) интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды. Для получения колебаний достаточно большой амплитуды антенна должна быть настроена в резонанс с генератором колебаний. Если антенна -прямолинейный провод, то для этого ее длина должна быть равна половине длины волны. Поэтому в радиовещании используют высокие частоты от 105 до 108 Гц, соответственно длины волн порядка от километров до метров. В телевидении и радиолокации используют также волны дециметрового и сантиметрового диапазонов.

Строят функциональную схему радиопередачи и радиоприема. Изучение модуляции можно провести в таком порядке:

1. Необходимость модулирования колебаний. Способы его осуществления.

2. Амплитудная модуляция. Демонстрационные опыты, позволяющие уяснить ее сущность.

3. Спектр амплитудно-модулированных колебаний. Получение осциллограмм несущих, управляющих и модулированных колебаний.

4. Условия, необходимые для амплитудной модуляции колебаний.

При разъяснении сущности амплитудной модуляции вначале формулируют задачу: имеются незатухающие гармонические электромагнитные колебания высокой частоты, необходимо с их помощью передать звуковой сигнал. Пусть этот сигнал будет максимально простым, например гармоническое колебание камертона частотой 440 Гц. Итак, несущая частота - сотни килогерц, управляющая (сигнал сообщения)- сотни герц, т. е. частота сигнала сообщения много меньше несущей.

Полезно на графике изобразить колебания несущей частоты, частоты сигнала сообщения, модулированные колебания, а также график их суммы.

Таким образом, модулированные колебания - это колебания высокой частоты, которые в своем спектре низкой, управляющей частоты не содержат.

Демонстрацию амплитудной модуляции осуществляют с помощью уже известного учащимся генератора на транзисторе. В его цепь последовательно с катушкой контура включают катушку (на 120 В) от прибора «Трансформатор на панели». Вторую катушку этого трансформатора (на 4 В) подключают к низкоомным зажимам звукового генератора. Вначале подключают осциллограф поочередно к генератору на транзисторе и звуковому генератору и наблюдают электрические колебания высокой и звуковой частоты, а затем, собрав всю схему, подключают электронный осциллограф и наблюдают модулированные по амплитуде колебания.

С изучением модулирования тесно связан процесс детектирования колебаний, изучение которого во времени не следует отодвигать от изучения модуляции. Прежде всего выясняют задачу, которую решает процесс детектирования: из высокочастотного амплитудно-модулированного сигнала необходимо получить отсутствующий в его спектре низкочастотный сигнал сообщения. Так как эта задача обратная той, которую мы ставили перед собой, рассматривая модуляцию, то детектирование называют иногда демодуляцией. В случае детектирования из высокочастотного сигнала получают те частоты, которые до преобразования в нем отсутствуют. Установка для детектирования колебаний должна состоять из:

1) нелинейного элемента, благодаря которому в составе спектра высокочастотного сигнала должны появиться низкие частоты;

2) устройства, которое позволит отделить напряжение низкой частоты от высокой несущей частоты (фильтр).

Выясняют, что устройство фильтра может быть различным, но его составляют элементы, сопротивление которых не одинаково для низких и высоких частот. К этому заключению подводят учащихся, предложив им вспомнить характер зависимости емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты. Отмечают, что в качестве фильтров для низкой частоты часто используют параллельно соединенные конденсатор и резистор. После того как освоена сущность процессов модуляции и детектирования, нетрудно изучить устройство простейшего радиоприемника.

Каким образом осуществляется радиосвязь? Известно, что её можно осуществить через космическое пространство, через атмосферу.

Одна из основных задач техники связи - создание новых линий связи (оптических кабельных систем). В настоящее время для космических и наземных связей используют лазерное излучение.

Оптические кабельные системы на конечных пунктах обеспечивают преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Замена электрических кабелей оптическими будет иметь огромное научное, техническое и экономическое значение.

СВЕТ - ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Начинать изучать световые явления в теме «Электромагнитные волны» целесообразно с рассмотрения - различных опытов по измерению скорости света, а результат этих опытов и будет одним из доказательств того, что свет - электромагнитные волны.

...