Одной из задач современной школы является профессиональная ориентация обучающихся. С этой целью в школах открыты профильные классы, в том числе «Инженерный класс». Инженеры любой области используют свои знания в области фундаментальных и прикладных наук для решения практических задач и создания новых технологий, поэтому для успешной работы инженера очень важно глубокое знание всех разделов физики.
При обучении учащихся в инженерном классе необходимо показывать основополагающую роль физики в инженерных профессиях, практическое применение полученных знаний, поэтому в инженерных классах изучение теоретического материала можно сопровождать решением задач технической направленности, примерами, объясняющими принцип работы современных технических устройств и практико-ориентированными заданиями.
Частью образовательной программы для инженерных классов является элективный курс «Инженерный практикум», который дает возможность расширить знания учащихся в различных разделах физики, развивать инженерное мышление при выполнении экспериментальных заданий и формировать умения в решении практико-ориентированных задач (в том числе технической) направленности. Решение таких задач позволяет увидеть необходимость и полезность изучения физических законов, процессов, понятий для их применения в практической жизни.
Рассмотрим некоторые примеры задач технического содержания.
Задача 1. В ракетном двигателе РД-119 топливо состоит из горючего и окислителя. В качестве горючего используют НДМГ (несимметричный диметилгидразин), а в качестве окислителя жидкий кислород. Удельная теплота сгорания НДМГ q= 828 кДж/кг, секундный расход НДМГ m/t=12,35 кг/с, скорость истечения газов из сопла ракеты примите равной 3261 м/с. Рассчитайте мощность двигателя РД-119 и его силу тяги.
Задача 2. Сила тяги сверхзвукового авиалайнера при скорости полета 1,8 М (М – число Маха) равна 250 кН. Найдите мощность двигателей самолета в этом режиме полета и расход топлива на 8500 км пути. Плотность и удельную теплоту сгорания топлива Т-8 принять соответственно 800 кг/м3 и 41 МДж/кг. КПД двигателя 70%. [2]
Задача 3. Строительный подрядчик заключил контракт на строительство дома из газобетонных блоков, разрушающее усилие которых равно 660 кН. Какой наибольшей высоты можно построить дом? Размеры блока 250 x 1205 x 1220 мм, средняя плотность 500 кг/м3, запас прочности n = 10. [2]
Задача 4. В жаркую погоду водитель включил кондиционер. Температура на улице tу, а в салоне 
. Кондиционер работает по циклу Карно, где – температура нагревателя, а – температура холодильника. Рассчитайте потребляемую кондиционером мощность, если скорость передачи тепла между салоном и улицей через окна, обшивку автобуса и двери составляет 
, где 
. [2]
Задача 5. Рельсовые ускорители – рельсотроны устроены так, что скорость снаряда, разгоняемого силой Лоренца на выходе была максимально возможной. Оцените скорость снаряда на вылете, если индукция магнитного поля, направленная перпендикулярно рельсам, составляет 1,7 Тл. Примите расстояние между рельсами 8 см, массу снаряда 9 кг. Энергия поля 60 МДж при напряжении 1 кВ. (Индуктивность цепи считать постоянной, индукционными токами и электрическим сопротивлением пренебречь). [2]
Задача 6. Почему нельзя замыкать выводы источника питания? Что произойдет, если замкнуть выводы источника питания напряжением 120 В переменного тока проводом 12 калибра (диаметр провода 2,05 мм, площадь сечения 4,2 мм2, допустимая токовая нагрузка 9,327 А)?
Задача 7. На выходе схемы вибратора наблюдается сигнал переменного тока напряжением 680 мВ. Если подать этот сигнал на вход операционного усилителя, входное сопротивление которого 10 МОм, то какой величины ток будет поступать в микросхему?
Задача 8. Два конденсатора, один емкостью 1000мкФ, другой 470 – мкФ, собраны в схему, показанную на рисунке 1. На конденсаторы подается напряжение 10 В. Первоначально переключатель находится в положении В, затем переводится в положение А, после чего переводится обратно в положение В, потом снова в А и, наконец, обратно в В. Полагая, что времени между переключениями достаточно, чтобы конденсаторы полностью зарядились или разрядились, определите, каким будет конечное напряжение на каждом конденсаторе после последнего переключения.
Рисунок 2
Задача 9. Определить вес противовеса G1, обеспечивающий коэффициент устойчивости нагруженного крана при опрокидывании, равный 1,5, если вес крана G2 = 50 кН, вес груза G3 = 40 кН. Размеры указаны на рисунке 2.
Рисунок 2
Задача 10. В устройстве пожарной сигнализации биметаллическая пластинка нагрелась на 284 К. Найдите радиус кривизны пластинки при нагревании, если она составлена из стали и цинка, ее толщина 10 мм, коэффициенты линейного расширения стали и цинка соответственно равны и 
.
Экспериментальные работы в инженерном классе должны содержать элементы моделирования, конструирования, исследования, работу с различными техническими устройствами и направлены на решение прикладных задач. Приведем примеры таких заданий.
Задание 1 «Исследование эффектов Зеебека и Пельтье»
Цель работы: исследовать преобразование тепла в электрическую энергию и термоэлектрическое охлаждение.
Оборудование: набор «Теплота 2», мультиметр, соединительные провода, источник питания, горячая вода, лед (холодная вода), секундомер (работу можно проводить с датчиками температуры и регистратором данных).
Ход работы: собирают установку по исследованию эффекта Пельтье (рисунок 3), наливают в сосуды воду одинаковой температуры и объема, подключают установку к источнику питания и с помощью термометров (или датчиков температуры) фиксируют разность температур в сосудах. Строят график зависимости разницы температур горячей и холодной воды от приложенного напряжения и делают вывод.
Рисунок 3
Затем в один из сосудов наливают горячую воду, а в другой – холодную воду. Подключают установку к мультиметру (рисунок 4) и фиксируют появление напряжения, возникающего из-за разности температур. Строят график зависимости напряжения от разности температур и делают вывод.
Рисунок 4
Задание 2 «Сборка модели редуктора»
Из предложенного ограниченного набора конструктивных элементов собирают модель редуктора (рисунок 5), который способен развивать на трех различных осях три различных по величине усилия, и рассчитывают передаточные отношения. Проводят испытание полученной модели редуктора и рассчитывают его КПД.
Рисунок 5
Задание 3 «Сборка и исследование мостового выпрямителя»
Цель работы: изучить принцип работы мостового выпрямителя.
Оборудование: макетная плата, диоды (4 шт.), соединительные провода, резистор, генератор переменного тока, осциллограф.
Ход работы: собирают электрическую цепь по схеме (рисунок 6), получают и объясняют осциллограмму напряжения.
Рисунок 6
Выполнение таких заданий способствует формированию творческого мышления учащихся и исследовательских навыков, необходимых в работе современного инженера.
Литература
- Федеральная рабочая программа среднего общего образования. Информатика (углубленный уровень) (для 10-11 классов образовательных организаций). Москва: Институт стратегии развития образования. 2023. 52 с.
- Биология. Физика. Химия: 10–11-е классы: базовый уровень: сборник задач и упражнений: учебное пособие / Г.П.Кулягина, Л.В.Мещерякова, А.Н.Миловзорова и др.. – 5-е изд., стер. – Москва: Просвещение, 2022. – 159 с. – ISBN 978-5-09-095165-4.
- Официальный сайт Мэра Москвы. Городские проекты — Москва: [Электронный ресурс]. URL: https://profil.mos.ru/ (дата обращения: 03.10.2024).
- Лаборатории предпрофессионального образования. Экспериментальные задачи – Москва: [Электронный ресурс]. URL: https://labpredprof.ru/experimental-tasks/ (дата обращения: 03.10.2024).