Прості досліди з фізики в домашніх умовах 

Автор:     Бабин    Дмитро     Святославович,    вчитель    фізики     і     астрономії     середньої

загальноосвітньоі школи I-III ступенів № 126 м. Києва                                   

А. Ейншетейн сказав: «Істина — це те, що витримує перевірку дослідом».

Досліди з фізики допоможуть ввійти до чудесного світу знань. Для учнів 7-11 класів вони будуть нескладними. Зрозумівши основні фізичні принципи і закони, учні відчувають себе більш впевнено. 

   Щоб вивчення законів фізики в домашніх умовах було безпечним, необхідно дотримуватися запобіжних заходів:

1.  Абсолютно всі експерименти необхідно проводити за участю дорослих. 

2.  Необхідно бути особливо уважними, якщо використовуються гострі, колючо-ріжучі предмети, відкритий вогонь. При цих дослідах присутність дорослих обов'язкова. 3. Використання отруйних речовин заборонено.  

Батарея із саморобних гальванічних елементів

Для експерименту знадобляться:

•               розчин оцтової кислоти 9%, 50 мл;

•               чотири смужки з листової міді розміром 40 × 70 мм;

•               чотири смужки з листового заліза оцинкованого розміром 40 × 70 мм;

•               чотири смужки з тканини  розміром 40 × 70 мм;

•               два провідника ізольованих довжиною по 10…15 см;

•               світлодіоди надяскраві (білого кольору) 3 шт;

•               резистор на 47 Ом, потужністю 0,25 Вт

•               піала;

•               кусачки; 

•               картоплина; 

    За допомогою кусачків знімаємо ізоляцію з обох кінців провідників по 20 мм. Один з провідників ставимо на стіл і на зачищений кінець ставимо смужку з міді (М). Наливаємо в піалу розчин оцтової кислоти і змочуємо в розчині смужку тканини (СТ) і накриваємо нею мідну пластину. На смужку тканини ставимо смужку з оцинкованого заліза (ОЗ). На смужку з ОЗ ставимо пластину з міді, яку накриваємо змоченою в розчині смужкою тканини і так далі. В цілому отримали такий «бутерброд»:  М -СТ -ОЗ- М- СТ -ОЗ М -СТ -ОЗ-М-СТ-ОЗ, тобто чотири гальванічних елемента включені послідовно. Кожен елемент дає напругу 0,8 В і разом батарея дає 3,2 В. Цієї напруги досить для роботи світлодіодів (необхідно подати не менше 2-х вольт), що легко перевірити на практиці, підключивши світлодіод типу АЛ307БМ (червоного кольору) катодом до пластини ОЗ, а анодом до верхньої пластини М за допомогою другого провідника. Якщо не правильно підключити світлодіод по полярності, то він не буде світити. В принципі, світлодіод можна взяти любого кольору: синій, зелений, жовтий. По всім правилам на світлодіод напруга подається через додатковий гасящий резистор, але в даному випадку можливо обійтись і без нього тому що внутрішній опір саморобної батареї досить великий. Таким чином отримали батарею, «+» будемо знімати з мідної пластини, а «-» з пластини оцинкованого заліза. Як показує практика, з такою саморобною батареєю світлодіод світить продовж 72-х годин. Можливо також використати надяскраві світлодіоди білого кольору, включивши три світлодіода паралельно і через резистор на 47 Ом, при цьому струм живлення становить 4 мА. Світіння надяскравих світлодіодів від саморобної батареї показано на фото 1. Якщо добавити ще чотири елементи, то можливо до такої батареї підключити економний радіоприймач який споживає струм до 8 мА. Якщо є можливість, то провідники краще підпаяти до крайніх пластин. На сайті, в розділі: «Радіоаматорські конструкції» є опис радіоприймача «Экономичный радиоприемник прямого усиления» який споживає струм всього 1,6 мА. В принципі, металеві смужки можуть бути і менших розмірів, але при цьому ємність батареї буде менша. Розібравши батарею після 72 годин «використання» стане зрозуміло, чому вона перестала працювати – просто випарувалась вода з розчину оцтової кислоти. Для «оновлення» батареї необхідно встановити нові смужки з тканини, змочивши їх розчином оцтової кислоти. Замість розчину оцтової кислоти з успіхом можливо використати сік вичавлений з лимона.

   З саморобною батареєю можливо проробити ще й такий дослід: розрізаємо картоплину і замість світлодіода в м’якоть картоплини встромляємо провідники на відстані 8…10 мм. Через деякий час, 5…10 хвилин побачимо, що біля одного з проводів утвориться пляма зеленого кольору – цей провідник підключений до «+» батареї. Таким чином без вимірювального приладу можна визначити полюса джерела живлення.

       Фото 1

 Гальванічна батарея з використанням яблук

  Для експерименту необхідно:

•  шість яблук, краще недостиглих;

•  шість смужок з листової міді розміром 11 × 60 мм;

•  шість смужок з листового заліза оцинкованого розміром 11 × 60 мм;

•  провідники монтажні- п’ять провідників довжиною 100 мм і два провідника    довжиною 200 мм;

•  світлодіод надяскравий- білого кольору, або світлодіод червоного кольору типу АЛ307БМ; 

•  Резистор на 47 Ом, потужністю 0,25 Вт;

•  Гвинти М3, довжиною 6…7 мм- 12 шт.;

•  Гайки М3- 12 шт.;

•  Дриль ручна;

•  Свердло діаметром 3,2 мм;

    Конструкція гальванічної батареї досить проста. Просвердлюємо отвори на кінцях всіх смужок. З’єднуємо провідниками попарно смужки листової міді з смужками листового заліза оцинкованого- всього п’ять пар. З’єднуємо провідниками світлодіод – анод світлодіода до смужки з міді, а катод до смужки заліза оцинкованого. Підготовлені матеріали показані на фото 1. У кожне з яблук, на відстані 10…12 мм вставляємо металеві смужки, як це показано на фото 2. І в результаті отримали батарею з шести послідовно ввімкнених гальванічних елементів. Як показує експеримент,  така гальванічна батарея без навантаження забезпечує напругу 3,8 В. Цієї напруги досить для живлення світлодіодів.  Слід зауважити, що чим кисліші яблука, то вихідна напруга буде більшою. Як показує експеримент, світлодіод світить в продовж семи суток (168 годин). Спочатку яскравість світіння значна, що видно на фото 2, а з часом яскравість світіння зменьшується.  Світлодіод ввімкнений через резистор з опором 47 Ом (послідовне ввімкнення). При бажанні від «яблучної батареї» можливо живити і економічний радіоприймач, який споживає струм до 6…7 мА. Якщо неправильно підключити світлодіод, відносно полярності, то він світити не буде. Зазвичай у світлодіода «прапорець» це катод, а «стержень»-анод. Подавати «+» потрібно на анод, а «-» на катод. Як показує практика, замість яблук можна використовувати груші, айву, сливи, абрикоси, картоплю, та інше. Можливо використати і лимони, апельсини, але вони значно дорожчі в ціні ніж яблука, картопля.

                Гальванічна батарея з використанням яблук

   Фото 1

       Фото 2

 Телефонний дротовий зв’язок

           Полярність підключення джерела живлення не має значення. На фото 1                 показано демонстраційний варіант з кабелем довжиною 7 м, а лінія             може бути значно довшою- до 500 м, а при живленні напругою ±60 В            відстань між «абонентами» може становити 2…3 км. На фото схема            живиться від акумулятора типу  ТР7-12 (12V, 7AH) (акумулятор            поміщений у шкіряний футляр), але це не  обов’язково – можливо            живити схему і від гальванічних батарей.

Фото 1

       Як підняти паперовий літачок в повітря?

Для експерименту знадобляться:

•    клаптики тонкого паперу розміром 25 × 40 мм, 15 × 25 мм.

•    металева пластина, або алюмінієва фольга розміром 120 × 150 мм;

•    органіче скло товщиною 1 мм і розміром 170 × 200 мм; 

•    шерстяна тканина; 

•    пластмасова коробка розміром 140 × 200 × 40 мм ;

      З паперу виготовимо маленький літачок, а ще краще виготовити декілька літачків (шість великих і чотири маленьких). Ставимо літачки на «аеродром», тобто на металеву пластину. Над «аеродромом» на висоті 40 мм на пластмасову коробку встановлюємо органічне скло і натираємо його шерстяною тканиною – літачки піднімаються і прилипають до органічного скла. Щоб повернути літачки на «аеродром» треба легенько постукати по органічному склі. Причиною піднімання літачків є електризація. В процесі досліду було виявлено, що маленькі літачки легше піднімаються ніж великі. На фото 1 показано літачки на «аеродромі» на початку досліду. На фото 2 показано літачки на аеродромі після проведення досліду. 4-й, 6-й, 9-й, 10-й літачки «приземлились» за межами «аеродрома».

 Фото 1                                                                Фото 2

                Демонстрація іонної електропровідності скла 

   Провести демонстрацію іонної електропровідності скла дуже просто. Для цього беремо скляну трубочку, діаметром 6 мм (від піпетки) і по краях трубки намотуємо 20…30  витків оголеного мідного дроту, як це показано на фото 1. В коло вмикаємо електролампу на 26 В × 0,12 А і блок живлення на 26 В. При кімнатній температурі скло хороший ізолятор і електролампа не світить, що видно на фото 1.

                         Фото 1.

     Нагрівають скляну трубочку в полум’ї сухого пального- при певній температурі спостерігається електропровідність скла і електролампочка засвічується, як це видно на фото 2. При охолодженні скляної трубочки електропровідність скла зникає. 

                          Фото 2                                                                                                    

     Взаємодія між магнітом і кільцевим мотком дроту з постійним струмом 

Для досліду знадобляться:

•       Провід ПЭВ-2 діаметром 0,4…0,5 мм, 15 м.

•       Пляшечка діаметром 35 мм.

•       Нитка, довжиною 1 м.

•       Листок паперу

•       Два провідника багатожильні, довжиною по 30 см.

•       Магніт.

•       Батарейка на 1,5 В типу АА, 1 шт.

•       Ножиці

  На пляшечку необхідно намотати смужку паперу (2,3 витка), поставити три нитки через 120⁰ одну від одної. Намотати «внавал» 100 витків дроту, перев’язати  нитками моток дроту; забрати папір з пляшки і зняти моток з дротом. Під’єднати два провідники до провідників кільцевого мотка дроту, знявши емаль з провідників дроту  мотка. Підвісити на нитці кільцевий моток. Під’єднати до провідників мотка дроту батарейку, тобто подати постійну напругу на кільцевий моток дроту. Піднести магніт до кільцевого мотка – в залежності від полюса магніту кільцевий моток буде або притягуватись, або відштовхуватись. Якщо використовувати лінійний магніт і моток дроту буде відштовхуватись, то відштовхнувшись моток дроту повернеться іншою стороною і буде притягуватись до магніту. Якщо змінити напрям руху струму в кільцевому мотку дроту, змінивши полярність підключення батарейки, то рух мотку дроту зміниться на протилежний.

Лабораторна робота з фізики в домашніх умовах для учнів 11 класу «Дослідження кола з напівпровідниковим діодом»

    Досліди з фізики допоможуть ввійти до чудесного світу знань. Для учнів 11 класу вони будуть нескладними. Зрозумівши основні фізичні принципи і закони, учні відчувають себе більш впевнено. 

   Щоб вивчення законів фізики в домашніх умовах було безпечним, необхідно дотримуватися запобіжних заходів:

1.           Виготовлення блока живлення і його випробовування необхідно проводити за участю   дорослих, обізнаних в електротехніці. 

2.           Необхідно бути особливо уважними, якщо використовуються гострі, колючо-ріжучі  предмети, виконувати правила безпеки при роботах з електросхемами.

3.           Ознайомитись з правилами техніки безпеки при роботах з електросхемами (1).

     Напівпровідниковий діод  — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Широко застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, для випрямляння змінного електричного струму,  перетворення та помноження частоти, для переключення електричних кіл, а також для детектування.

Для експерименту знадобляться:

•                напівпровідниковий діод типу Д226Б, 1 шт.;

•                чотири провідника ізольованих довжиною по 10…15 см;

•                батареї типу АА (по 1,5 В), 4 шт.; 

•                відсік для батареї типу АА на 4 шт..; 

•                понижувальний трансформатор 220/6 В, тримач запобіжника, 

         запобіжник на 0,5 А, провід 2 × 1,5 мм², (2 м), електровилка; 

•                електророзетка 1 шт;

•                електровилка 1 шт;

•                електролампа розжарення 6,3 В х 0,28 А; 

•                патрон для електролампи розжарення на 6,3 В х 0,28 А

•                кусачки

    За допомогою кусачків знімаємо ізоляцію з обох кінців провідників по 20 мм. і під’єднуємо до діода, патрона. Батареї вставляємо в відсік і маємо батарею на 6 В. Збираємо схему, приведену на рис. 1, в якій батарея, напівпровідниковий діод (VD1) і електролампа розжарення (EL1) ввімкнені послідовно, причому напівпровідниковий діод підключений анодом до «+» джерела живлення. Результат такий, що електролампа світить яскраво, тобто діод при такому ввімкненні пропускає постійний струм. Слід зауважити, що без діода електролампа буде світити ще більш яскраво – це пояснюється тим, що напівпровідниковий діод має певний динамічний опір і на ньому буде падіння напруги 1,5 В, тобто до електролампи буде прикладена напруга на 1,5 В менша.

    Збираємо схему, приведену на рис. 2, в якій батарея, напівпровідниковий діод (VD1) і електролампа розжарення (EL1) ввімкнені послідовно, причому напівпровідниковий діод підключений катодом до «+» джерела живлення. Результат такий, що електролампа не світить взагалі, тобто діод при такому ввімкненні не пропускає постійний струм. 

   На практиці іноді виникає потреба зменшити напругу на декілька вольт, так для зменшення напруги на навантаженні на 3 В необхідно в ланку ввімкнути послідовно два напівпровідникові діоди

    Цікаво також, як веде «себе» напівпровідниковий діод в ланці змінного струму. Для цього досліду слід використати понижувальний трансформатор. Трансформатор можливо взяти від фільмоскопа, який має на виході напругу 6 В  (живиться електролампа на 6 В, 10 Вт). Можливо також використати силовий трансформатор від лампового радіоприймача, який має вихідну напругу 6,3 В для розжарення радіоламп, або уніфікований трансформатор типу ТН2, який також має на виході 6,3 В. Для безпечного користування понижувальним трансформатором його необхідно помістити в пластмасовий корпус і послідовно з вторинної обмоткою ввімкнути баластну електролампу розжарення на 12 В, 40 Вт (автомобільна), як це показано на рис. 3. Така конструкція фактично має захист від короткого замикання – при якому навантаження на «себе» візьме баластна електролампа. Збираємо схему, приведену на рис. 4 і підключаємо до виготовленого джерела живлення. Електролампа EL2 буде світити яскраво. Ввімкнем в коло напівпровідниковий діод, як це показано на рис. 5 і будемо спостерігати, що яскравість електролампи EL2 зменшиться вдвічі – пояснюється це тим, що напівпровідниковий діод «відрізає» одну напівхвилю синусоїдального струму. В даному випадку напівпровідниковий діод пропускає позитивну напівхвилю і затримує негативну напівхвилю. Такий же результат, тобто електролампа EL2 буде світити менш яскраво,  отримаємо; якщо поміняти полярність напівпровідникового діода, як це показано на рис. 6. В даному випадку напівпровідниковий діод пропускає негативну напівхвилю і затримує позитивну напівхвилю. 

   На практиці це також можливо використати для зменшення нагріву електроплиток, електрокамінів, і інших нагрівальних приладів, використавши для цього потужний силовий діод типу Д247. При такому включенні нагрівальні прилади будуть більш тривалий час працювати.

Література: 1. Правила техніки безпеки при роботі з електросхемами:  https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  в Інтернеті.

Автор:     Бабин    Дмитро     Святославович,    вчитель    фізики     і     астрономії     середньої

загальноосвітньоі школи I-III ступенів № 126 м. Києва