Методична розробка (11 клас) - Демонстрація дисперсії світла

    Як відомо з історії, що в I в. н. е. було відомо про великі шестикутні призми, які існують  природі і розкладають світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла в дослідах зі скляною трикутною призмою виконав англієць Томас Харіот (1560-1621). Незалежно від нього аналогічні досліди робив відомий чеський природодослідник Йоханнес Маркус Марці. В 1648 році він відкрив дисперсію світла і вперше висловив ідею про хвильову природу світла, пояснив веселку і забарвленість тонких плівок.  

     Проте до Ньютона такі спостереження не піддавалися досить серйозному

аналізу..                                     .. 

    Великий англійський учений Іссак Ньютон виконав цілий комплекс оптичних експериментів з призмами, детально описавши їх у «Оптиці», «Нова теорія світла і квітів», а також у «Лекціях з оптики». 

   На підставі проведених дослідів Ньютон показав, що біле світло складається з семи різних кольорів.

     Виникнення «квітів» у дослідах з призмами є результат розкладання складного (білого) світла на основні складові (на різні кольори). Це розкладання відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлення. Такі основні висновки, зроблені Ньютоном; вони повністю  узгоджуються з сучасними науковими уявленнями.

      Найпростіше демонструвати розкладання сонячного світла за допомогою скляної призми. Для цього у сонячний день закриємо вікно в кімнаті шторою, в якій зробимо маленький отвір. Через цей отвір буде проникати в кімнату вузький сонячний промінь. Якщо на шляху променя поставити скляну призму, то на білому папері утвориться веселка, в якій будуть представлені всі кольори: від фіолетового до червоного  (фіолетовий,  синій, блакитний, зелений,         жовтий,      оранжевий,         червоний). 

   Варіант такого досліду показано на картині Пшеничної С. А. (фото 1).          

.

                                   Фото 1. Фото взято з Інтернету

   На уроках фізики не завжди є можливість провести дослід по розкладанню світла від сонячних променів, тоді можливо скористатись сучасним ліхтариком з світлодіодною матрицею, який дає потужний світловий потік променів. Для проведення досліду необхідно мати ліхтарик, скляну призму і аркуш цупкого білого паперу. Ліхтарик і скляна призма показані на фото 2.

     Фото 2. Ліхтарик з світлодіодною матрицею і скляна призма

    Для проведення досліду слід затемнити кімнату, закріпити аркуш паперу на класній дошці, або на стіні і тримаючи скляну призму однією рукою, а в другій руці тримаємо ввімкнений ліхтарик і підбираємо такий кут подачі променя, щоб утворилась веселка. 

   Результат досліду показано на фото 3.

Фото 3. Веселка утворена від променя ліхтарика, пропущеного через скляну призму

      Завдяки дисперсії біле світло розкладається в спектр при проходженні через скляну призму. Тому такий спектр називають дисперсійним.

      Розкладанні білого світла призмою в безперервний спектр кольорів у ньому поступово переходять один в іншій. Прийнято вважати, що в деяких границях довжин хвиль (нм) випромінювання мають наступні кольори: 

630—770 – червоний

585—620 – оранжевий

565—585 – жовтий 

510—560 – зелений 

480—510 – блакитний 

440—480 – синій 

390—440 – фіолетовий 

   Порядок розташування кольорів у спектрі дисперсії легко  запам'ятати за допомогою такої приказки: «Каждый охотник желает знать где сидит фазан». Перша буква кожного слова приказки співпадає з першою буквою назви  кольору. Розшифровується вона так: «Каждый» - червоний (красный, рос.), «охотник» - оранжевий, «желает» - жовтий, «знать» - зелений, «где» - блакитний (голубой, рос.), «сидит» - синій, «фазан» - фіолетовий.    В Інтернеті (1) є і інші варіанти «веселкових речень»:

Опубліковано: Миро Продум 24 листопада 2015 

«Чапля осінь жде завзято буде сани фарбувати» (червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий)

Опубліковано: Анатолій Висота 25 листопада 2015 «Чи Оля Жалкує За Гарною Своєю Фіалкою?»

Опубліковано: Тимур Де-Бальзак 26 листопада 2015  «Чи Омелько Жити Зможе Без Своїх Фантазій?»

Так що є з чого вибирати, а може й самі придумаєте «веселкове речення»?

   При бажанні, ліхтарик і скляну призму можливо закріпити і отримаємо пристрій для демонстрації дисперсії світла, хоча це робити не обов’язково; учням цікаво самостійно підібрати необхідний кут променя для отримання

«веселки».  

Література: Інтернет

https://www.ar25.org/article/sim-koloriv-veselky-abo-praktychna-radiya.html

Методична розробка (11 клас) - Демонстрація саморобної підзорної труби

Підзорна труба - старовинний предмет, що дозволяє спостерігати віддалені об'єкти. Це оптичний пристрій, яким користувалися ще в епоху Великих  географічних відкриттів, не втратило популярності і по сей день.  

   Вперше опис оптичного приладу зафіксовано історією в роботах ченця францисканського ордена. Це був англієць, і звали його Роджер Бекон.  Роджер Бекон захоплювався оптикою і проводив експерименти з опуклими лінзами,  в поєднанні їх з увігнутими дзеркалами. Роджер Бекон у 1268 році описав підзорну трубу з лінзами і дзеркалами.                            .       В 1509 році Леонардо да Вінчі описав двохлінзову підзорну трубу. 

     Підзорну трубу можна зробити своїми руками. Як відомо з теорії, для об’єктива необхідно взяти  двояковыпуклу лінзу з фокусною відстанню якомога більшою, а для окуляра лінзу з фокусною відстанню якомога меншою- це для того, щоб збільшення було велике. Найпростіша підзорна труба складається з – об’єктива і окуляра, і збільшення підзорної труби можливо визначити за формулою: K = F / f (відношення фокусних відстаней об’єктиву (F) і окуляра (f)). Така підзорна труба (з двома лінзами) буде давати «перевернуте» зображення, тому розглянемо конструкцію підзорної труби з додатковими лінзами в «обертаючій» системі, що показано на      рис. 1. 

 Якщо є в наявності декілька лінз для об’єктива, то краще вибрати лінзу з більшою фокусною відстанню. Для окуляра і обертаючої системи краще взяти одинакові лінзи з малою фокусною відстанню.

  Фокусну відстань лінзи визначити досить просто. Для цього необхідно засвітити електролампу від батарейки і поставити її перед лінзою, а після лінзи поставити аркуш білого паперу і змінюючи відстань між лінзою і папером добитись чіткого зображення нитки розжарення електролампи- заміряти відстань між центром лінзи і аркушом паперу; ця відстань і буде фокусною відстанню для даної лінзи. Схематично це показано на рис. 2.       Дивитися через лінзу на електролампочку не можна, а тим паче на Сонце; бо можна пошкодити око. З оптичними приладами необхідно поводитись бережно і не доторкатись до поверхні лінз руками.

       В авторському варіанті для об’єктива взято лінзу з F= 17,4 мм (діаметр лінзи 75 мм) і для обертаючої системи і окуляра використано лінзи з фокусною відстанню f= 5,1 мм (діаметр лінзи 12 мм) (такі попались під руку).      Конструктивно обертаючу систему і окуляр об’єднано в один трьохлінзовий вузол (ТЛВ), як це показано на фото 1. 

Фото 1. Трьохлінзовий вузол

    Підзорну трубу в розібраному вигляді показано на фото 2.

Фото 2. Підзорна труба в розібраному вигляді

     На фото 3 підзорна труба в зібраному стані. Змінюючи відстань між об’єктивом і ТЛВ добиваємось чіткого зображення. Заготовку труби в середині необхідно пофарбувати чорною матовою фарбою, або обклеїти чорним папером.

   З такими лінзами підзорна труба дає збільшення в 3,41 рази; таке збільшення невелике, проте дозволяє краще розгледіти віддалені предмети, навіть на відстані 3…4 км. 

  Якщо замість однієї лінзи в об’єктиві використати телеоб’єктив від фотоапарата, то якість зображення буде значно ліпшою, але для демонстрації роботи підзорної труби досить і однієї лінзи. 

Фото 3. Підзорна труба в зібраному стані

    На фото 4 показано користування зробленою підзорною трубою. 

     Фото 4. Максим, учень 9-го класу, розглядає пейзаж на горизонті

Методична розробка (11 клас) - Демонстрація           явища електромагнітної індукції

   Явище електромагнітної індукції було відкрито Майклом Фарадеєм в  1831 р. Він дослідним шляхом встановив, що при зміні магнітного поля всередині замкнутого контуру в ньому виникає електричний струм, який називають індукційним струмом. Досліди Фарадея можна відтворити таким чином: при внесенні або винесенні магніту в котушку, підключену до гальванометра- в котушці виникає індукційний струм і гальванометр покаже це. 

  Є і другий варіант демонстрації явища електромагнітної індукції: якщо над котушкою (соленоїдом) розташувати алюмінієве кільце, то при подачі потужного імпульсу в котушку в кільці буде наведено індукційний струм і в результаті утвореного магнітного поля, яке буде взаємодіяти з магнітним полем самої котушки кільце високо підніметься над котушкою. 

   Пояснення цього явища було дано Максвеллом. Будь-яке змінне магнітне поле завжди породжує змінне електричне поле. Класичною демонстрацією основного закону електромагнітної індукції є перший досвід Фарадея: чим швидше переміщати магніт через витки котушки, тим більше виникає індукційний струм в ній, а значить, і ЕРС індукції. Залежність напрямку індукційного струму від характеру зміни магнітного поля через замкнутий контур в 1833 р дослідним шляхом встановив російський вчений Ленц. Він сформулював правило, що носить його ім'я. Індукційний струм має такий напрям, при якому його магнітне поле прагне компенсувати зміна зовнішнього магнітного потоку через контур. 

    Теорію цього явища можливо прочитати в підручнику фізики, а для демонстрації явища електромагнітної індукції необхідно зібрати генератор потужного імпульсу; аналогічний тому, який використовувався при демонстрації прискорення феромагнітної кульки (там детально описано про цей пристрій).  

     Соленоїд для демонстрації явища електромагнітної індукції використовується з іншими даними котушки, тому ще раз наведемо принципову електричну схему генератора потужного імпульсу на рис.1. Схема вмикається в електромережу ~220 В, тому слід дотримуватись правил техніки безпеки при користуванні електроприладами.

Зовнішній вигляд генератора потужного імпульсу з алюмінієвим кільцем з малою масою показано на фото 1.

       Фото1. На соленоїді поміщено алюмінієве кільце з малою масою

      Зовнішній вигляд генератора потужного імпульсу з алюмінієвим кільцем з великою масою показано на фото 2.

           Фото2. На соленоїді поміщено алюмінієве кільце з великою масою

    Користуватись пристроєм досить просто: після підключення до електромережі натискуємо кнопку SB1 («заряд») і утримуємо її натиснутою протягом 5…10 сек, потім натискуємо кнопку SB2 («пуск») і при цьому в алюмінієвому кільці наводиться індукційний струм- утворюється магнітне поле, яке взаємодіє з магнітним полем котушки і алюмінієве кільце піднімається на висоту 30 см і впаде донизу. Якщо використати більш масивне кільце, то воно буде підніматись на меншу висоту.

Якщо замість цільного кільця поставити кільце з розтином, то воно підійматись не буде; тому що немає замкнутого кільця для індукційного  струму. Цей дослід показано на фото 3.

Фото 3. Розрізане алюмінієве кільце не піднімається при подачі               потужного імпульсу в соленоїд 

Якщо алюмінієве кільце цільне, то при подачі потужного імпульсу в соленоїд кільце піднімається на певну висоту: з малою масою на висоту 50…60 см, а з більшою масою на висоту 20…30 см. На фото 4 показано, як кільце з малою масою піднялось на певну висоту.  

      Фото 4. Кільце з малою масою піднялась на певну висоту при                      подачі потужного імпульсу в соленоїд

Цікаво також демонструвати наведення індукційного струму в кільце при подачі на соленоїд змінного струму. Використано низькоомний соленоїд, тому подаємо, відносно, невелику напругу ~25,2 В; зняту з понижувального трансформатора. Для цього досліду можливо використати уніфікований трансформатор типу ТН60-127/220-50; у якого чотири обмотки по 6,3 В (змінний струм з частотою 50 Гц) включити послідовно, згідно- і отримаємо ~25,2 В. Щоб збільшити опір соленоїду для змінного струму в котушку слід ввести сердечник з магнітомягкого заліза, відповідних розмірів, або набір пластинок трансформаторного заліза. 

При подачі змінного струму на соленоїд алюмінієве кільце піднімається на висоту …см і зависає (ширяє) в повітрі, в цьому положенні- електромагнітні поля урівноважуються. Цей дослід показано на фото 5.   

При подачі змінного струму на соленоїд з розрізаним алюмінієвим кільцем- воно не піднімається взагалі, тому що немає замкнутого кола для індукційного струму. 

Фото 5. Алюмінієве кільце ширяє в повітрі при подачі змінного

               струму в соленоїд 

    В статті: «Електромагніт від 42 В  від постійного і змінного  струму (демонстрація намагнічування і розмагнічування предметів зроблених з заліза)» поміщено також фото, де при подачі на електромагніт змінного струму засвічується електролампа; під’єднана до котушки, яка знаходиться біля електромагніту. Цей дослід є також демонстрацією електромагнітної індукції. Приведемо це фото ще раз, див. фото 6. Детально цей дослід був описаний в вказаній вище статті. 

Фото 6. Демонстрація індукційного струму, наведеного в котушці від електромагніту; на який подано змінний струм

Методична розробка (11 клас) - Демонстрація індикатора радіоактивного випромінювання

    В деяких школах немає лічильника Гейгера- Мюлера і немає можливості демонструвати радіоактивне випромінення. Знання учнями методів виявлення і дії радіоактивного випромінювання дуже важлив

Пошуками радіоактивних речовин і дослідженням їх випромінювань  займалось багато вчених в усьому світі. Особливо плідною виявилася праця французьких вчених П'єра Кюрі та його дружини Марії Склодовської-Кюрі. В 1898р. вони відкрили два нові радіоактивні елементи – Полоній і Радій, радіоактивність яких виявилася значно сильнішою, ніж в Урану. Загалом з’ясувалось, що радіоактивність мають ще багато елементів: Торій, Актиній тощо – всього близько сорока елементів.

 Раніше цьому не приділяли належної уваги і доходило до того, що ялинкові іграшки покривали речовиною, яка після осипання ставала радіоактивною.

 Бували й випадки загублення ампул з радіоактивною речовиною і потім це приводило до трагічних наслідків. 

Відомі також безглузді конструкції- так в електрозв’язку в 19 столітті використовувались розрядники для захисту апаратури ущільнення на яких було нанесено шар радіоактивної речовини для пониження напруги спрацьовування розрядника. І тільки в 1988 році всі ці розрядники були вилучені. 

 Радіоактивна речовина наносилась на стрілки і цифри циферблата годинників, на стержнях перемикачів, на шкалах вимірювальних приладів (до

1970 р.) і т. д.   

  При відсутності лічильника Гейгера- Мюлера можна виготовити індикатор радіоактивного випромінювання з використанням розрядника типу Р-46.  Запропонований індикатор не може оцінити силу радіації- просто фіксує, що радіаційне випромінювання вище фонового. 

 Принципова електрична схема індикатора радіоактивного випромінювання приведена на рис. 1. 

    Схема працює таким чином: на діоді VD1 і конденсаторі С1 зібрано однонапівперіодний випрямляч. При вмиканні перемикача SА1 постійна напруга поступає на стабілізатор напруги; вихідну напругу якого можна змінювати за допомогою потенціометра R3- межах 120…180 В. В верхньому положенні потенціометра R3 буде на виході 180 В і розрядник «пробивається» і неонова  лампа HL1 буде світитись. При зменшенні вихідної напруги до порогового значення розрядник перестане пропускати струм і неонова лампа погасне. Після цього слід повернути ручку потенціометра в сторону збільшення напруги; але так, щоб ще на спрацював розрядник. Це необхідно робити в зв’язку з гістерезісом, тобто напруга вимикання розрядника і напруга спрацьовування різні. Практично зробити це не важко і легко виявити поріг максимальної чутливості і надалі вже виставляти потенціометр R3 в необхідне положення зразу.

    Індикатор готовий до індикації радіоактивного випромінювання; тобто від фонового рівня радіації він не спрацьовує, а при появі радіаційного випромінювання вище фонового- «пробивається» розрядник і буде світити неонова лампа.  

    Якщо до розрядника піднести речовину з радіоактивним випромінюванням, то спрацює розрядник і засвітиться неонова лампа HL1.

    Проводились досліди з перемикачем типу 2ППН-45, в стержні якого було вмонтовано «щось». Індикатор спрацював при піднесенні тумблера до розрядника- це означає, що присутнє радіаційне  випромінювання.

     Проводився також дослід з вимірювальним приладом з шкалою, покритою фосфоросцірующою фарбою, типу Ц4200.1 (виготовлений в 1964 р.)- результат вражаючий- на відстані 4…5 см від розрядника він уже спрацьовував. Ясно, що такими приладами краще не користуватись, можливо, що окрім фосфора на шкалі є присутній і радіоактивний елемент. Конструкція приладу показана на фото 1. Схема поміщена в пластмасовий футляр розмірами 130 × 65 × 35 мм. Футляр  укріплено на дерев’яній рейці, довжиною 740 мм (рейка може бути і довша); на кінці рейки укріплено розрядник. Виводи розрядника захищені пластмасовими ковпаками. Шнур підключення до електромережі довжиною 3 м. В принципі, шнур може бути і довшим, щоб зручніше було відшуковувати предмети з радіоактивним випромінюванням.

             Фото 1. Індикатор радіоактивного випромінювання

На фото 2. показано  зовнішній вигляд розрядника типу Р-46, який використано в якості датчика радіоактивності.

                                           Фото 2. Розрядник Р-46

     В Інтернеті (1) вдалось відшукати інформацію про   світломаси постійної дії (СПД); вони містять солі радію-226. СПД застосовувалися до 70х років 20 століття. Наносилися на шкали різних приладів для підсвічування в темний час доби. Шкала при цьому постійно світилася в темряві. Особливо небезпечне потрапляння в організм дрібних частинок СПД. Така світломаса є в зазначених вище приладах, тобто в перемикачі, типу 2ППН-45 і на шкалі приладу. По довідковим даним перемикач 2ППН-45 дає 1000…2000 мкР/г.    Ясна річ, що краще користуватись дозиметрами радіації, однак вони досить дорогі- побутовий дозиметр коштує від 4000 грн. При наявності лічильника Гейгера- Мюлера дозиметр радіації можливо зробити самотужки.

Запропонований індикатор радіації має просту схему, дефіцитних деталей не має і виготовити його можуть гуртківці юних електротехніків.

   На фото 1. показано, що від радіоактивного випромінювання перемикача 2ППН-45 спрацював розрядник і засвітились і розрядник і неонова лампа. 

     Схема вмикається в електромережу, тому слід ретельно перевірити правильність зібраної схеми і вмикати в електромережу тільки в закритому корпусі, і під наглядом керівника гуртка.      Література: Інтернет

1. http://www.youtube.com/watch?v=OWgYhQnRcWM&feature=fvsr

  Методична розробка (11 клас) – Демонстрація     фотореле -  застосування фотоефекту

   Доцільно також продемонструвати роботу фотореле, яке вмикає електролампу при настанні сутінок. Автор пропонує свій варіант простого фотореле (ПФ), яке не вимагає налагодження і навіть початківці радіоаматори зможуть його виготовити. Дане фотореле призначене для автоматичного включення електроосвітлення у вечірній час і виключення на світанку. Може бути використано для освітлення у вечірній і нічний час сходового майданчика, території на дачі, біля гаража, біля магазинів, і т. д.

   Принципова електрична схема ПФ приведена на рис.4.                                             

    Схема працює в такий спосіб. Живлення схеми безтрансформаторне, тобто безпосередньо від мережі змінного струму через баластний конденсатор С2, ємністю 0,25 мкф. До виходу випрямного моста на 

VD3 ... VD6 приєднаний стабілітрон VD2 (на 20 В), таким чином отримано 20 В для живлення реле К1, яке спрацьовує від транзисторного ключа на VT2 і емітерного повторювача на VT1. При затемненому фоторезисторі PR1 на вході емітерного повторювача на VT1 низький потенціал і відповідно на його виході також, і транзисторний ключ на VT2 закритий. Для надійного закривання транзисторного ключа в ланцюг емітера включений світлодіод HL1 і в результаті до бази транзистора VT2, щодо емітера, прикладена напруга; близько 2 В. Коли фоторезистор затемнений (у вечірній і нічний час), реле К1 знеструмлено і своїми нормально замкнутими контактами я-п включає ланцюг і на електролампу EL1 надійде живлення; електролампа буде світити. При освітленні фоторезистора (на світанку, вдень) зменшиться його опір, на вході емітерного повторювача з'явиться позитивний потенціал і відповідно на його виході і це призведе до відкривання транзисторного ключа на VT2. Відкритий транзисторний ключ подає живлення на обмотку реле К1 і воно спрацьовує і розімкнуться контакти я-п; в результаті чого електролампа EL1 гасне. У схемі застосовано високоомне реле з Rобм. = 7000 Ом, тому схема фотореле має високу економічність. Схема споживає потужність, близько 0,2 Вт.

Чутливість ПФ невелика; від запаленого сірника фотореле спрацьовує на відстані 300 мм, однак для автоматичного вимкнення освітлення в ранковий час цієї чутливості цілком достатньо. Максимальну чутливість можливо отримати, якщо зменшити величину опору R2 до 3 кОм; при цьому від запаленого сірника схема спрацьовує на відстані 400 мм. У схемі застосовано фоторезистор типу ФСК Г, можливо також застосувати фоторезистор типу ФСД-1. Електролампа повинна мати потужністю не більше 100 Вт. 

 Реле РП-7 з опором обмотки 7000 Ом має напруга спрацьовування 9 В. Для поляризованих реле необхідно правильно підключати полярність харчування. Для комутації напруги 220 В зазор між контактами реле необхідно збільшити до 1 ... 1,5 мм. Слід зауважити, що конденсатори типу К75-10 виготовлені спеціально для роботи в ланцюгах змінного струму, а якщо застосувати в якості баластного- конденсатор типу МБМ, мли МБГО; то краще взяти їх на напругу 630 В, або 750 В, або ж взяти два конденсатора ємністю на 0,5 МКФ, напругою 500 В і включити їх послідовно; кожен з конденсаторів необхідно зашунтувати резистором потужністю 2 Вт з опором 470 кОм. Коли транзисторний ключ на VT2 закритий, то світлодіод HL1 світить з малою яскравістю, а коли транзистор у відкритому стані, то світлодіод HL1 світить яскраво. Схема поміщена в металевий корпус розміром 170 × 110 × 45 мм.

   Фоторезистор підключається до пристрою екранованим кабелем і повинен знаходиться поза будівлею або біля вікна. Зовнішній вигляд фотореле показаний на фото 1.

    Слід зауважити, що при необхідності, схему можливо використовувати в інверсному режимі, наприклад; для включення радіоприймача (як будильник) на світанку і т. д., використовуючи контакти на перемикання.

 Слід зауважити, що схема має гальванічний зв'язок з електромережею, тому не можна торкатися до радіоелементів при включеній в мережу схеми.

Необхідно дотримуватися правил техніки безпеки при роботі на електроустановках.

                             Фото 1. Фотореле з виносним фотодіодом

      При бажанні, схему можливо живити від випрямляча на 20 В; який зробити зовсім не складно, з використанням силового понижувального трансформатора потужністю  5…10 Вт. 

Література:

1.   Томас Р. К. Коммутационные устройства Справочник М изд. «Радио и   связь» 1989 г.

2.   Святослав Бабын (UR5YDN), Простое реле времени, журнал

«Радиоаматор» №6, 2016 г., стр, 35, 36, 37.

Автор розробок: Бабин Дмитро Святославович