Матеріали до уроків "Використання саморобних приладів на уроках фізики"

Фізика – унікальна дисципліна і, як будь-яка інша наука, не є сукупністю назавжди заданих законів і фактів, а є перманентною наукою, картиною Всесвіту, до якого нові покоління вчених додають нові елементи, замінюють старі поняття новими.

Фізика – наука експериментальна. Усі її висновки і досягнення спираються на правильно поставлений експеримент, спостереження й вимірювання. Тому й вивчення курсу фізики в школі пов’язується з експериментом. Основні етапи формування фізичних понять не можуть бути ефективними без використання фізичних дослідів.

Навчальний фізичний експеримент виступає як джерело знань, один із методів навчання і як один із видів наочності.

Ще у 1900 році відомий фізик, професор О.Д. Хвольсон в одній із своїх доповідей звертав увагу на те, що "викладання фізики, в якому експеримент не становить основи і наріжного каменя всього викладу, треба визнати малокорисним і навіть шкідливим".

 Основою викладання фізики є навчальний експеримент. Як і сама наука фізика та її методи дослідження, він постійно розвивається й удосконалюється, проводяться нові досліди, для яких створюється нова фізична апаратура. Але не всі школи можуть придбати нове обладнання. Ні для кого не є секретом, що сучасне матеріальне забезпечення шкіл для проведення демонстраційних дослідів, лабораторних робіт та інших навчальних експериментів бажає бути кращим. І якщо вчитель фізики не хоче часто застосовувати фразу: "Діти, уявіть собі, що…", то йому доводиться виготовляти саморобні прилади. Не всі, бо це не реально, а хоча б деякі, які дозволили б виконувати навчальну програму.

Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу рідини пов’язане з деякими незручностями:

1. Не завжди є під руками динамометр з малою жорсткістю пружини. Але його можна зробити самому. М’яку пружину я знайшов зі старих вимірювальних приладів довжиною 50 мм і діаметром 17 мм. Прикріпив її до пластикової пластини та проградуював. Жорсткість пружини виявилася 0,85 Н/м.

2. Після занурення в посудину з рідиною дротяної рамки або П-подібної незамкненої петлі, потрібно тримаючи в руках цю посудину повільно опускати її вниз і при цьому зафіксувати покази динамометра в момент відриву рамки. Це також незручно. Я взяв від старого списаного графо проектора стійку з рухомим кронштейном до якого кріпився об’єктив. Підігнав її до необхідної довжини. До кронштейна прикріпив пластмасову прозору посудину для рідини, а саму стійку закріпив на тринозі штативу. До стійки можна приклеїти шкалу з міліметровими поділками для вимірювання висоти на яку опускається посудина. Ця висота і буде видовженням пружини.

Обертаючи ручку механізму можна повільно опускати посудину з рідиною до відриву рамки від рідини. Подивитися за шкалою на видовження пружини і розрахувати потім силу та коефіцієнт поверхневого натягу. Не забути врахувати, що плівка має дві поверхні.

Розвиток творчої активності учнів через домашній експеримент є одним з головних завдань школи. Щоб учень міг самостійно пізнавати навколишній світ, його цьому треба навчити. Опрацювання теоретичного матеріалу є тільки однією складовою частиною розвитку учня. Не менш важливою, але значно проблемнішою через відсутність обладнання, є розвиток експериментальних знань. Фізика є наука експериментальна. Її успіхи, як в минулому так і сьогодні спираються на вміння спостерігати та узагальнювати побачене, бо без цього її зрозуміти неможливо. Однак, через обмеженість часу, під час уроку не всі досліди і спостереження можуть бути проведені. Деякі з них потребують значних затрат часу, інші не можна провести через відсутність достатньої кількості необхідного обладнання або з інших причин.

Може скластися неправильне уявлення, що володіння експериментальною майстерністю – це вміння працювати зі складною апаратурою (осцилографи, багатофункціональні вимірювальні прилади, цифрові амперметри). Ні в якому разі! Експериментальна майстерність – це якраз протилежне. Це вміння одержати максимум інформації, маючи мінімум обладнання. Тут ми зустрічаємося з парадоксальною ситуацією коли бідність шкільного фізичного кабінету – джерело плідних ідей.

Виконуючи домашні експериментальні завдання, учні здобувають знання, а не дістають їх у готовому вигляді. Можливість застосування дослідного і пошукового методів сприяє розвитку активності й самостійності учнів, удосконалює їх практичні уміння і навички.

Необхідність самому скласти план виконання досліду, а іноді й виготовити необхідне обладнання розвиває в них пізнавальні інтереси, творчі здібності, кмітливість, бажання подолати труднощі і досягти мети.

Правильно організовані домашні досліди і спостереження не перевантажують учнів. Якщо вони містять елементи цікавого, то учні їх виконують з натхненням. Вони не тільки допомагають дітям усвідомити об’єктивний характер законів фізики, побачити їх прояв і використання в житті, а й прищеплюють звичку наполегливо і систематично працювати, сприяють поєднанню навчання з життям.

Електроліз.

При проходженні струму через електроліти змінюється їх хімічний склад, і на електродах будуть осідати різні речовини. Це явище називається електролізом. Маса речовини, що осідає на електроді при електролізі, пропорційна силі струму та часу його протікання.

При зануренні електродів в розчин електроліту додатні іони (катіони) в електричному полі переміщуються до катоду, де отримавши електрони – відновлюються, а від’ємні іони (аніони) – переміщуються до анода, де віддають електрони і окислюються. В результаті цього на електродах виділяється нейтральна речовина.

Електроліз знаходить досить широке застосування.

1. Електрометалургія. Добування багатьох кольорових металів за допомогою електролізу руд (алюміній, титан, та інші).
2.   Очищення (рафінування) металів (одержання хімічно чистої міді).
3. Гальванопластика. Отримання точних копій предмета будь-якої товщини (друкарські кліше, безшовні труби, археологічні знахідки).
4. Гальваностегія. Електричне осадження металів для створення антикорозійного покриття інших металів (хромування, нікелювання, сріблення, волочіння та інше).

А чи можна провести електроліз води, щоб розкласти її на гідроген і Оксен? Дистильована вода дуже погано проводить електричний струм. Потрібні були б величезні напруги. Для збільшення провідності води до неї ми додали луг NaOH створивши напівмолярний розчин (20 г/л), іони якого розряджаються набагато важче, ніж іони, що утворюють воду. Тому луг в процесі електролізу не витрачається.

У водному розчині лугу є катіони Н⁺ і Na⁺ і аніони ОН^-. На катоді формально можуть розряджатися як іони Н⁺, так і іони Na⁺. Проте в дійсності розряджатиметься тільки той іон, який має найменший потенціал розряду, тобто для розряду якого потрібна найменша різниця потенціалів між електродом і розчином на межі їх стикання. Для іонів Н⁺ навіть з лужних розчинів, де концентрація їх дуже мала, потрібен потенціал втричі менший, ніж для розряду іонів Na⁺. Тому на катоді можливий тільки процес:

2Н⁺ + 2е = Н₂

На аноді можливий тільки процес: 2ОН^- - 2е = 1/2О₂ + Н₂О, оскільки будь-які інші аніони в розчині відсутні.

Підсумувавши реакції на електродах 1 і 2 , одержимо рівняння для всього процесу розкладу води:

Н₂О = Н₂+1/2 О₂.

Проведемо електроліз води і знайдемо коефіцієнт корисної дії нашої установки.

Опис установки: Дві пробірки встановлені на пластиковій основі, попередньо проградуйовані в см³. В ці пробірки входять електроди (вугільні стержні від гальванічних елементів). Збираємо електричне коло з цієї установки, джерела струму (напруга 12-15 В), реостата, амперметра, вольтметра, ключа. Пробірки занурюємо в розчин, щоб витіснити повітря, яке в них було і виставляємо їх вертикально. Електроліт з них не виливається, бо його утримує сила атмосферного тиску, який діє на поверхню розчину. Замикаємо джерело струму і включаємо секундомір, щоб знати час електролізу, вимірюємо напругу та силу струму в колі (при необхідності регулюємо силу струму реостатом). На електродах починають виділятися гази на катоді – Гідроген, а на аноді – Оксиген, які будуть витісняти з пробірок електроліт.

Чітко видно, що об’єм Гідрогену буде в два рази більший, чим об’єм Оксигену (так, як і повинно бути).

Про воду живу й мертву.

Поняття "жива" і "мертва" вода у науковій літературі пов’язане зі штучною активацією питної води за допомогою електролізу. Прилад для приготування в домашніх умовах двох видів води: католіту (лужної або "живої" води) і аноліту (кислотної або "мертвої" води) має таку будову:

Літрова банка, два електроди з нержавіючої сталі, відстань між ними 40 мм, не достають до дна. Електроди мають розміри 40 160 0,8 мм. Процес приготування води триває 3-8 хвилин. Після приготування води, вимкнути вилку з розетки, витягнути електроди, швидко взяти мішечок з "мертвою" водою і перелити її в іншу посудину.

Католіт є стимулятором біологічних процесів, має підвищену розчинну і екстрагуючу здатність, підвищену абсорбційно-хімічну активність.

Аноліт є потужним антисептиком і консервантом. Має інгібіруючі властивості і сповільнює біопроцеси. Використовується для боротьби з мікроорганізмами та грибками.

Аноліт і католіт широко застосовують для лікування різних захворювань, а також в господарських цілях. Активована вода має властивості близькі до властивостей рідин організму (крові, лімфи, і т. п.), тому організму не потрібно доопрацьовувати її, вона зразу ж включається в життєдіяльність і тим самим знищує причини багатьох захворювань. Активована вода також використовується в побуті, птахівництві, бджолярстві. Регулюючи час електролізу, можна отримати воду необхідної концентрації, яка вимірюється в одиницях рН.

З допомогою цього приладу для електролізу живої та мертвої води можна вилікувати практично всі хвороби.