Роль физического эксперимента всегда положительно значима и имеет безусловный эффект в обучении. Однако часто учитель не может поставить эксперимент по различным причинам, включая нехватку оборудования или дорогостоящее его приобретение. Одной из возможностей решить такую проблему у меня появилась при разработке электронных измерительных и генерирующих приборов. Самостоятельная разработка электронных средств оказалась экономически более выгодной и творческой. С помощью выпускника прошлых лет, который увлекается электроникой и основную разработку взял на себя, мне удалось поставить ряд экспериментов и выполнить практические работы по темам «Полупроводники», «Переменный электрический ток».
Основные электронные устройства были разработаны и собраны на монтажной плате, а исследовательские элементы были установлены на макетной плате, что позволяло варьировать ими, меняя номинальные значения и подбирая наиболее удачные для проведения экспериментов.
Приведу два примера хорошо опробованных экспериментов на основе разработанных устройств.
Интересным собранным устройством стал генератор импульсного тока регулируемой частоты. С помощью него были проведены следующие эксперименты:
- демонстрация звуковых волн с помощью пьезоизлучателя (зуммера), к входу которого подведены сигналы генератора;
- демонстрация работы светодиодной лампы при подаче на нее переменного тока меняющейся частоты;
- показана зависимость силы тока и реактивного (индуктивного и емкостного) сопротивлений от частоты переменного тока;
- проведены опыты по резонансу в последовательной и параллельной цепи переменного тока.
При выявлении и изучении зависимости силы тока и сопротивления в цепи с катушкой индуктивности и конденсатором был выполнен ряд измерений, по результатам которых построены таблицы и графики зависимости тока и сопротивления от частоты переменного тока. Обучающиеся смогли не только получить теоретические знания, но и подкрепить, увидеть проявление законов и зависимостей физических величин в небольшой практической работе. Обучающиеся смогли аппроксимировать полученные результаты в приложении Exсel и объяснить их. Ниже приведены аппроксимированные графики зависимости реактивного сопротивления от частоты переменного тока.
Привожу фотографию такой установки, которая умещается в размеры книги форматом А5 при питании генератора - 5 Вольт. В левой части фото экспериментальной установки расположен генератор импульсного тока регулируемой частоты, в правой нижней части - элементы цепи для исследования и экспериментов. На макетной плате установлены элементы: зуммер, дроссельная катушка индуктивности на 68 мГн, конденсаторы 10 мкФ, 4,7 мкФ, 100 мкФ, светодиодная лампа. Индикатор генератора показывает меняющуюся частоту импульсного переменного тока, а шкала омметра мультиметра индицирует значение реактивного сопротивления цепи, состоящей из генератора и одного из конденсаторов. При переключении проводов на другие элементы, установленные на макетной плате, можно продемонстрировать все описанные выше эксперименты.
Сильными сторонами таких экспериментов являются: простота и наглядность, современность и компактность, индивидуальный подход творческое и аналитическое мышление.
Преимущества таких экспериментов очевидна: во-первых, это знакомство обучающихся с современной электронной элементной базой. Во- вторых, это возможность поставить учеником эксперимент самостоятельно. В-третьих, наглядность и индивидуальное проведение небольшой исследовательской работы. В-четвертых, экспериментальное подтверждение физических законов и закономерностей.
Еще одним интересным собранным электронным устройством стал прибор для регулировки выходного напряжения от 0 до 5 Вольт. С помощью устройства обучающимися были исследованы вольтамперные характеристики нескольких диодов в прямом направлении тока, а с добавлением стабилитрона была изучена вольтамперная характеристика в обратном направлении тока через полупроводник. С помощью проделанных экспериментов были выявлены рабочие диапазоны диодов и стабилитрона, показана их применимость в электронных схемах.
Фотография такой небольшой установки, питание которой производится от батареи гальванических элементов до 9 Вольт и более или от автономного зарядного устройства приведена ниже.
На фотографии изображено снятие вольтамперной характеристики стабилитрона, который расположен на макетной плате и соединен с регулируемым устройством напряжения от источника постоянного тока.
Достаточно большое количество измерений зависимости силы тока от изменения напряжения с помощью изготовленного электронного устройства позволило составить таблицы и построить графики вольтамперных характеристик.
Надеюсь, что и в дальнейшем появится возможность обучающимся прикоснуться к «тайнам» электроники, открыть удивительные возможности современных электронных элементов и проделать множество физических экспериментов.
Литература
1. Н.М.Шахмаев, Н.И.Павлов «Физический эксперимент в школе», часть 2, М., «Мнемозина», 2010.
2. Павел Кириченко «Цифровая электроника для начинающих», БХВ- Петербург, С-П., 2020.