Вчитель:   Пушкарєва Оксана Андріївна

Навчальний заклад:  ліцей №47 «Альтернатива» м. Полтави

«Навчання - це зміна здивування розумінням.»

  В.Кротов

Дослідницький STEAM- проєкт з фізики

«Лампа Тесли: поєднання краси та технічної досконалості»

Клас:    10, 11. (Доцільно проводити після вивчення тем «Електромагнітне поле» та «Електричний струм у газах»).

Мета: Ознайомити учнів з історією створення, будовою та принципом дії плазмової кулі або лампи Тесли; виконати цікаві досліди та пояснити їх з точки зору сучасної науки; показати красу та інженерну досконалість приладу.

Тип проєкту

      Дослідницький.

      Інформаційно-пошуковий.

Проєкт - це «п'ять П»

      Проблема.

      Проектування (планування).

      Пошук інформації.

      Продукт.

      Презентація (представлення результату).

Компетентності, що передбачені проєктом:

                  Спілкування державною мовою – набуття досвіду публічного виступу, вміння тлумачити поняття, думки, факти, доречне та коректне вживання в мовленні термінології з предмета.

             Основних компетентностей у природничих науках і технологіях  – пояснювати фізичні явища, використовуючи наукове мислення, а також здатність застосовувати знання в практичній діяльності.

           Інформаційно-цифрової компетентності – використовувати сучасні цифрові технології та пристрої для презентації власної діяльності.

                  Уміння навчатися впродовж життя - здатність до пошуку та засвоєння нових знань, набуття нових вмінь і навичок, організації навчального процесу .

                  Ініціативність і підприємливість – формування навичок роботи в команді, уміння генерувати  ідеї й ініціативи та втілювати їх у життя

                  Екологічна грамотність і здорове життя - уміння розумно та раціонально користуватися природними ресурсами.

                  Математична компетентність – передбачає вміння працювати з кресленнями, робити виміри, створювати просторові моделі.

Робота над проєктом

Група «Історики» - шукають та презентують матеріал про Ніколо Теслу та історію його винаходу

Група «Фізики-теоретики» - учні опрацьовують  теоретичний  матеріал з даного питання та пояснюють принцип дії лампи.

            Група «Інженери» - учасники працюють з Інтернет-ресурсами і шукають інформацію про будову лампи:

 Група «Дослідники» - учні демонструють та пояснюють досліди з лампою

Хід уроку – захисту проектів

Історики. Історія створення лампи:

   У 1894 році Микола Тесла отримав патент на конструкцію плазмової лампи (сам він назвав її «газорозрядною трубкою з інертним газом всередині»). Тесла описала лампу, що складається із скляної колби з єдиним електродом всередині, заповнену при цьому газі аргону. На електрод подавався струм високої напруги від трансформатора Тесла (виробляє високу напругу високої частоти).

  У 70-х роках вже 20-го століття вчений та винахідник Джеймс Фальк створив конструкцію Миколи Тесла і створив світильник у вигляді плазмової кулі, який практично не відрізняється від сучасного. У 70-е – 80-е роки Джеймс Фальк поставив плазмові кулі колекціонерам і науковим музеям.

У 80-х роках плазмові кулі стали продаватися в магазинах і швидко стали дуже популярною іграшкою - сувеніром, чия популярність, втім, анітрохи не зменшилася і до сьогодні.

Фізики-теоретики

  Плазмова куля складається з зовнішньої скляної сфери, електрода і блоку генерації високої напруги

  Всередині великої скляної колби знаходиться суміш розріджених інертних газів, речовина яких іонізується подачею струму високої напруги на сферичну верхівку центрального електрода

  Розряд з електрода створює пробій електричної дуги крізь іонізований газ, а речовина на шляху пробою переходить в стан плазми. Видиме свічення ж пов'язано з переходом електронів зі стану з високою енергією в низькоенергетичний стан - вивільняється при цьому енергія випромінюється у видимому діапазоні світла. Колір же світіння залежить від складу суміші газів, що знаходяться всередині зовнішньої сфери.

  Видимі всередині плазмових куль світяться сполохи є не чим іншим, як плазмою - четвертим агрегатним станом речовини. Стан плазми характерно тим, що в ньому речовину в рівній мірі складається з позитивно і негативно заряджених частинок і в цьому стані знаходиться 99% видимої речовини нашої Всесвіту.

  Північне сяйво, блискавки, іоносфера Землі, міжзоряні туманності, Сонце та інші зірки - не повний список знайомих усім проявів плазми в природі. Але завдяки винахідливості людського розуму, який створив Плазмові електричні кулі. кожен тепер може споглядати частинку цих Вселенських явищ у себе вдома в будь-який момент часу

Інженери

     Прозора скляна куля встановлена на підставці та заповнена сумішшю інертних газів під низьким тиском. Кулька в середині сфери служить електродом. У цоколь лампи вбудований трансформатор, який видає на електрод змінну напругу кілька кіловольт. Другим електродом є навколишня скляна сфера або навіть сама людина, якщо він торкається кулі. Змінюючи склад газів усередині кулі, можна отримати "блискавки" різних відтінків. Коли ви вмикаєте лампу, виникає свічення у вигляді численних електричних розрядів. Блискавки спрямовані силовими лініями електричного поля. Якщо пальцем доторкнутися до скла, змінюється електричне поле всередині лампи, і електричні розряди зміщуються у бік контакту пальця зі склом.

Цікаві факти

- Залежно від того, який газ знаходиться всередині кулі, розряди можуть мати різний колір;

- у сучасних плазмових кулях використовується суміш інертних газів, таких як ксенон, криптон, неон.

- за часів Миколи Тесла технологія створення газових сумішей, що використовуються при створенні сучасних ламп, була недоступна;

- продаються плазмові кулі різних форм, у вигляді циліндрів і навіть сердець.

- мабуть, найбільша плазмова куля діаметром один метр знаходиться в центрі науки «Технорама» у Швейцарії:

Дослідники

  Перш ніж вмикати кулю уважно вивчимо її будову - посередині знаходиться електрод, той самий на який подається висока напруга, а в самій кулі знаходиться не повітря, а спеціальний розріджений газ - суміш інертних газів; тепер вмикаємо кулю і милуємося красою «змійок, що рухаються» - плазмових утворень;

Дослід 1. «Накладання рук» на плазмову кулю.

 Можна без побоювання торкатися скла працюючої плазмової кулі. "Накладенням рук" на плазмову кулю можна маніпулювати блискавками. Особливо вражає робота плазмової кулі у темряві.

Висновок: незважаючи на лякаючий зовнішній вигляд розрядів, вони нешкідливі для людини, оскільки струми високої частоти, проходячи по поверхні, не завдають ніякої шкоди.

Дослід 2.Лампа, що світиться.

У ході своєї лекції про електромагнітне поле високої частоти перед вченими Королівської академії Тесла включав та вимикав електродвигун дистанційно, в його руках самі собою загорялися електричні лампочки. Тоді йшов 1892 рік.

Проведемо дослід із лампочкою. Якщо до плазмової лампи, що працює, просто, тримаючи в руці, піднести неонову, люмінесцентну або будь-яку іншу газорозрядну лампу, то вона почне світитися.

Дослід 3. Дослід із телефоном.

   Піднесемо до увімкненої лампи телефон. Лампа простягає промені до телефону. Починає відбуватися неймовірне: телефон починає працювати. Те саме відбувається і з планшетом

Досвід 4. . Конденсатор за допомогою плазмової лампи

     Ще одна демонстрація з використанням плазмової лампи можлива під час розгляду теми “Електрична ємність. Конденсатори”. Для демонстрації необхідний шматочок провідної металевої фольги (наприклад, від шоколаду) та аркуш паперу, що грає роль діелектрика. На верхній частині вимкненої плазмової кулі міститься шматочок фольги, а на нього кладуть аркуш паперу – виходить найпростіша модель конденсатора . При включенні кулі та піднесенні пальця можна відчути електричний розряд, тривалий натиск на листочок викликає опік та запах горілого. Аркуш паперу при цьому  пропалюється!

УВАГА! Експеримент слід проводити з обережністю – можливе ураження електричним струмом та опік!

Відеоматеріали для допомоги у виконанні дослідів

https://www.youtube.com/watch?v=bQSjRZ9lQqQ

https://www.youtube.com/watch?v=aAi7Ju43rDc

https://www.youtube.com/watch?v=GXf6sF45rm8

https://www.youtube.com/watch?v=fxBAxgJwgc8

Останній етап роботи - підведення підсумків роботи над проєктом