Демонстрационный эксперимент, не смотря на огромное количество цифровых образовательных ресурсов, продолжает оставаться важнейшим элементом урока физики. Учителя физики, помимо стандартных материалов и приборов, зачастую используют самодельные устройства для демонстрации опытов из таких разделов физики, как механика, молекулярная физика и термодинамика [1].
В лаборантской кабинета физики часто можно найти бытовые приборы (фен), сувениры (гироскоп, маятники Ньютона и Максвелла), игрушки (левитирующие магниты) для демонстраций в различных разделах курса физики. Использование таких материалов увеличивает когнитивный аспект занятий, мотивирует учащихся к познавательной деятельности и добавляет к дисциплине практическую составляющую.
Рис. 1. Плазменные светильники
Одним из недорогих, но крайне полезных приборов для лаборантской кабинета физики является плазменный светильник, часто называемый плазменной лампой или плазменным шаром (рис. 1). Плазменный шар может быть использован для демонстрации при изучении тем в разделах “Электростатика”, “Электрический ток в газах” и др.
В основе принципа работы плазменного светильника лежит явление возникновения коронного разряда в сфере с разреженным газом вокруг электрода, на которое подается высокое переменное напряжение частотой около 30 кГц. Использование низкого давления внутри шара связано с уменьшением величины напряжения пробоя, цвет разряда определяется составом смеси инертных газов. Данная информация по принципу работы может быть использована при изучении темы “Коронный и искровой разряд” в разделе “Электрический ток в различных средах”, в том числе и для описания возникновения разряда молний [4]. Фрагмент презентации к уроку, демонстрирующий принцип действия плазменного светильника и возникновение молний приведен в приложении 1.
При наличии строчного трансформатора (например, от советских телевизоров) можно плазменный светильник сделать и из обычной лампы накаливания или лампы для авто и мототранспорта [2]. Небольшая модернизация прибора, позволяющая изменять параметры питания электрода плазменной лампы, поможет непосредственно определить напряжение пробоя [2].
Рис. 2. Свечение люминесцентной лампы в поле плазменного светильника
Демонстрация плазменного светильника возможна не только в теме “Электрический разряд в газах”, но и “Электромагнитное поле”. Для этого к включенному плазменному шару необходимо поднести люминесцентную (газоразрядную) лампу (лампу дневного света). Под действием электромагнитного поля плазменного светильника внутри газоразрядной лампы электрический разряд в парах ртути вызовет свечение люминофора на внутренней части газоразрядной лампы (рис. 2). Стоит отметить, что подобный эффект, но слабее, можно получить, поднеся наэлектризованное тело к люминесцентной лампе. Видео со свечением люминесцентной лампы вблизи плазменного шара представлено в приложении 2.
Эффект свечения люминесцентной лампы вблизи плазменной лампы можно использовать в демонстрационном эксперименте в разделе “Электростатика” тема “Потенциал и разность потенциалов” [4]. Суть демонстрации состоит в поднесении люминесцентной лампы к плазменному светильнику, при этом люминесцентную лампу следует держать либо за середину, либо двумя руками таким образом, что в части люминесцентной лампы свечения не происходит. Отсутствие свечения в части люминесцентной лампы при этом связано с отсутствием разности потенциалов. Таким образом, свечение люминесцентной лампы в окрестности плазменного светильника обусловлено разностью потенциалов, способных возбудить электрический разряд внутри лампы и вызвать свечение люминофора. Как говорилось выше, разряд внутри плазменного шара так же возникает из-за разности потенциалов между центральным электродом и внутренней поверхностью сферы плазменной лампы. Фрагмент презентации к уроку “Разность потенциалов” раздела “Электростатика” с демонстрационным экспериментом при помощи плазменного светильника приведен в приложении 3.
Более сложный демонстрационный эксперимент по теме “разность потенциалов”, для которого необходима помощь одного из учеников, можно выполнить следующим образом. Помощник аккуратно кладет руку на включенный плазменный светильник. Экспериментатор, держа люминесцентную лампу за один конец, прикасается к поверхности тела помощника люминесцентной лампой. Между люминесцентной лампой и поверхностью тела помощника существует разность потенциалов, но она мала для начала процессов электрического разряда внутри люминесцентной лампы. В некоторой точке поверхности головы (верхушка головы, кончик носа или подбородка, уши, шея), разность потенциалов достигает значения, способного вызвать свечение люминесцентной лампы. Справедливости ради стоит отметить, что эксперимент получается не с каждой люминесцентной лампой, плазменным шаром и помощником экспериментатора. Видео-фрагмент описанного выше демонстрационного эксперимента представлен в приложении 4.
Рис. 3. Конденсатор с помощью плазменной лампы
Еще одна демонстрация с использованием плазменной лампы возможна при рассмотрении темы “Электрическая емкость. Конденсаторы” [4]. Для демонстрации необходим кусочек проводящей металлической фольги (например, от шоколада) и лист бумаги, играющей роль диэлектрика. На верхней части выключенного плазменного шара помещается кусочек фольги, а на него кладут лист бумаги – получается простейшая модель конденсатора (рис. 3). При включении шара и поднесении пальца можно почувствовать электрический разряд, длительный нажим на листочек вызывает ожог и запах горелого мяса. Лист бумаги при этом прожигается. ВНИМАНИЕ! Эксперимент следует проводить с осторожностью – возможно поражение электрическим током и ожог! Видеофрагмент такого эксперимента приведен в приложении 5.
Демонстрационный эксперимент с использованием плазменного светильника возможен не только при объяснении электрических явлений. В основе принципа действия плазменного шара лежат квантовые представления, что дает возможность демонстрировать плазменный светильник при изучении раздела “Квантовая физика” таких тем, как “Строение атома” и “Энергетические уровни”. Объяснение работы плазменного шара с точки зрения квантовой физики может иметь следующий вид. Центральный электрод, служащий катодом, имеет отрицательный заряд, окружающая его сфера имеет положительный заряд и является анодом. Электроны испускаются катодом и движутся по направлению к аноду через разряженный инертный газ, заполняющий сферу. Сталкиваясь с атомами газа, электроны предают им часть своей энергии, причем энергия меняется дискретно (ступенчато). Значения энергий при переходе от одного состояния к другому называются энергетическими уровнями. В результате столкновений с электронами атомы инертного газа переходят на более высокий энергетический уровень, причем скорость перехода составляет 10-8 с. После перехода атом газа возвращается в прежнее состояние, излучая при этом фотон – этот процесс называется флуоресценцией. Энергия фотона пропорциональна частоте световой волны, от которой зависит цвет излучения. В зависимости от используемого в светильнике инертного газа, имеющего свои энергетические уровни, частота испускаемых фотонов, и как следствие цвет излучения, будут различными. Появление “змеек” от центра сферы к поверхности при работе плазменного шара связано с неоднородностью инертного газа, заполняющего шар. Внутри шара неизбежно имеются участки, имеющую температуру выше средней. Чем выше температура газа, тем выше ее проводимость, и электроны выбирают путь по точкам с большей проводимостью. Проходя через эти участки электроны еще больше нагревают газ, увеличивая проводимость, и еще большее количество электронов пройдет по этому пути. Таким образом образуются красивые газовые струи [3].
В заключении стоит отметить, что широкое распространение бытовых плазменных светильников и их доступность позволяют проводить подобные опыты в домашнем эксперименте учащихся, что увеличивает их мотивацию к обучению и развивает мышление [5].
Естественно, что пытливые умы учителей физики могут предложить и другие способы использования плазменных светильников в демонстрационном эксперименте на уроках физики.
Литература
1. Мохов Д.А. Простая наука. Увлекательные опыты для детей. - М.: ООО “Простая наука”, 2013.
2. Электронный ресурс: плазменный шар своими руками. Режим доступа [12.10.2014]: http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/327-plazmennyj_shar_svoimi_rukami.html.
3. Электронный ресурс: Экспериментарий. Музей занимательной науки. Режим доступа [12.10.2014]: http://experimentary.ru/pribors/.
4. Генденштейн Л.Э. Физика. 10 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для общеобразовательных учреждений (базовый уровень) / Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик – М.: Мнемозина, 2009.
5. Ковтунович М.Г. Домашний эксперимент по физике: пособие для учителя. - М.: Гуманитар. изд. ВЛАДОС, 2007.