1 I1,11
1 I I I I
1
J
■4
-1
i i
, i
» \
i м

Институт содержания и методов обучения
Академии педагогических наук СССР
Демонстроционный
эксперимент
по физике
в старших классах средней школы
Том II
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. ОПТИКА. ФИЗИКА АТОМА
ПОСОБИЕ ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ
Под редакцией А. А. Покровского
ИЗДАНИЕ 2-е, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1972

53(07)
Д31
Авторы: В. А. Буров, Б. С. Зворыкин, А. П. Кузьмин,
А. А. Покровский, И. М. Румянцев
Рекомендовано к изданию
Ученым советом
Института содержания и методов обучения
АПН СССР
Д31 Демонстрационный эксперимент по физике в
старших классах средней школы, т. II.
Электричество. Оптика. Физика атома. Пособие для учи*
телей. Под ред. А. А. Покровского. Изд. 2-е, пере-
р.аб. М., «Просвещение», 1972.
448 с. с илл. (Ин-т содержания и методов обучения. Акад.
пед. наук СССР).
На обороте тит. л. авт.: В. А. Буров, Б. С,
Зворыкин, А. П. Кузьмин и др.
В книге описана методика и техника подготовки и проведения
основных демонстраций по электричеству, оптике и физике атома.
6-5 53(07)
122-72
ПРЕДИСЛОВИЕ
В книгу вошли демонстрационные опыты по
электричеству, оптике и физике атома. Большинство из них
предназначается для основного курса физики по новой программе. Другие же
могут быть полезными на факультативных занятиях.
Почти все включенные в книгу опыты относятся к курсу
физики старших классов средней школы. Только в некоторых
местах, когда надо подчеркнуть логику развития эксперимента,
кратко напоминаются для повторения опыты, относящиеся к
восьмилетней школе.
Демонстрации подбирались, как и в первом томе, по
определенной системе. При этом учитывались все практические
работы, обязательные -для выполнения учащимися фронтально и
в виде практикумов.
Авторы не стремились везде и во всех деталях
истолковывать физику демонстрируемых явлений и закономерностей. Эту
задачу решают соответствующие курсы физики. В описаниях
подробно раскрываются главным образом методика и техника
эксперимента.
Форма описания опытов по всем разделам выдержана в
основном одинаковая, а методика и техника показа
рекомендуется разнообразная в зависимости от содержания я
назначения опыта. Кроме опытов качественного характера,
иллюстрирующих рассказ учителя, введены опыты, которые
количественно подтверждают ту или иную закономерность.
Описаны также опыты, которые служат экспериментальными
задачами или подготавливают учащихся к выполнению лабораторных'
работ в практикумах.
В виде исключения описаны и варианты некоторых
опытов там, где авторы нашли это необходимым.
3

При проведении некоторых опытов наряду с экспериментом
применяются стенные таблицы, кинокольцовки, кинофильмы.
Этот иллюстративный материал органически связывается с
опытами и вводится в описание для их развития и дополнения.
При разработке демонстрационных опытов применялось
учебное оборудование по физике, выпускаемое нашей
промышленностью. В тех случаях, когда этого оборудования
оказывалось недостаточно, авторы конструировали новые или
применяли уже известные самодельные приборы. Некоторые из вновь
сконструированных приборов, например демонстрационным
зеркальный гальванометр, демонстрационная
электроннолучевая трубка, наливные линзы, переданы для промышленного
изготовления.
При подборе оборудования для этого, как и для первого,
тома соблюдался принцип комплектности, заключающийся в
том, что один и тот же прибор в большинстве случаев
применяется не в одном каком-либо опыте, а в нескольких
разнообразных установках.
Все новые опыты и приборы для первого издания
разрабатывались авторами в секторе обучения физике Института
содержания и методов обучения АПН СССР, а для второго
издания— в лаборатории учебного оборудования по физике
Института школьного оборудования и технических средств обучения
АПН СССР.
Установки для каждого опыта собирались в различных
вариантах; из них выбирались методически лучшие и более
доступные средней школе. Окончательные варианты подвергались
тщательной проверке в школе № 315 Москвы и в
школе № 98 поселка Кратово Московской области. По материалам
проверки делались описания опытов и рисунки установок в
таком виде, в каком они должны быть поставлены учителем на
демонстрационном столе.
Чтобы легче было собирать и объяснять некоторые сложные
установки по электричеству, в описаниях приводятся схемы.
Эти схемы имеют методическое значение: они должны быть
повторены учителем на классной доске при объяснении смысла
опыта.
Второй том пособия написали: В. А. Буров—главы 7, 9 и
§ 2 из главы 3 (Институт школ Министерства
просвещения РСФСР); Б. С. Зворыкин —главы 2, 4 и 5 (Институт содер-
л
жанил и методов обучения АПН СССР); А. П. Кузьмин —§ I
и 2 из главы 6 (Московский областной педагогический
институт имени Н. К. Крупской); И. М. Румянцев —главы 1, 3 и 8
(Институт школьного оборудования и технических средств
обучения АПН СССР).
В приложении помещен, как и в первом томе, список новых
приборов и приспособлений, которыми следует пополнить
оборудование физического кабинета, чтобы обеспечить постановку
всех предлагаемых опытов. Из этого списка приборы 2, 15, 3!,
32 и 36 разработаны В. А. Буровым; 5, 9, 13, 14, 16, 17, 19,
21, 23—27 и 33 —Б. С. Зворыкиным; 4, 28 и 29 —А. П.
Кузьминым; 1, 3, 6—8, 10—12, 18, 20, 22, 34 и 35 —И. М. Румянцевым.
Работа по созданию книги проводилась под общим
руководством А. А. Покровского (Институт содержания и методов
обучения АПН СССР); им в основном подобрана тематика
демонстраций, написаны предисловие, введение и § 3 из главы 6.
Авторы
5

ВВЕДЕНИЕ
Постановка демонстрационных опытов по
электричеству и оптике, как и по другим разделам курса физики,
связана с правильным подбором специального оборудования,
применяемого в этих опытах, и умением обращаться с этим
оборудованием. Чтобы провести все необходимые опыты, надо
прежде всего обратить внимание на подбор источников,
регуляторов и усилителей электрического тока, на
демонстрационные электроизмерительные приборы и индикаторы и на
некоторые наиболее важные приборы по оптике. С этими приборами
необходимо ознакомиться заранее, до подготовки и проведения
• опытов.
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПРИБОРЫ
ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ
В физический кабинет средней школы должен быть введен
переменный ток на 127 или 220 в. В кабинете должен быть
установлен также распространенный в настоящее время
электрораспределительный щит типа ШЭ-59. От этого щита можно
получить плавно регулируемый (5—240 в) переменный ток до 9 а
или плавно регулируемый (0—70 в) выпрямленный
(пульсирующий) ток до 8 я.
Вместо щита можно воспользоваться переносным блоком
электропитания (рис. 1). Этот блок полностью заменяет собой
щит и удобнее его в эксплуатации '.
Кроме того, для физического кабинета надо приобрести
аккумуляторы лучше всего типа НКН-10, зарекомендовавшие
себя в школьной практике. Их собирают в батареи из трех
элементов, соединенных последовательно перемычками, и
помещают в деревянный ящик. На ящике ставят масляной краской
1 Блок разработан С. Ф. Кабановым и утвержден для промышленного
производства,
6
хорошо заметные издали
знаки — плюс и минус.
Э. д. с. такой батареи
равна 3,75 в, емкость —
10 а-ч, допустимый
разрядный ток — 2 а.
Для удобства
соединения с приборами на
болты выходных полюсов
батареи навертывают
специальные зажимы. Они
имеют сквозное отверстие
с нарезкой в нижней
части и гладкое в верхней
части. При сборке
демонстрационных установок
Это даст возможность Рис. 1. Переносный блок электропитания,
с одинаковым успехом
пользоваться соединительными проводниками с
наконечниками и в виде лапки, и в виде тычка (рис. 2).
Таких батарей аккумуляторов, приспособленных для
демонстрационных целей, надо иметь не менее двух.
Источником постоянного тока для многих опытов может
служить выпускаемый Главучтехпромом универсальный
выпрямитель ВУП-1 (выпрямитель универсальный полупроводниковый)
(рис. 3).
Этот прибор, питаемый от сети переменного тока
напряжением 127 или 220 в, может давать выпрямленное напряжение
350 в при максимальной нагрузке 200 ма и постоянное
(отфильтрованное) напряжение 250 в при нагрузке до 50 ма.
Постоянное напряжение можно регулировать от 0 до 250 в.
Рис. 2. Соединение проводников с
аккумуляторной батареей.
7

Кроме того, прибор
позволяет получить
постоянное напряжение,
регулируемое в двух пределах:
от 0 до +100 ей от 0
до —ЮО в при нагрузке
до 10 ма.
Если у выпрямителя
соединить
последовательно зажимы, с которых
снимается постоянное
напряжение 350 в и
постоянное регулируемое
напряжение 0±100 в, то
можно получить
напряжение до 450 в,
необходимое для питания
электроннолучевой трубки и
счетчика ионизирующих
частиц (опыты 37, 51, 53,
181, 182 и др.).
Для питания (накала) радиоламп выведены отдельные
зажимы с напряжением 6,3 в; с них можно брать переменный ток
до 3 а. Выпрямитель приспособлен для демонстрационных
целей: все зажимы, ручки потенциометров, сигнальная лампа и
выключатель выведеиы на переднюю панель кожуха. Новая
(последняя) модель выпрямителя ВУП-2 показана на рисунке 4.
Источником высоких напряжений (до 10 кв) должен быть
отдельн-ый высоковольтный выпрямитель. Такой прибор пока не
выпускается промышленностью, и его приходится собирать в
школьных условиях самостоятельно.
Весьма удобный высоковольтный выпрямитель (рис. 5)
состоит из сравнительно небольшого однофазного трансформатора
Рис. 3. Универсальный выпрямитель ВУП-1.
Рис.- 4. Новая модель выпрямителя ВУП-2.
Рис. 5.
Высо-
типа ТГ, выпускаемого
промышленностью для питания
газосветных рекламных ламп, и
несложного выпрямительного
устройства с четырьмя высоковольтными
столбиками типа Д1009 или
соответствующими селеновыми
столбиками.
Трансформатор помещен в
металлический кожух со съемной
крышкой и залит изолирующей
мастикой. Выпрямительное уст*
ройство собирается по схеме,
показанной на рисунке 6, и
монтируется под крышкой внутри
кожуха трансформатора.
Проводка для питания
трансформатора от осветительной
сети выводится сбоку кожуха и
оканчивается штепсельной вилкой
кое же напряжение должно быть
выведено через выпрямитель на гнезда,
вставленные в изолирующую пластину на
крышке прибора. Для безопасности
эксплуатации высоковольтного
выпрямителя в школьных условиях в цепь высокого
напряжения необходимо включить два
многоомиых резистора по 5—6 Мом;
их лучше вмонтировать внутри съемных
стоек с шаровыми выводами.
На одном из выводов сделано
отверстие, куда вставляется невысокий
металлический стержень с электростатическим
маятником в4 виде легкого шарика на
нити или на проволоке со свободным иод-
весом.
Этот маятник служит индикатором
работы трансформатора.
Важная особенность этого
выпрямителя, весьма полезная для постановки
многих опытов, заключается в том, что
даваемое им высокое напряжение можно
плавно регулировать. Для этого надо
питать выпрямитель через
автотрансформатор типа ЛАТР.
В настоящее время
промышленностью осваивается высоковольтный
преобразователь напряжения, показанный
Внешний вид
высоковольтного выпрямителя.
й-Х0\
t в
^JL?
"TI
-II-
с-или
г/ие.
fv п
II
6 1276
Сеть
Рис. 6. Схема
высоковольтного
выпрямителя:
А — предохранители иа
оборотной стороне
съемной крышки
(блокировка); 6 — переключатель
первичной обмотки
трансформатора: В —
германиевые выпрямительные
Столбы. (4 шт.)
9

Рис. 7. Высоковольтный
преобразователь
напряжения.
Нагрузхо
Рис. 8. Внешний вид и схема
автотрансформатора ЛАТР.
на рисунке 7 '. Этот прибор дает возможность получать
напряжение до 30 кв и полностью заменяет собой электрофорную
машину, а также высоковольтный индуктор ИВ-100.
Из регуляторов напряжения заслуживают внимания два
типа автотрансформаторов: ЛАТР-1 и ЛАТР-2 (рис. 8). Они
рассчитаны на напряжение 127—220 в и отличаются друг от друга
габаритами и максимальной нагрузкой: первый позволяет
получать ток до 9 а, а второй — до 2 а.
Особенно удобны для школьных опытов подобные
автотрансформаторы под названием «регуляторы напряжения школьные»
(РНШ). Они смонтированы вместе с вольтметром и закрыты
перфорированным кожухом (рис. 9). По вольтметру можно
следить за выходным
напряжением и в случае необходимости
проверять напряжение в сети.
Переключать вольтметр с
выходных зажимов на входные
можно
переключателем-тумблером, вмонтированным в
кожух с лицевой стороны
прибора.
Во многих опытах по
разным разделам курса физики
применяется усилитель
низкой частоты. Такой
усилитель, приспособленный
для демонстрационных целей,
выпускается Главучтехпромом
Рис.
9. Автотрансформатор
РНШ Главучтехпрома.
типа
Прибор разработан С. Ф. Кабановым.
10
Рис. 10. Усилитель низкой частоты в собранном виде н без
кожуха.
в комплекте приборов для изучения электромагнитных
колебаний и волн. Он смонтирован на открытой вертикальной
панели так, чтобы были видны все детали и схема соединений.
Прибор служит полезным наглядным пособием для изучения
устройства и действия усилителя. Однако в опытах, когда
усиление является лишь вспомогательной операцией, устройство
усилителя не должно отвлекать внимания учащихся от
основного явления. В таких случаях значительно удобнее и
методически целесообразнее пользоваться не учебным, а
вспомогательным, эксплуатационным прибором, имеющим более
совершенные технические качества.
Такой малогабаритный, переносный усилитель низкой
частоты, подходящий для школьных условий, выпускается
промышленностью (рис. 10); он описан в томе I, гл. 2, § 3 '.
Перед работой с прибором необходимо прежде
всего,поставить колодку для переключения питания соответственно
напряжению, сети и перевести ручку регулятора громкости в крайнее
левое положение. Затем надо проверить правильность
включения нагрузки, а также микрофона, звукоснимателя,
радиотрансляционной линии или приемника.
Основными электроизмерительными приборами во многих
опытах по электричеству служат демонстрационные
амперметр и вольтметр последней конструкции,
выпускаемые Главучтехпромом (рис. 11). Корпус этих приборов
изготовлен из пластмассы, магниты — из специального сплава;
имеются сменные шкалы, корректор, набор шунтов или
сопротивлений; вместо переключения вилкой, как было в приборах
прежней конструкции, поставлены дополнительные зажимы на
корпусе. Эти же приборы являются и гальванометрами со
шкалой 5-0-5.
Один из новых приборов (гальванометр от амперметра)
имеет внутреннее сопротивление (обмотка на рамке, спиральные
1 См. также брошюру «Усилитель низкой частоты», прилагаемую к
прибору при покупке. Одесса, завод «Красный Октябрь», 1968.
И

Рис. И. Амперметр и вольтметр демонстрационные; у
амперметра поставлен шунт, у
вольтметра—дополнительное сопротивление.
пружины, монтажный провод) приблизительно 385 ом. При
токе в 0,25 ма стрелка гальванометра отклоняется на пять
делений шкалы 5-0-5. Иначе говоря, чувствительность этого
гальванометра 5-Ю-5 а/дел.
Другой прибор (гальванометр от вольтметра) имеет
внутреннее сопротивление значительно меньшее, приблизительно 2,3 ом.
При напряжении 10 мв стрелка отклоняется от среднего
положения до крайнего деления. Таким образом, чувствительность
этого прибора равна 2-10~3 в/дел.
Чтобы воспользоваться этими приборами как
гальванометрами, достаточно подключить внешнюю цепь к двум нижним
красным зажимам на лицевой панели корпуса; между этими
зажимами сделана надпись «Гальванометр».
Демонстрационные амперметры и вольтметры являются
универсальными приборами магнитоэлектрической системы. Они
служат, как указывалось выше, чувствительными
гальванометрами и измерительными приборами для постоянного и
переменного тока, Амперметр позволяет выполнять измерения в
следующих двух пределах: 0—3 а и 0—10 а, а вольтметр: 0—5 в и
0—15 в для постоянного тока, и 0—15 в и 0—250 в для
переменного тока.
К приборам прилагается по пять шкал: одна для
гальванометра и по две шкалы для измерения постоянного
непеременного тока. Кроме того, к амперметру прилагаются два наружных
шунта: на 3 а и 10 а (оба для постоянного и переменного тока),
а к вольтметру — четыре добавочных наружных резистора:
два для постоянного и два для переменного тока.
Запасные шкалы хранятся в дополнительных гнездах вверху
корпуса, а шунты и добавочные резисторы — в выдвижных
12
ящиках у задней стенки корпуса, куда выведена и головка кор«
ректора.
На передней панели корпуса, кроме зажимов для
гальванометра, имеются черные зажимы. Из них средний является
общим, левый — для переменного тока (на нем знак <--) и
правый— для постоянного тока (на нем знак +).
На рисунке 12 показаны принципиальные схемы амперметра
н вольтметра. Буквой R\ обозначен добавочный проволочный
резистор, а буквой /?2—добавочный постоянный
непроволочный резистор, и последовательно соединенный с ним
проволочный резистор, величина которого подгоняется при
окончательной регулировке прибора.
Тщательные исследования показали, что описанные
электроизмерительные приборы не удовлетворяют полностью всем
требованиям школьного физического эксперимента. Во-первых,
добавочных шунтов, а также резисторов явно недостаточно.
Приходится, например, самостоятельно подбирать шунт на
предел измерения 0—1 а и добавочный резистор для
переменного тока на предел измерения 0—5 в.
Во-вторых, чувствительность гальванометров от амперметра
и вольтметра низка. При такой чувствительности нельзя
показать некоторые важные в методическом отношении опыты.
Применение же самонивелирующегося зеркального
гальванометра, требующего постоянной установки, не находит по
ряду причин широкого распространения в школьной практике.
Поэтому приходится дополнительно к амперметру и вольтметру
иметь специальный переносный гальванометр, описанный в
томе I, или применять усилитель к описанным выше приборам
Главучтехпрома, или иметь два отдельных демонстрационных
чувствительных гальванометра, один с большим и другой с
малым сопротивлением.
Простой усилитель к демонстрационному
гальванометру собирается на двух одинаковых транзисторах (тип П13, ПИ,
гальбанопетр
Г Г
(аль&йнопето
Рис. 12. Принципиальные схемы амперметра
(слева) и вольтметра.
13

Рис. 13. Схема усилителя постоянного тока для
демонстрационного гальванометра.
П15 и др.) по мостовой
схеме (рис. 13),
обеспечивающей линейное
усиление входного
сигнала.
Демонстрационный гальванометр
включается в
диагональ моста, плечи
которого образованы
резисторами R3, i?4, #5 И
внутренними
сопротивлениями
транзисторов.
Усилитель питается
от одного
гальванического элемента типа
ФБС-0,25. Нуль
гальванометра
устанавливается при помощи переменного резистора #4, при этом
резисторы /?з и R5 обеспечивают' плавность регулировки нуля.
При подаче напряжения на вход усилителя (к зажимам / и
2) коллекторный ток у первого транзистора увеличивается, а у
.второго — уменьшается, баланс моста нарушается, и стрелка
гальванометра отклоняется пропорционально входному
напряжению.
Усилитель
монтируется на изолирующей
панели размером 30X150 мм,
которая служит крышкой
корпуса (рис. 14).
На лицевую сторону
панели выводятся ручка
переменного резистора
Ri и входные
зажимы / и 2, а на обратную
сторону — выходные
зажимы 3 и 4,
выполненные в виде штепселей, и
кнопка К (см. рис. 14)
для включения
источника тока.
К зажимам 5 и 6,
расположенным на лицевой
стороне панели, в случае
необходимости можно
подключить внешний
источник постоянного тока Рис_ 14 Внешннй вид и монтаж усилатмя
напряжением 1,5—4 в. к демонстрационному гальванометру.
14
При пользовании усилителем его входные штепсели
вставляются в универсальные зажимы демонстрационного
гальванометра.
При этом кнопка К прижимается к боковой стенке
гальванометра и автоматически включает источник питания.
Описанный.усилитель повышает чувствительность
демонстрационного гальванометра примерно в 20—50 раз, что вполне
достаточно для постановки большинства школьных опытов.
Отдельные гальванометры высокой чувствительности можно
сделать из демонстрационных электроизмерительных приборов
Главучтехпрома. Надо взамен стрелки укрепить на оси
вращающейся рамки легкое маленькое плоское зеркальце,
вырезанное из покровного стекла и посеребренное химическим путем.
Затем воспользоваться простым осветителем, собранным из
маловольтной лампы, питаемой от батарейки карманного фонаря,
и небольшой двояковыпуклой линзы. Патрон для лампы и
линза вставляются в картонную или металлическую трубку,
которая закрепляется в бокозой стенке кожуха гальванометра.
Облегченная (без стрелки) рамка будет значительно
подвижнее, и чувствительность прибора заметно возрастет. Показания
же будет выполнять вместо стрелки пучок лучей света,
отраженный от зеркальца и направленный на шкалу. При этом
шкала расширяется, так как угол поворота отраженного пучка
в два раза больше угла поворота рамки.
Чтобы еще больше увеличить чувствительность прибора идо-
вести ее, например, у гальванометра от амперметра до
Ю-7 а/дел, надо возвращающую пружину заменить другой,
менее упругой '.
Такой прибор показан на рисунке 15. Изготовленный из
амперметра, он чувствителен по напряжению и служит
милливольтметром. Изготовленный из вольтметра — чувствителен по
току и является миллиамперметром. Применение этих приборов
показано в опытах 15, 24, 84, 85, 160.
При изучении многих электрических явлений и особенно
свойств переменного тока чрезвычайно полезен школьный
электронный осциллограф ОЭШ-61, который наряду
с другими типами осциллографов находит все большее
распространение в школьной практике. Обращение со школьным
осциллографом описано в томе I, гл. 2, § 3. Схема и детали
устройства весьма подробно представлены в брошюре,
прилагаемой к прибору при покупкеа.
Однако надо правильно определить методику введения этого
сравнительно нового прибора и границы его применимости в
средней школе. В научно-исследовательских лабораториях
1 Можно уменьшить упругость пружины, протравив ее в 10-процентном
растворе азотной кислоты в течение 3—5 минут.
1 См.: «Осциллограф элеитронный школьный ОЭШ-61» (инструкция по
эксплуатации). М., «Просвещение», 1964.
15

электронный осциллограф — это
только инструмент, автоматически
вычерчивающий кривые исследуемых
процессов, в средней же школе этот
прибор служит и объектом изучения.
Неправильное введение
осциллографа в школьную практику часто
порождает у учащихся сомнение в
объективности характера наблюдаемых
осциллограмм. Ученик видит, как
учитель, ловко действуя
многочисленными ручками управления, заставляет
кривую на экране осциллографа
сжиматься и растягиваться, перемещаться
Рис. 15. Демонстрационный в разных направлениях и испытывать
зеркальный гальванометр многообразные превращения. У него
высокой чувствительности. сдается представление, что форма
получаемых на экране кривых или
относительное расположение кривых обусловлены не столько
характером изучаемых явлений, сколько умением и желанием
учителя.
Чтобы не создавалось такого неправильного представления,
необходимо при первом ознакомлении с осциллографом
показать на опыте, что с помощью ручек управления можно только
произвольно изменять масштаб и сдвигать всю осциллограмму в
целом в том или ином направлении. Важно подчеркнуть, что при
этом характер кривой нисколько не изменяется, так как он
зависит только от характера сигналов, подаваемых на вход
осциллографа.
Опыты, в которых индикатором служит электронный
осциллограф, как правило, требуют особенно тщательной настройки.
Осциллограф должен быть заранее так отрегулирован, чтобы
во время опыта не пришлось менять масштаб или подбирать
частоту горизонтальной развертки, если в этом нет особой
необходимости.
Не следует переоценивать значение осциллографа и за этот
счет сокращать демонстрации, не требующие его применения
Например, желая показать, что токи в обмотках нагруженного
трансформатора находятся в противофазе, можно
воспользоваться двухлучевым осциллографом. Но лучше
продемонстрировать опыт Томсона с выбрасыванием кольца с сердечника
трансформатора (см. опыт 104, п. 2). Этот опыт весьма убедительно
показывает, что здесь токи имеют противоположное
направление и потому отталкиваются.
В приводимых далее опытах по электричеству могут
применяться осциллографы ОЭШ-61 и ЭО-7 как отдельно, так н с
электронным коммутатором, а также осциллографы и
коммутаторы других типов.
16
§ 2. НЕКОТОРЫЕ ПРИБОРЫ ПО ОПТИКЕ
К основным приборам этого раздела относятся
универсальный проекционный аппарат ФОС-115, описанный во введении к
тому I, и универсальный прибор для изучения законов
геометрической оптики, выпущенный в свое время промышленностью.
Первый прибор применяется почти во всех разделах "курса
физики; он относится к числу весьма распространенных приборов
и имеется почти в каждой школе.
В средней школе-десятилетке к проекционному аппарату
необходимо дополнительно приобрести дуговую лампу, (она
продается отдельно) и смонтировать ртутную лампу с
приспособлением для зажигания. Кроме того, надо приобрести два набора:
один по интерференции и дифракции света и другой по
поляризации света. Эти наборы подробно описаны далее (гл. 6, § 1 иЗ).
На рисунке 16 показано устройство дуговой лампы,
выпускаемой Главучтехпромом. На сравнительно массивном
основании лампы смонтированы два ходовых винта / с коническими
шестернями 2. Благодаря этому при вращении ручки 3
одновременно и равномерно перемещаются угледержатели 4 в двух
взаимно перпендикулярных направлениях. Угли в держателях
закрепляются пружинящими зажимами 5. К основанию лампы
прикреплена скоба 6 со
стержнем 7 для установки прибора в
рейтере и с двумя зажимами 8
для подключения тока к угледер-
жателям.
Во время работы лампа
накрывается металлическим
кожухом с двумя окнами: на одной
стороне — смотровое с цветным
стеклом для наблюдения за
горением дуги, на другой — окно
большего размера с
металлической задвижкой. Через второе
окно можно вводить в пламя дуги
различные вещества для
демонстрации линейчатых спектров, а
также проецировать дугу на
экран. В верхней части кожуха
сделаны вентиляционные отверстия
с козырьком-затемнителем, чтобы
прямые пучки света от дуги не
выходили через них наружу и не
мешали наблюдению.
До начала работы с лампой
надо зачистить концы углей на- Рис, i6. дуг0вая лампа без ко-
пильником или наждачной шкур- жуха.
2 Заказ № 6047
. 17

кой и вставить их в держатели. Для этого слегка оттягивают
пружинящий зажим, подводят под него уголь и затем
отпускают зажим. Пружины достаточно плотно прижимают
вставленный уголь к держателю и обеспечивают необходимый контакт.
Между концами углей оставляют зазор в 5—6 мм.
Питать электрическую дугу можно постоянным или
переменным током. В зависимости от диаметра углей (5—8 мм) сила
тока будет 5—8 а. Когда пользуются переменным током 220 или
127 в, то надо иметь понижающий трансформатор мощностью
не менее 300 вт с напряжением во вторичной цепи
приблизительно 40 в. Кроме того, для регулирования тока и спокойного
горения электрической дуги во вторичную цепь последовательно
с дугой включается реостат с подвижным контактом. Реостат
должен быть рассчитан иа ток 5—8 а и иметь сопротивление
около 3 ом. Схема включения электрической дуги показана на
рисунке 17.
Вращая ручку ходового винта по часовой стрелке, осторожно
сводят концы углей до соприкосновения и тотчас же медленно
разводят их. При этом между концами углей образуется
электрическая дуга.
Расстояние между углями должно быть практически
подобрано так, чтобы дуга горела спокойно. Это расстояние следует
поддерживать постоянным во время работы: по мере сгорания
углей сближать их концы, вращая ручку ходового винта по
часовой стрелке.
Если в физическом кабинете не окажется подходящего
трансформатора и реостата, то можно воспользоваться простым
самодельным жидкостным реостатом. В стеклянную банку
емкостью 2—3 л наливают 10—20-процентный раствор соды
(можно поваренной соли или медного купороса) и опускают в него
два металлических электрода с зажимами для проводов.
Включив такой реостат последовательно с дугой в сеть переменного
тока на 127 или 220 в и приближая постепенно один электрод
к другому, можно получить нормальные условия для горения
Дуги.
Наиболее распространенной.в настоящее время и доступной
средней школе можно считать ртутную лампу ПРК-4. Мощность
лампы равна приблизительно
220 вт. Лампа включается в
сеть переменного тока на
127 в по определенной схеме
(рис. 18) и потребляет в
пусковом режиме ток 5 а, а в
установившемся режиме 3,75—4 а.
Нормальное рабочее
положение лампы горизонтальное
Рис. 17. Схема включения элек- (допускается отклонение не
трической дуги в сеть. СВЫШе 15 ),
18
Внешний вид и устройство
осветителя с ртутной лампой
ПРК-4 показаны на рисунке 19.
Лампа в осветителе
устанавливается на подставке из
изолирующего термостойкого материала.
Ниже лампы в небольшой
плоской коробке, отделенной от
корпуса асбестовой прокладкой,
вмонтированы два конденсатора
Cj и С2 и кнопка К (см. схему).
Конденсатор С3 укрепляется
вместе с лампой.
В корпусе осветителя на
одной из боковых сторон сделано
окно с пазами, в которые
вдвигается рамка с увиолевым
стеклом. Внизу и вверху корпуса
предусмотрены отверстия для
вентиляции с козырьками, устраняющими прямое просвечивание
ультрафиолетовых лучей. В середине дна корпуса укреплен
металлический стержень, позволяющий устанавливать прибор
в рейтере проекционного аппарата или в треноге от универсаль*
ного штатива.
Осветитель имеет два зажима и кнопку, которая выполняет
роль ключа К. Для зажигания лампы к зажимам присоединяют
последовательно дроссель и реостат со скользящим контактом
на 6 ом и 5 с.
Рис. 18. Схема включения ртутной
лампы типа ПРК-4:
а—.лампа; б —дроссель; в
—переменный резистор; К — ключ; С\ —
конденсатор 2—3 мкф; Сг — конденсатор
0,0003—0,0005 мкф; Сэ — конденсатор
0.05 мкф.
Рис. 19. Внешний вид и монтаж осветителя:
/ — лампа о конденсатором С3; 2 »- коробка с
конденсаторами Ci в Cj; 3 —рамка с увиолевым етеклом;
4 — зажимы.
Рис. 20. Дроссель
для зажигания
ртутных ламп.
2*
19

На рисунке 20 показан самодельный дроссель для зажигания
ртутных ламп. Он состоит из съемной катушки, сделанной по
размерам сердечника от универсального трансформатора, на
'которую наматывают 280 витков провода ПЭЛ-1, и сердечника.
Индуктивность такого дросселя с полностью замкнутым
сердечником будет 50 мгн, а активное сопротивление около 1 ома.
На катушке для удобства укреплена колодка с четырьмя
универсальными зажимами, из которых два средних замкнуты
между собой перемычкой. Через два верхних зажима вилка со
шнуром от проекционного аппарата соединяется с ртутной
лампой, а через два нижних зажима дроссель включается в сеть
переменного тока на 127 в. Когда пользуются соединительными
проводами без вилок, то два средних зажима остаются
свободными.
Перед включением лампы в сеть реостат полностью выводят
и, пользуясь кнопкой, зажигают лампу. Когда она загорится,
реостатом доводят величину тока до 3,75—4 а.
При первом зажигании лампы полезно в цепь включить
амперметр. Это позволит определить место подвижного контакта
на реостате, установить там ограничитель и в дальнейшем не
пользоваться измерителем.
Универсальный прибор для изучения законов
геометрической оптики, выпущенный Главучтехпромом,
образовался из комбинации двух отдельных приборов:
оптического диска и прибора А. И. Глазырина, предназначенного Для
демонстрации хода лучей в оптических инструментах. В свое
время такая комбинация была вызвана тем, что из программы
по физике для семилетней школы был исключен совсем раздел
оптики.
Сейчас соединять эти приборы в один нет необходимости,
тем более что такая комбинация привела не к улучшению, а к
значительному ухудшению приборов и качеству
демонстрируемых с ними опытов. Источник света в специальном осветителе
оказался для универсального прибора слишком слабым, а
управление световыми пучками с помощью поворачивающихся
плоских зеркалец стало очень ненадежным. Поэтому в школах
опыты с универсальным прибором или совсем не проводятся,
или показываются лишь частично.
Целесообразно вернуться к прежним двум приборам (они
сохранились во многих школах) и.показывать опыты, как описано
в главе 7, т. е. пользоваться в установках осветителем от
универсального проекционного аппарата. В этом осветителе
применяется весьма удобная кинопроекционая лампа К-18 (300 вт,
127 в) или К-12 (300 вт, ПО в). Можно также воспользоваться
и самодельным приспособлением, подробно описанным в
методической литературе '.
1 А. П. Кузьмин, А. А. Покровский., Опыты по физике с
проекционной аппаратурой, М., Учпедгиз, 1962, стр. 83—89.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
21

ГЛАВА I
ЭЛЕКТРОСТАТИКА.
ПОСТОЯННЫЙ ТОК
§ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ
ОПЫТ Электризация. Взаимодействие
1 наэлектризованных тел
Оборудование: 1) штатив изолирующий с легко вращающейся
насадкой, 2) палочки: эбонитовая, из органического стекла, металлическая
на изолирующей ручке, 3) кусок меха и листовой резины, 4) различные тела:
деревянная рейка, металлическая трубка или стержень, пластмассовая
линейка, 5) склянка с тубусом внизу и краном, 6) электрофорная машина,
7) подъемный столик, 8) кювета для стока воды, 9) разрядник на
изолирующей ручке, 10) проводник соединительный.
С целью повторения, расширения и углубления начальных
сведений об электричестве, известных учащимся из курса VII
класса, необходимо воспроизвести некоторые явления и
дополнить их новыми наблюдениями.
Явление электризации надо продемонстрировать с
различными телами. Наэлектризованную эбонитовую палочку или
палочку из органического стекла подносят к деревянной рейке
(рис. 21). Рейку помещают в углубление самодельной легко
вращающейся насадки, установленной на острие в изолирующем
штативе (устройство и размеры насадки показаны на этом же
рисунке отдельно). Наблюдают притяжение рейки к палочке.
Затем заменяют рейку пластмассовой линейкой, металлической
тт*щшятщвщшет1Щте№>*
wt
Рис. 21. Притяжение рейки наэлектризованной палочкой.
22
трубкой и показывают их притяжение к различным
наэлектризованным палочкам: эбонитовой, стеклянной и металлической.
Благодаря удобной смене и легкой установке различных тел на*
вращающейся насадке, можно эту часть опыта за короткое
время выполнить в разнообразных вариантах.
Чтобы показать притяжение струи воды к наэлектризованной
палочке, собирают простую установку.по рисунку 22, но без
электрофорной машины. Пользуясь краном, получают
достаточно заметную, но не слишком сильную струю воды и подносят к
ней сверху и несколько сбоку хорошо наэлектризованную
палочку. Наблюдают, как струя, притягиваясь, изгибается в
сторону наэлектризованной палочки.
После этого демонстрируют взаимодействие
наэлектризованных тел (притяжение и отталкивание) и устанавливают два
рода электрических зарядов. Здесь также удобно воспользоваться
легкоподвижной насадкой на изолирующем штативе и
минимальным набором палочек: эбонитовой, стеклянной и металли-:
ческой с ручкой из органического стекла. Например, для
демонстрации взаимного отталкивания помещают на насадку
наэлектризованную палочку из органического -стекла и к ней подносят
наэлектризованную ручку от металлической палочки.
Взаимное притяжение легко показать, воспользовавшись
наэлектризованными эбонитовой и стеклянной палочками.
В заключение полезно вернуться к опыту со струей воды и
показать ее электризацию. С этой целью опускают в воду один
конец длинного проводника, соединенного с кондуктором
электрофорной машины, как показано на рисунке 22 пунктиром. Mav
шину устанавливают на достаточном расстоянии от струи.
Рис. 22. Притяжение струи воды к наэлектризован'
ной палочке.
23

Сначала пускают воду без электризации и обращают
внимание учащихся на характер струи, у которой лишь в самом конпс
заметно легкое разбрызгивание. Затем медленно приводят и
действие машину и наблюдают, как струя почти у самого
выхода начинает разбиваться и далее широко разбрызгиваться в
результате отталкивания одноименно заряженных капель. Для
лучшей видимости можно струю или подсветить снизу
небольшой лампой или спроецировать в виде тени на экран.
Если после этого нейтрализовать заряды, соединив
разрядником кондукторы машины, то будет хорошо заметно, как струя
вновь приобретает прежний вид.
ОПЫТ Одновременная электризация двух тел
2 при соприкосновении
Оборудование: 1) электрометры с шарорыми кондукторами —
2 шт., 2) пластинки д!я электризации, 3) разрядник на изолирующей ручке.
При электризации соприкосновением (трением) заряжаются
оба тела равными и разноименными зарядами. Это можно
наглядно показать, если воспользоваться двумя пластинками для
электризации (эбонитовой и из органического стекла) и
электрометром с большим полым шаровым кондуктором.
Сначала вносят в полый шар незаряженные пластинки
поочередно и убеждаются, что электрометр не обнаруживает
каких-либо зарядов. Затем электризуют пластинки, потерев одну
о другую, и опять порознь вносят их внутрь шара. Теперь при
внесении каждой пластинки стрелка электрометра отклоняется
на одинаковый угол. На это обращают внимание учащихся.
Наконец, вносят в полость шара, не касаясь стенок, сразу
обе пластинки (рис. 23, а). Электрометр не обнаруживает
никакого заряда — стрелка не отклоняется. Если же удалить
одну из пластинок, то стрелка опять отклонится как и в первом
случае.
Из опыта делают вывод, что заряды на обеих пластинках
противоположны по знаку и равны по величине.
Опыт полезно продолжить, воспользовавшись двумя
одинаковыми, предварительно выверенными электрометрами.
Наэлектризованные друг о друга пластинки вносят в полые шары
электрометров, как показано на рисунке 23, б. При этом стрелки
электрометров отклонятся на одинаковый угол. После этого
кондукторы электрометров соединяют проводником на
изолирующей ручке и наблюдают, как стрелки возвращаются на нуль,
что указывает на разноименность зарядов и на их равенство
ло величине.
Электрометры выверяются следующим простым приемом.
Заземлив корпусы приборов, соединяют верхние их стержни
проводником и заряжают. У прибора, указатель которого отклонил-
24'
Рис. 23. Демонстрация одновременной электризации обоих тел.
ся на больший угол, снимают переднее стекло. Чтобы показания
приборов были одинаковыми, нижний конец стрелки открытого
электрометра слегка нагружают. Для этого мягкой кисточкой,
смоченной'лаком (нитролак, спиртовой лак), аккуратно
касаются нижнего конца стрелки. Лак на стрелку наносится в очень
малых количествах, поэтому операцию эту следует проводить
осторожно.
Затем вновь заряжают электрометры и наблюдают,
насколько одинаковы углы отклонения указателей. Если показания
одинаковы, то оставляют электрометр на некоторое время открытым.
Когда лак высохнет, проверку повторяют и электрометр
закрывают. .
ОПЫТ Распределение зарядов на поверхности
3 проводника. Электрический ветер
Оборудование: 1) сетка Кольбе, 2) штатив изолирующий,
3) острие, 4) колесо Франклина, б) свеча на подставке, 6) лапка с муфтой,
7) палочка эбонитовая или из органического стекла с куском меха, 8) элек-
трофорная машина, 9) кондуктор конусообразный, 10) пробный шарик.
Гибкую металлическую сетку с бумажными лепестками
устанавливают на демонстрационном' столе, как показано на
рисунке 24, и электризуют палочкой из органического стекла или
эбонитовой. Лепестки на обеих сторонах сетки отклоняются
одинаково. Это дает основание считать, что электрические
заряды распределяются по всей поверхности равномерно.
25

Рис 24. Равномерное распределение зарядов на плоской
поверхности.
Затем изгибают сетку различными способами и показывают,
что всякий раз на вогнутых поверхностях сетки лепестки
опадают, а на выпуклых поверхностях — отклоняются сильнее
(рис. 25).
После этого демонстрируют известный опыт с
конусообразным кондуктором, перенося заряды с различных его точек
пробным шариком на электрометр.
Особенно большая плотность электрических зарядов
создается на остриях. Молекулы воздуха вблизи острия
ионизируются и возникает поток ионов, направленный от острия. Чтобы
продемонстрировать это явление, укрепляют на изолирующем
штативе металлический стерженек с острием (из комплекта
электрометров) и соединяют его с одним из кондукторов элект-
рофорной машины (рис. 26). Против острия зажимают в лапке
Рис. 25. Плотность электрических
зарядов больше на выпуклой поверхности.
Рис. 26. «Электрический ветер»;
вверху вертушка с остриями.
2S
штатива подставку с зажженной свечой '. При вращении
машины наблюдают «электрический ветер», который сильно
отклоняет пламя свечи и может ее погасить.
После этого заостренный стерженек переставляют в верхнее
торцовое отверстие изолирующего штатива и, не отключая
штатив от машины, насаживают на острие вертушку — колесо
Франклина, (рис, 26, вверху). При работе злектрофорной
машины колесо начинает быстро вращаться.
ОПЫТ Электростатическая индукция.
4 Электрофор
Оборудование: 1) электрометры с шаровыми кондукторами —
2 шт., 2) палочки: эбонитовая, стеклянная и металлическая на изолирующей
ручке, 3) куски меха, кожи и листовой резины, 4) конденсатор разборный
(электрофор), 5) разрядник на изолирующей ручке, 6) пружина от ведерка
Архимеда, 7) штатив универсальный.
Задача данного опыта состоит в том, чтобы напомнить
учащимся явление электростатической индукции, т. е. показать
способ разделения электрических зарядов в проводнике путем
внесения его в электрическое поле, и научить школьников
применять это явление для определения знака неизвестного заряда.
Такое определение часто требуется в других опытах.
Сначала показывают, как поднесение наэлектризованной па-.
лочки к незаряженному электрометру вызывает постепенное
отклонение стрелки; при этом, чем ближе наэлектризованное тело,
тем больше показания электрометра. Удаляют влияющий заряд
и наблюдают нейтрализацию зарядов на электрометре.
После этого заряжают электрометр прикосновением,
например, от палочки из органического стекла так, чтобы угол
отклонения стрелки был небольшим. Затем электризуют эту палочку
и палочку эбонитовую и снова поочередно приближают их к
электрометру, не касаясь его. При этом наблюдают, что от
стеклянной палочки угол отклонения стрелки электрометра
увеличивается, а от эбонитовой уменьшается.
Опыт повторяют, поменяв знак заряда электрометра. Таким
образом раскрывают способ определения знака заряда.
Весьма важно показать, что при небольшой величине заряда
на электрометре и хорошо заряженном противоположным
знаком влияющем теле стрелка электрометра ведет себя иначе:
сначала полностью опадает, а затем вновь отклоняется. Это
обстоятельство необходимо учитывать при определении знака
неизвестного заряда. Чтобы избежать ошибки, надо испытуемое тело
1 Чтобы не испортить металлическим винтом муфты изолирующий
штатив (органическое стекло), его обертывают в 3—4 слоя бумагой в том месте,
где укрепляется муфта,
27

подкосить к электрометру медленно и издалека, следя за
поведением стрелки электрометра в первый момент.
Применяя описанный способ определения знака заряда,
можно показать одновременную электризацию обоих тел при
трении. Для этого берут металлическую трубку зд изолирующую
ручку и 2—3 раза ударяют ею по куску резины. Затем
прикасаются трубкой к одному электрометру, а резиной — к другому.
Полученные таким образом заряды на электрометрах исследуют,
как было описано выше, и убеждаются, что они
противоположны по знаку.
Подобные испытания дали следующие результаты:
Электризуется
при трении
Органическое стекло
Обычное стекло . . .
0 мех
+
+
+
О резину
+
+
+
+
+
0 бумагу
+
+
+
+
+
О шелк
+
+
+
+
Чтобы продемонстрировать явление электростатической
индукции, устанавливают на столе два незаряженных
электрометра и соединяют их проводником (рис. 27). Затем к одному из
них подносят хорошо наэлектризованную палочку. Стрелки
электрометров отклоняются на одинаковый угол. За
изолирующую ручку снимают проводник, после чего удаляют палочку.
Оба электрометра оказываются заряженными.
При исследовании знаков их зарядов оказывается, что
электрометр, расположенный ближе к влияющей палочке, зарядился
противоположно ей по
знаку, а электрометр
удаленный— одинаково с зарядом
палочки. Если теперь
соединить электрометры
проводником, то происходит
полная нейтрализация зарядов.
Этот опыт можно
провести и с одним
электрометром (рис. 28). Для этого к
шару незаряженного
электрометра подносят
заряженную палочку. Стрелка
электрометра отклоняется.
Прикасаются к шару пальцем.
Рис. 27., Зарядка электрометров через Стрелка опадает. Отнимают
влияние. от шара палец и после
28
«
Рис. 28. Четыре стадии заряжения электрометра через влияние.
этого удаляют палочку. Стрелка электрометра отклоняется,
указывая на присутствие заряда.
Явление электростатической индукции можно использовать
для многократного разделения зарядов при помощи
электрофора. Прибор собирается из двух пластин: одна из диэлектрика
(эбонит или органическое стекло), другая — в виде
металлического диска с изолирующей ручкой (рис. 29).
Рис. 29. Электрофор из деталей разборного конденсатора:
а — стадии заряжения электрофора; б —установка к объяснению действия
электрофора.
Ж

Положив пластину на демонстрационный стол,
тщательно электризуют ее куском меха или бумаги. Затем кладут
на пластину диск, на поверхности которого, обращенной к
пластине, по индукции наводится противоположный заряд
(рис. 29, а).
Не снимая диска, касаются его верхней поверхности рукой и
тем самым нейтрализуют одноименный заряд. Убрав руку,
снимают за изолирующую ручку диск, который оказывается
заряженным через влияние.
Заряд на диске можно обнаружить по искре, которая со
слабым треском проскакивает при поднесении к диску пальца.
Искра достаточно заметна в хорошо затемненном классе. Можно
воспользоваться и неоновой лампой или небольшой
газоразрядной трубкой, которая довольно ярко вспыхивает, если один из
выводов держать в руке, а другим коснуться диска.
Действие электрофора можно усилить, если под пластину
диэлектрика на стол положить металлический лист.
При объяснении действия электрофора необходимо показать
наличие взаимодействия зарядов и сохранение величины
первичного заряда.
С этой целью подвешивают на пружине от ведерка Архимеда
диск электрофора над изолирующей пластиной на расстоянии
приблизительно 4—5 см (рис. 29, б). Электризуют
изолирующую пластину и опускают на нее диск. Обращают внимание
учащихся, что диск под действием пружины поднимается
обратно. После этого снова опускают диск на пластину и
прикосновением руки снимают одноименные заряды; диск остается
притянутым к пластине.
Объясняют, что его удерживает электрическая сила
взаимного притяжения ме'жду разноименными зарядами
пластины и диска. Чтобы снять диск, необходимо совершить
работу, за счет которой происходит разделение электрических
зарядов.
Постоянство первичного заряда показывают при помощи
электрометра, на котором устанавливают один из дисков
разборного конденсатора. Сверху на диск кладут три небольших
кусочка стекла или другого изолятора. Заряжают диск и
замечают угол отклонения стрелки электрометра. Затем на
изоляторы помещают второй металлический диск. Прикосновением
руки снимают одноименный заряд с верхнего диска: стрелка
электрометра при этом устанавливается на нуль.
Поднимают диск с электрометра, стрелка возвращается к
прежнему делению шкалы. Заряд с диска передают другому
электрометру.
Опыт повторяют еще несколько раз и убеждаются, что
величина первичного влияющего заряда, контролируемого
стрелкой электрометра, остается постоянной, а заряд на втором
электрометре увеличивается.
30
ОПЫТ
5
Закон Кулона
Оборудование: 1) весы чувствительные на штативе1, 2) три
одинаковых металлических шарика диаметром 20—22 мм: один — полый,
легкий на тонком изолирующем стержне для закрепления на весах, другой —
на изолирующем штативе, третий — на изолирующей ручке, 3) палочка из
органического стекла или эбонитовая, 4) кусок меха, 5) линейка
демонстрационная, 6) лапка и муфта от штатива.
Собирают установку с чувствительными весами по
рисунку 30. На весах укрепляют легкий шарик, изготовленный из
тонкой металлической фольги в виде двух полусфер, спаянных
вместе2. Шарик насажен на тонкий изолирующий стерженьиз
органического стекла. При этом небольшой конец стержня
выступает снизу и позволяет точнее отмечать положение шарика
по шкале демонстрационной линейки. Длина стержня выбрана
так, чтобы расстояние от оси вращения рычага весов до центра
шарика было равно 10 см, когда шарик закреплен на весах.
Другой шарик, как и первый, насаживается на стержень из
органического стекла длиной 10 см, диаметром 3 мм и
устанавливается на изолирующем штативе.-
Для измерения расстояний между центрами шаров на
штативе весов с помощью лапки закрепляется небольшая
демонстрационная линейка с хорошо
видимыми издали
сантиметровыми делениями. В
начале опыта ее следует
расположить так, чтобы при
равновесии весов указатель,
выступающий снизу шарика,
совпадал с нулевым
делением шкалы.
После такой
предварительной подготовки
заряжают оба шарика
наэлектризованной палочкой от элект-
рофорной машины или от
высоковольтного
выпрямителя. Шарик на штативе
располагают на расстоянии
приблизительно 5—6 см от
Другого шарика И обраща- рис 30. Установка для демонстрации за-
ют внимание учащихся, что кона Кулона.
1 Подробное описание весов см. т. I, гл. III, стр. 260.
2 Шарик может быт*> сделан из пенопласта или пробки и снаружи
омеднен.
31

лесы при этом выходят из равновесия вследствие взаимного
отталкивания одноименных зарядов.
Перемещая рейтер вдоль рычага, приводят весы в
равновесие и по делениям шкалы весов определяют силу
взаимодействия зарядов. Если шары заряжены хорошо, то положение
рейтера весом 0,002 н будет почти на конце рычага, например на
28-м делении.
Затем уменьшают заряд одного из шариков в два раза, для
чего касаются его незаряженным третьим шариком такого же
размера на изолирующей ручке. И опять, перемещая рейтер по
рычагу, добиваются равновесия весов. Оказывается, что
и этом случае рейтер располагается на 14-м делении, т. е.
сила будет в два раза меньше прежней. Повторяют опыт,
уменьшая заряд в 4 раза, и наблюдают уменьшение силы тоже
в 4 раза.
Проведенные наблюдения дают основание сделать вывод, что
сила взаимодействия пропорциональна величине одного из
зарядов F~9i.
Повторяют опыт, меняя аналогично величину заряда другого
шарика, и убеждаются, что сила взаимодействия
пропорциональна величине второго заряда F~q2.
Чтобы проверить зависимость силы взаимодействия от
расстояния, вновь хорошо заряжают оба шарика и устанавливают
шарик на штативе па расстоянии, например, 5 см от нулевого
деления демонстрационной шкалы. Определяют величину силы
по положению рейтера при равновесии весов. Затем
увеличивают расстояние между шариками сначала вдвое (10 см), а
затем втрое (15 см). Пользуясь каждый раз рейтером, приводят
весы в равновесие и убеждаются, что в первом случае сила
уменьшилась в 4 раза, а во втором в 9 раз. '
Делают вывод, что сила взаимодействия Обратно
пропорциональна квадрату расстояния, т. е. F .
Объединяя результаты наблюдений, записывают, что F~2i^
или, переходя к знаку равенства, F=k^- , где * —коэффици-
ент пропорциональности, зависящий от выбора единиц для
измерения зарядов, силы и расстояния.
_Следует иметь в виду, что при помощи весов силу
взаимодействия можно определять не только в условных единица, но и
в абсолютных —динах или ньютонах, если заранее известен вес
рейтера. Это позволяет использовать опыты с весами для
решения экспериментальных задач.
§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ОПЫТ
6 Силовые линии электрического поля
Оборудование: 1) султаны на изолирующих штативах, 2)
конденсатор разборный, 3) пластинка стеклянная 170X170 мм с набором
электродов, 4) электрофорная машина или высоковольтный выпрямитель, 5)
проекционный аппарат, 6) гипосульфит натрия или манная крупа в коробочке
с сеткой, 7) провода соединительные. |
Простейшая демонстрация электрических силовых линий
выполняется при помощи султанов, которые устанавливаются на
изолирующих штативах и заряжаются хорошо
наэлектризованной палочкой или от электрофорной машины. Сначала
показывают опыт с одним заряженным султаном и обращают
внимание на радиальное расположение бумажных полосок (рис. 31, а).
Затем заряжают оба султана одноименными (рис. 31, б) и
разноименными зарядами (рис. 31, в) и показывают искривление
полосок при отталкивании и притяжении.
Для демонстрации однородного электрического поля, между
двумя заряженными пластинами пользуются дисками
разборного конденсатора, закрепленными на изолирующих штативах
(рис. 32). Предварительно вырезают из плотной бумаги
кружки по размерам дисков и прикрепляют их к дискам
канцелярскими скрепками. На поверхности кружков приклеивают одним
концом по 10—15 узких полосок из папиросной бумага длиной
10—12 см. Установив диски на расстояние, немногим большее
двойной длины бумажных полосок,' соединяют пластины
конденсатора с кондукторами электрофорной машины. При вращении
машины все полоски вытягиваются и располагаются
горизонтально, показывая направление силовых линий электрического
поля между двумя заряженными пластинами.
Электрические спектры обычно проецируют на экран
(рис. 33). Для этого заранее подготавливают стеклянную пла-
Рис. 31. Демонстрация электрических султанов.
3 Заказ М> 6047

станку размером 170x170 мм,
металлические электроды в виде
двух небольших цилиндриков
(диаметр 8 мм, высота 6—8 мм)
и двух пластинок длиной по 30 мм
и шириной 6—7 мм. Электроды
закрепляют на проволочных
держателях, которые
вставляются в резиновые пробки. Снизу
в пробках делают небольшое
углубление, куда кладут кусочек
' пластилина для лучшей
устойчивости электродов.
Рис. 32. Электрическое поле двух Располагают . на стеклянной
заряженных пластин. пластинке два цилиндрика на
расстоянии приблизительно 15—
20 мм друг от друга и получают иа экране их отчетливые
изображения. Соединяют держатели тонкими гибкими проводнич-
ками с кондукторами высоковольтного выпрямителя или элект-
рофорной машины и устанавливают напряжение порядка 2—
3 кв (медленно делают несколько оборотов машины). Затем
из коробочки с сеткой равномерно посыпают вокруг электродов
предварительно размельченные кристаллики гипосульфита или
манную крупу4 и одновременно слегка постукивают по стеклу
Рис. 33. Демонстрация спектров электрических полей.
1 Можно воспользоваться и мелко растертыми кристалликами гипса
или применить мелко настриженный волос, например, от кисточки для клея.
34
карандашом. Под действием электрического поля кристаллики
располагаются вдоль силовых линий, образуя картины поля
соответствующие данной конфигурации электродов (рис. 33, а
б, в). С указанным набором электродов можно
продемонстрировать спектры одиночного заряженного шара, двух
заряженных шаров, пластин и др.
Во время опыта подавать на электроды слишком большое
напряжение не следует. В этом случае труднее получить
устойчивую картину поля. Кроме того, между электродами могут
проскакивать искры и отвлекать внимание учащихся от основного
явления.
ОПЫТ
7
экранирующее действие проводников
Оборудование: 1) электрометр с шаровым кондуктором, 2) диск
от разборного конденсатора на изолирующем штативе или металлический
лист, 3) палочка для электризации с куском меха, 4) сетка металлическая,
5) шаровой кондуктор малый, 6) провод для заземления.
Это явление удобно продемонстрировать на обычном
школьном электрометре. Металлический корпус электрометра служит
частичной защитой алюминиевой стрелки, помещенной внутри
прибора, от электрического влияния посторонних
наэлектризованных тел.
Сначала показывают отклонение стрелки электрометра при
поднесении к нему наэлектризованной палочки сверху и со
стороны матового стекла. Затем
закрывают выступающий конец стержня
у электрометра колпачком из
проволочной сетки или шаровым
кондуктором, который ставят
непосредственно на корпус прибора
(рис. 34).> Сзади на матовое
стекло также надевают проволочную
сетку (можно воспользоваться
старой сеткой с асбестом,
освободив ее от асбеста).
Теперь при поднесении
наэлектризованной палочки к
электрометру сверху или со стороны,
защищенной сеткой, отклонение
стрелки не наблюдается. Если же
сетку СНЯТЬ И поднести палочку СО Рис. 34. Экранирующее дей-
стороны стекла, то стрелка снова ствиезамкнутого проводника
fivTTPT отклонятся ' (электрометр сверху и сза-
оудет отклоняться. ди закрыт прбволочной сет-
' Опыт повторяют и обращают кой). >
3*
чи

внимание учащихся «а
возможность экранирования не
сплошным проводником, а
металлической сеткой (не очень
редкой). Это явление находит
практическое применение.
Далее выясняют значение
заземления в экранирующем
действии проводников. Между
шаровым кондуктором,
надетым на электрометр, и
поднесенной к нему
наэлектризованной палочкой помещают
заземленный металлический экран
(например, пластину от
разборного конденсатора) и
замечают, как стрелка
электрометра опадает. Это
свидетельствует об экранирующем
действии заземленного
проводника. Убирают экран и
показывают, что стрелка опять
отклоняется.
Объяснив наблюдаемое
явление, повторяют опыт, но с не-
заземленным экраном. В этом
случае экранирования нет. Таким образом подчеркивается не-,
обходимость заземления при экранировании.
В качестве упражнения показывают опыт в другой вариации.
На расстоянии 10—15 см от электрометра устанавливают
полый шаровой кондуктор на изолирующем штативе. Внутрь шара
вносят хорошо наэлектризованную палочку так, чтобы- она не
касалась его стенок (рис. 35). При этом экранирующее действие
не наблюдается. Но стоит только соединить шаровой кондуктор
е землей, как;стрелка электрометра опадает, несмотря на
палочку внутри шара.
Учащиеся должны объяснить, что в первом случае
одноименные с палочкой заряды, собравшиеся на внешней
поверхности шара, вызывают отклонение стрелки электрометра.
Во втором случае эти заряды нейтрализуются и не влияют на
стрелку.
ОПЫТ Измерение разности потенциалов.
3 Эквипотенциальные поверхности
Рис. 36. Экранирующее действие
заземленного проводника.
Оборудование: 1) электрометр демонстрационный, 2) шаровой и
конусообразный кондукторы на изолирующих штативах, 3) палочка для
электризации с куском меха, 4) шарик пробный на изолирующей ручке,
36
б) свеча елочная на ножке для установки на изолирующем штативе, 6> два
проводника: один — длиной 1,5—2 м гибкий, другой — для заземления
электрометра.
В начале опыта напоминают учащимся устройство и принцип
действия электрометра — прибора для измерения разности
потенциалов. Обращают внимание на металлический корпус,
который при измерениях соединяют с землей, чтобы защитить
электрометр от влияния внешних электрических полей. По
углу отклонения стрелки от стержня прибора измеряют величину
разности потенциалов между стрелкой и корпусом прибора.
Деления на шкале прибора соответствуют определенным
значениям разности потенциалов. После такого предварительного
ознакомления с электрометром напоминают учащимся опыт с
распределением зарядов по поверхности конусообразного
кондуктора (см. опыт 3), а затем проводят исследование потенциала
этого заряженного проводника (рис. 36). Для этого соединяют
пробный шарик длинным гибким проводником со стержнем
электрометра, а корпус последнего заземляют. Затем касаются
шариком заряженного проводника и перемещают его по всей
поверхности (наружной и внутренней). При этом наблюдают,
что показания электрометра остаются одинаковыми, т. е.
поверхность заряженного проводника всюду имеет одинаковый
потенциал.
Для измерения потенциала в какой-либо точке
электрического поля вокруг заряженного проводника пользуются пламенным
зондом, представляющим собой небольшую часть тонкой
свечки, укрепленной при помощи ножки в изолирующем штатире
Рис. 36, Исследование потенциала заряженного проводника.
37,-

Рис. 37. Пламенный зонд с электрометром.
(рис. 37). В пламя свечи, которое должно быть обязательно
небольшим, помещают острие—конец проволоки, соединяющей
зонд со стержнем электрометра. Электрометр во время опыта
помещают возможно дальше от зонда.
Заряжают наэлектризованной палочкой шаровой кондуктор и
подносят к нему на расстояние 30—40 см зонд. Стрелка
отклоняется; электрометр показывает разность потенциалов между
острием, находящимся в дайной точке поля, и землей.
Приближают зонд к кондуктору или удаляют от него и наблюдают
большее или меньшее показание электрометра. При этом надо
помнить, что подносить пламя близко к заряженному шару не
рекомендуется, так как от пламени он будет быстро разряжаться,
что может привести к искажению результатов опыта.
Необходимость применять в этом случае пламя вызывается
тем, что оно в сочетании с острием способствует более быстрому
снятию индуцированных зарядов, которые могут искажать поле.
Затем помещают зонд в разных точках вокруг заряженного
шара, где показания электрометра были бы одинаковы в
пределах допустимых погрешностей, и подводят учащихся к
понятию эквипотенциальных поверхностей.
ОПЫТ
Понятие об электроемкости
Оборудование: 1) электрометры — 2 шт., 2) кондукторы шаровые —
большой и малый, 3) диск от разборного конденсатора, 4) столик из
комплекта демонстрационных динамометров, 5) электрофорная машина или
высоковольтный выпрямитель, 6) пробный шарик на изолирующей руяке.
Для введения понятия об электроемкости удобно
воспользоваться двумя электрометрами одинаковой чувствительности,
38
предварительно проверенными и отрегулированными (см. опыт 2
стр. 24).. '
Опыт начинают с демонстрации одинаковой
чувствительности электрометров. Их соединяют проводником и заряжают,
одновременно от наэлектризованной палочки. Затем на
электрометры надевают шаровые кондукторы: на один — большой, а
на другой — малый. Корпуса электрометров заземляют. При
этом шар, стержень и стрелка электрометра образуют одну из
обкладок конденсатора, а изолированный от них корпус
электрометра и земля — другую.
Зарядив банки электрофорной машины (делают несколько
оборотов дисков), быстро переносят от нее пробным шариком
одинаковые заряды на шаровые кондукторы (рис. 38). Для
этого достаточно по нескольку раз коснуться кондуктора машины
пробным шариком и каждый раз вносить его внутрь шаров,
касаясь их внутренней поверхности. Заряжать лучше сначала
большой шар, а затем малый.
С увеличением заряда на шаре увеличивается и разность
потенциалов, отмечаемая электрометром. Оказывается, что при
одинаковых условиях для разных шаров эта разность
потенциалов неодинаковая: один, и тот же заряд сообщает большему
шару меньшую разность потенциалов, следовательно, его емкость
больше.
После этого демонстрируют зависимость емкости одного и
того же шара от близости расположения других проводников. Для
этого достаточно к заряженному шару медленно приближать
или удалять руку и следить за изменениями показаний
электрометра.
Рис. 38. К введению понятия электроемкости.
39

. Б этом опыте вместо шаров на электрометры можно
поместить металлические диски: на один — большой (от разборного
конденсатора), а на другой — малый (съемный столик из
комплекта демонстрационных динамометров). Разность в емкости
будет больше, и поэтому показания электрометров становятся
более выразительными.
опыт' .
Электроемкость плоского конденсатора
Оборудование: 1) конденсатор разборный, 2) штативы
изолирующие, 3) электрометр, 4) палочка эбонитовая или стеклянная с куском меха,
5) штатив универсальный, 6) провода соединительные, 7) линейка или метр
демонстрационный.
Этот опыт должен служить экспериментальным обосновани-
ем формулы плоского конденсатора:
г— w.S
где S —площадь одной из пластин, / — расстояние между пла-
.стинами (толщина диэлектрика), е — диэлектрическая
проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между
пластинами, бо — электрическая постоянная.
Собирают установку по рисунку 39. С помощью
уравнительных винтов на изолирующих штативах пластины конденсатора
устанавливают параллельно друг другу и раздвигают на
расстояние 2—3 см. К пластинам присоединяют электрометр.
Рис. 39. Установка для демонстрации зависимости
электроемкости конденсатора от его размеров и
рода диэлектрика.
40
Хорошо- наэлектризованной палочкой заряжают пластину,
соединенную со стержнем электрометра. Отклонение стрелки
должно быть примерно до половины шкалы. Затем, не меняя
расстояния между пластинами, сдвигают одну из них в сторону.
Обращают внимание учащихся на-заметное увеличение пока*
заний электрометра, что свидетельствует об уменьшении емког
сти конденсатора при уменьшении площади -пластин, взаимно
перекрывающих друг друга. Снова возвращают пластину на
место и наблюдают уменьшение показаний электрометра:
емкость конденсатора увеличилась до первоначального значения.
После этого демонстрируют зависимость емкости
конденсатора от изменения расстояния между пластинами. Приближая
или удаляя одну из пластин, следят за показаниями
электрометра. Из наблюдений убеждаются, что емкость конденсатора
изменяется обратно пропорционально расстоянию между
пластинами..
Затем, оставив расстояние между пластинами неизменным,
вносят в промежуток между ними диэлектрики с различными
диэлектрическими проницаемостями, например, пластины из
органического стекла или эбонита. Наблюдая за показаниями
электрометра, делают вывод об изменении емкости
конденсатора при изменении диэлектрика.
ОПЫТ Устройство и действие конденсаторов
и постоянной и переменной емкости
Оборудование: 1). конденсаторы постоянной емкости разные,
2) конденсатор бумажный препарированный, 3) конденсатор бумажный ия
2 мкф—из набора для лабораторных работ, 4) гальванометр
демонстрационный, 5) конденсатор переменной емкости, 6) выпрямитель
универсальный, 7) электрометр, 8) палочка для электризации с куском меха, 9)
переключатель однополюсный демонстрационный, 10) штатив с лапкой и муфтой,
11) провода соединительные.
Для демонстрации устройства конденсаторов постоянной
емкости удобно воспользоваться следующими препарированными
конденсаторами: бумажным конденсатором большой емкости
(2—4 мкф), электролитическим конденсатором и слюдяным.
Сначала показывают общий вид различных конденсаторов, а
затем отдельные детали устройства: обкладки, диэлектрик,
корпус, проходные изоляторы.
После ознакомления с устройством конденсаторов заряжают
конденсатор емкостью 2 мкф от источника постоянного
напряжения 50—100 в и разряжают его через гальванометр. При этом
объясняют, что о величине электрического заряда можно судить
не только по показаниям электрометра при отталкивании
одноименных зарядов, но и по отбросу стрелки гальванометра,
вызываемого движущимися зарядами. Импульс тока вызывает от-
41

У) two
в*-
ч*
«
»
в
Рис. 40. Установка для демонстрации зарядки и разрядки конденсатора через
гальванометр.
клонение стрелки гальванометра на некоторый угол,
пропорциональный величине заряда, прошедшего через прибор.
Чтобы убедиться в этом, собирают установку по рисунку 40,
где в качестве индикатора применяется демонстрационный
гальванометр от амперметра. Прибор включается в цепь средним
зажимом и зажимом со знаком плюс. Вольтметр берется со
шкалой на 15 делений и включается с дополнительным
сопротивлением «~250».
Сначала несколько раз заряжают и разряжают конденсатор
при одном и том же напряжении (например, при 60 в) и
показывают, что стрелка гальванометра каждый раз отбрасывается
на одно и то же число делений, например на 4. Затем
уменьшают напряжение в- 2, 3, 4 раза, т. е. сообщают конденсатору
меньшие заряды, и наблюдают, что показания гальванометра
тоже становятся в 2, 3, 4 раза меньше, т. е. они
пропорциональны величине заряда при постоянной емкости конденсатора.
После этого показывают
устройство и действие
конденсатора переменной
емкости (рис. 41). Подвижные
пластины конденсатора
(ротор) соединяют с корпусом
электрометра, а
неподвижные (статор) со стержнем.
При помощи
наэлектризованной палочки заряжают
статор ные пластины
конденсатора при полностью,
введенных внутрь
подвижных пластинах, так чтобы
Рис. 41. Демонстрация устройства и дей- стрелка электрометра откло-
ствня конденсатора переменной емкости. НИЛЭСЬ приблизительно на
42
2—3 деления. Заметив положение стрелки,-уменьшаютемкость
конденсатора и наблюдают, как при неизменной величине
заряда увеличиваются показания электрометра. Затем снова
вводят пластины ротора внутрь, т. е. увеличивают емкость, н
наблюдают, как стрелка электрометра приходит в
первоначальное положение.
ОПЫТ Определение электроемкости
42 конденсатора. Последовательное и
параллельное соединение конденсаторов
Оборудование: 1) конденсаторы постоянной емкости: 0,5; 1; I;
2 мкф, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) выпрямитель
универсальный, 4) переключатель • однополюсный, 5) штатив универсальный,
6) провода соединительные.
В данном опыте применяется набор конденсаторов
постоянной емкости (эталоны) из лабораторного оборудования. Опыт
с ними следует проводить так, чтобы он послужил
предварительной подготовкой к физическому практикуму, где
выполняется аналогичная лабораторная работа.
Собирают установку по рисунку 42. Включают в цепь
конденсатор сначала в 1 мкф; гальванометр присоединяют средним
зажимом и зажимом с обозначением « + ». Напряжение на
выходных зажимах выпрямителя устанавливают около 60 в.
В этом случае отклонение стрелки гальванометра будет
наиболее удобным для наблюдения — 2 деления. При включении
конденсатора емкостью 0,5 мкф стрелка отклоняется на 1 деление,
емкостью 2 мкф — на 4 деления. Положение ручки
потенциометра у выпрямителя надо заранее откорректировать и отметить.
Рис. 42. Установка для демонстрации определения емкости
конденсатора. '
43

• После такой предварительной подготовки знакомят
учащихся с методом выполнения лабораторной работы. Заряжают
конденсатор от одного и того же источника постоянного
напряжения, а затем разряжают его с помощью перекидного ключа
через гальванометр.
Опыт повторяют несколько раз и убеждаются, что стрелка
всякий; раз отбрасывается по шкале на одно и то же число
делений. .
.То же самое проделывают с конденсатором 0,5 мкф и 2 мкф
и экспериментальным путем убеждаются, что отброс стрелки
гальванометра п прямо пропорционален С — величине емкости
конденсатора (n = k-С). Отсюда определяют коэффициент про-
порциональности k, выражающий собой число делений,
приходящихся на 1 мкф. , .
Результаты опытов полезно записать па классной доске в
виде следующей таблицы:
■к
опытов
1
2
. 3
С
0,5
1.0
2,0
я
1
2
4
к
2
2
2
Среднее: 2
После этого повторяют опыт с конденсатором неизвестной
емкости (можно воспользоваться вторым конденсатором
емкостью 1 мкф из набора, заклеив обозначение емкости) и, зная
коэффициент пропорциональности к, по отбросу стрелки
гальванометра определяют неизвестную емкость.
Далее определяют емкость при параллельном и
последовательном соединении конденсаторов (рис. 43) и
экспериментальным путем убеждаются,, что в первом случае емкость
батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:
с=с,+с2+с3+...+сл,
LXJ П7
Р,ис. 43. Схема параллельного и
последовательного включения конденсаторов в цепь.
J
44
а при последовательном соединении она вычисляется по
формуле:
При этом следует подобрать конденсаторы для
параллельного соединения так, чтобы стрелка не отклонялась за пределы
шкалы гальванометра. Можно, например, брать конденсаторы
емкостью 1 мкф и 1 мкф, или 2 мкф и 0,5 мкф, или 1 мкф,
1 мкф и 0,5 мкф.
ОПЫТ
13
Энергия заряженного конденсатора
Оборудование: 1) батарея конденсаторов демонстрационная,
2) выпрямитель ВУП-1, 3) вольтметр демонстрационный с дополнительным
сопротивлением 33 ком, 4) панелька с четырьмя лампами накаливания —
3,5 в и 0,28 а, 5) переключатель однополюсный демонстрационный, 6)
провода соединительные.
Собирают установку по рисунку 44. От выпрямителя
подают напряжение около 60 в. Включают половину емкости
батареи (30 мкф) и заряжают ее, замыкая на короткое время цепь
зарядки переключателем. Затем переключают батарею на
разрядку через одну лампу и наблюдают,, как при этом лампа не
очень ярко вспыхивает.
Объясняют учащимся, что электрическая энергия
заряженного конденсатора переходит во внутреннюю энергию нити
лампы накаливания и энергию излучения.
Увеличивают емкость батареи в 2 раза и при прежнем
напряжении снова заряжают конденсатор. Теперь при разряде
Рис. 44. Установка для демонстрации энергии заряженного конденсатора
(батареи),
45

лампа вспыхивает ярче, чем в первом случае. Подключив две
лампы, повторяют опыт. По наблюдениям можно сказать, что
теперь накал нитей ламп приблизительно такой же, как и в
первом случае, т. е. энергия конденсатора увеличилась в 2 раза.
Далее показывают, что энергия заряженного конденсатора
зависит и от разности потенциалов на его пластинах, С этой
целью при напряжении 50—60 в повторяют опыт с половиной
емкости батареи конденсаторов (30 мкф) и наблюдают
свечение одной лампы. Затем увеличивают напряжение в 2 раза и,
подключив сразу 2 лампы, наблюдают довольно яркое их
вспыхивание. Это подтверждает увеличение энергии заряженного
конденсатора, во всяком случае более чем в 2 раза. После
этого подключают 4 лампы, которые вспыхивают, как и в первом
случае.
Таким образом, опыт показывает зависимость энергии
заряженного конденсатора от его емкости и разности потенциалов
и подводит к пониманию формулы:
§ 3. ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ОПЫТ Измерение напряжений различных
14 источников тока электрометром
Оборудование: 1) электрометр демонстрационный, с
конденсатором, 2) выпрямитель высоковольтный, 3) выпрямитель универсальный,
4) автотрансформатор ЛАТР-2 или РНШ, 5) батарея аккумуляторов
3-HKH-I0 —2 Шт., 6) проводник на изолирующей ручке, 7) провода
соединительные.
Сначала присоединяют электрометр' к кондукторам
высоковольтного выпрямителя. При помощи автотрансформатора
постепенно увеличивают напряжение и наблюдают за
показаниями электрометра. Затем соединяют электрометр с
универсальным выпрямителем (зажимы 0 — 250 в). Показывают, что и в
этом случае для измерения напряжения можно воспользоваться
электрометром, хотя отклонение стрелки будет небольшим, так
как чувствительность прибора мала для этого источника
постоянного тока.
Далее присоединяют электрометр к батарее аккумуляторов.
В этом случае чувствительность измерителя оказывается совсем
недостаточна для обнаружения напряжения и стрелка не
отклоняется. Однако если воспользоваться Конденсатором, то можно
показать возможность измерения напряжения и на зажимах
аккумулятора при помощи того же электрометра.
«
Для этого собирают установку по рисунку 45. На стержень
электрометра надевают диск конденсатора, имеющий насадоч-
ную втулку. Другой диск с изолирующей ручкой помещают
сверху и соединяют его. с корпусом электрометра и с одним из
полюсов аккумулятора. Проводником на изолирующей ручке
соединяют на короткое время второй полюс аккумулятора с
нижним диском конденсатора и заряжают его. Наконец, удаляют
верхний диск. При этом емкость прибора во много раз
уменьшается, а разность потенциалов возрастает и электрометр дает
заметное показание. Опыт повторяют и убеждаются, что стрелка
всякий раз отклоняется на определенный угол, по которому
можно судить о напряжении аккумулятора.
Соединив две батареи аккумуляторов последовательно,
повторяют опыт. Теперь отклонение стрелки электрометра
удваивается. Таким. образом учащиеся убеждаются, что
электрометром можно измерять и высокие напряжения в опытах по
электростатике и сравнительно низкие напряжения у
источников, применяемых в опытах по постоянному току. Этим
подчеркивается связь между электростатикой и
электродинамикой.
Перед опытом надо аккуратно очистить диски от пыли
мягкой кистью или протереть мягкой тканью, чтобы не поцарапать
слой лака, который служит диэлектриком в конденсаторе.
Съемную пластину во время выполнения опыта нужно класть
на чистую и мягкую подложку (бумага, материя) или ставить
на стол ребром, опирая на ручку.
Если лак на дисках имеет царапины, можно в качестве
диэлектрика взять тонкую пластинку слюды или пленку из
пластмассы.
«?

ОПЫТ Условия существования электрического
15 тока в проводнике
Оборудование: 1) электрометры с шаровыми кондукторами —
2 шт., 2) электрофорная машина, 3) высоковольтный выпрямитель, 4)
гальванометр демонстрационный зеркальный, 5) разрядник на изолирующей
ручке с неоновой лампой, 6) эбонитовая и стеклянная палочки с куском меха,
7) штативы изолирующие — 2 шт., 8) газоразрядная трубка на стойке,
9) механическая модель электрической цепи иа штативе, 10) провода
соединительные, 11) палочка или трубочка из бумаги длиной 50 мм, диаметром
5 мм, подкрашенная тушью — проводящий слой большого сопротивления,
12) подставка изолирующая.
Сначала демонстрируют, пользуясь электрометрами,
возникновение кратковременного электрического тока (рис. 46).
Зарядив один из электрометров, соединяют его при помощи
проводника на изолирующей ручке с незаряженным электрометром.
Наблюдают, как при этом на короткое время вспыхивает
включенная в цепь неоновая лампа. Обращают внимание, что
стрелка заряженного электрометра при этом несколько опадает, а
стрелка другого отклоняется на такой же угол, что и у
первого электрометра (потенциалы выравниваются).
Так как свечение лампы сравнительно слабое, то опыт
следует, показывать несколько раз и в полузатемненном классе, чтобы
одновременно можно было наблюдать и за лампой и за
показаниями электрометров.
Продолжая опыт, видоизменяют установку (рис. 47),
Электрометр, изолированный от стола, присоединяют к зажимам
изолирующих штативов, на которых установлены шаровые кон-
Рис. 46. Демонстрация кратковременного тока при
выравнивании потенциалов электрометров.
48
Рис. 47. Кратковременный ток при нейтрализации
разноименных зарядов.
дукторы. Зарядив один из них, например, от эбонитовой
палочки, а другой от стеклянной, наблюдают кратковременный ток
по свечению неоновой лампы при нейтрализации зарядов. При
этом стрелка электрометра опадет до нуля, если заряды были
одинаковыми, или покажет некоторую разность потенциалов,
меньшую, чем раньше.
Для получения непрерывного тока собирают установку по
рисунку 48 с электрофорной машиной. При этом между про-
Рис. 48. Получение, постоянного электрического тока от электрофорной
машины.
4 Заказ № 6047 ;49

Рис. 49. Постоянный электрический ток в цепи от высоковольтного
выпрямителя.
водником с неоновой лампой и зажимом изолирующего штатива
включают большое сопротивление в виде деревянной палочки
или бумажной трубочки /, окрашенной тушью или покрытой
тонким слоем графита от простого карандаша. Зеркальный
гальванометр включают в цепь последовательно и ставят его на
изолирующую подставку. При работе машины наблюдают
непрерывное свечение неоновой
лампы. Гальванометр показывает
существование постоянного тока в
цепи, а электрометр отмечает
наличие разности потенциалов.
Заменяют электрофорную
машину высоковольтным
выпрямителем (рис. 49). В этом
случае ток в цепи можно
измерять обычным демонстрационным
гальванометром, а нагрузочным
сопротивлением может служить
газоразрядная трубка, ее
свечение хорошо заметно без
затемнения.
Далее переходят к
объяснению составных элементов цепи и
разбирают вопрос о
необходимости источника тока как
устройства, в котором действуют
сторонние (не кулоновы) силы,
поддерживающие постоянную
разность потенциалов на концах
проводника. С этой целью пользу-
Рис, 50. Механическая модель
электрической1 цепи,
60
ются механической моделью электрической цепи (рис. 50) К
По винтовой наклонной дорожке / скатывается
металлический шарик 2. Попав в нижнюю трубку ротора 3, шарик ударом
отводит рычажок 4. Тогда ротор, поворачиваясь за счет
энергии натянутой пружины 5 на полоборота, быстро переносит
шарик вверх на начало винтовой дорожки, откуда он опять
скатывается вниз. Явление будет повторяться до тех пор, пока не
ослабнет натяжение пружины.
Движение шарика по винтовой дорожке под действием силы
тяжести аналогично перемещению электрических зарядов по
внешней электрической цепи под действием сил электрического
поля. Работа же, совершаемая при подъеме шарика против
силы тяжести за счет натяжения пружины, соответствует работе
сторонних сил в источнике электрического тока. Модель
выразительно иллюстрирует, что только при наличии сторонних сил
возможен постоянный ток в электрической цепи.
ОПЫТ . Падение потенциала вдоль проводника
1ф с током
Оборудование: 1) выпрямитель высоковольтный или электрофор-
ная машина, 2) электрометр, 3) штатив изолирующий, 4) два отрезка
бумажной (телеграфной) ленты длиной по 80—100 см, 5) пробный шарик на
изолирующей ручке, 6) легкоподвижная стрелка — индикатор из
алюминиевой фольги на проволочном подвесе, 7) провода соединительные, 8)
подставка изолирующая.
Для этого опыта в качестве проводника с большим
сопротивлением применяется бумажная (телеграфная) лента, на
поверхность которой наносится мягким графитом равномерный
проводящий слой по всей длине. Ленту разрезают на две части и
собирают установку по рисунку 51. Ленты с одной стороны
присоединяют к кондукторам выпрямителя или электрофорной
машины, а другие концы закрепляют под винтовые зажимы на
изолирующем штативе, чтобы линия была натянутой.
Сначала показывают, что при отсутствии тока (концы лент
на изолирующем штативе не соединены между собой)
заряженные ленты имеют одинаковый потенциал по всей длине. С этой
целью пробным шариком, соединенным с электрометром, корпус
которого заземлен, касаются ленты в разных ее точках и
убеждаются, что везде показания электрометра одинаковы.
Затем соединяют место разрыва ленты и опять измеряют
потенциалы вдоль всей линии. Теперь потенциалы в разных точках
оказываются неодинаковыми, т. е. поверхность проводника, по
' "' Модель разработана Н. Н. Нечипоруком и подробно описана в
сборнике «Физический эксперимент в школен, вып. 2, М., Учпедгиз, 1963, стр. 20-
4*
S*

' jyjTfiomrMrtre^mi-aaTiaia^
Рис. 51. Демонстрация падения потенциала вдоль проводника с током.
которому идет ток, не является поверхностью равного
потенциала (эквипотенциальной). У кондуктора выпрямителя показания
электрометра будут максимальными. По мере же приближения
к штативу наблюдается постепенное падение потенциала, и у
штатива оно доходит до нуля.
Присоединив корпус электрометра к одному из кондукторов
выпрямителя (электрометр изолируют от стола), показывают
другое распределение потенциала вдоль проводника.
Падение потенциала вдоль проводника с током означает, что
существует составляющая напряженности электрического поля,
направленная вдоль проводника; силовые линии в этом случае
уже не перпендикулярны к поверхности проводника (в отличие
от электростатического поля), а имеют некоторый наклон к
направлению тока.
Чтобы продемонстрировать это отличие, подвешивают
легкую стрелку-индикатор к верхнему проводу так, чтобы она
могла свободно поворачиваться вдоль провода (рис. 51, в кружке).
Сначала показывают, что стрелка располагается
перпендикулярно к заряженному проводу, когда по нему не идет ток.
С этой целью изолирующий штатив ставят на небольшую
подставку, чтобы провода имели некоторый наклон к горизонту, а
стрелка висела отвесно. При включении выпрямителя стрелка
устанавливается в перпендикулярном положении к проводу.
Полезно переставить стрелку в разные места на проводе (не
слишком близко к месту разрыва) и повторить опыт.
После этого штатип опять устанавливают на столе и место
разрыва проводов соединяют. Теперь при включении
выпрямителя наблюдают, что стрелка устанавливается не
перпендикулярно, а под некоторым углом к проводу, указывая на изме-
Б2
нение направления силовых линий. Стрелку в этом случае тоже
полезно подвешивать в разных местах на проводе (не слишком
далеко от места разрыва).
При изменении напряжения выпрямителя изменяется и угол
наклона стрелки-индикатора.
ОПЫТ Э. д. с. и внутреннее сопротивление
17 источника тока. Закон Ома для полной \
цепи
Оборудование: t) гальванический -элемент демонстрационный,
2) вольтметр демонстрационный с дополнительным сопротивлением на 1 з,
3) амперметр демонстрационный с шунтом на 1 а, 4) реостат на 20 ом, 5) дна
Щупа, 6) дополнительное сопротивление 9 ком, 7) выключатель
демонстрационный, 8) провода соединительные.
Перед опытом подготавливают гальванический элемент
(рис. 52). В прозрачную прямоугольную ванну размером
приблизительно 24X2,5X10 см наливают раствор серной кислоты
и двухромовокислого калия (100 частей Н20, 37 частей H2S04 к
16 частей К2СГ2О7). Цинковую пластинку амальгамируют, а
медную тщательно очищают наждачной бумагой. Затем
пластинки укрепляют в небольших пластмассовых держателях с
винтовыми зажимами / и 2 для включения элемента в цепь.
На таких же держателях 3 и 4 укрепляют два щупа, сделанные
из медного провода диаметром 0,8 мм в хлорвиниловой изоляг,
ции. С одной стороны провода изоляцию срезают. Такие щупы,
могут быть опущены в раствор и подведены очень близко (иа
толщину изоляции) к пластинам элемента. Держатели вместе
с пластинами и щупами легко снимаются и могут быть
закреплены снаружи ванны, когда элемент не работает.
Для опыта установку с гальваническим элементом собирают,
по рисунку 53 (схема соединений показана вверху). Не замы,
кая цепь ключом, помещают в электролит цинковую и медную
пластинки и отмечают показание вольтметра (1,02 в).
Перемещают электроды внутри элемента ближе друг к другу, а также.
Рис. 52. Гальванический
элемент
демонстрационный.
53.

Рис, 53. Установка для введения понятий э.д.с. и внутреннего
сопротивления источника тока.
меняют величину погружения их в электролит и всякий раз
наблюдают, что показания вольтметра не изменяются.
Следовательно, 1,02 в —это некоторая постоянная величина,
характеризующая данный источник тока и не зависящая от его
геометрических размеров. Эту величину принято называть э. д. с.
источника.
Затем замыкают ключ и отмечают, что по цепи пошел ток,
а вольтметр показывает теперь другую, меньшую величину —
напряжение. Оставляя внешнее сопротивление постоянным,
изменяют скова положение пластин в электролите и наблюдают
за показаниями амперметра. Устанавливают на опыте, что
величина тока в цепи изменяется. Это связано с изменением
сопротивления между пластинами, т. е. с изменением только
внутреннего сопротивления элемента, так как
внешняя цепь оставалась неизменной.
Увеличивают . или уменьшают внешнее сопротивле-
^ ние и обращают внимание на изменения ве-
\ /-^ личины напряжения на зажимах источника
тока.
Продолжая опыт, измеряют одновременно
падение напряжения на внешнем и
внутреннем участках цепи. В качестве второго
вольтметра на 1 в берут гальванометр от
амперметра (шкала с оцифровкой 0—10) и
подключают к нему дополнительное сопротивление
9 ком. Этот вольтметр присоединяют к
щупам. Принципиальная схема соединений
показана на рисунке 54.
Замкнув цепь, вводят такое сопротивление
реостата, чтобы вольтметр Vj на внешнем уча-
Рис. 54. Схема
опыта по закону
Ома для полной
цепи.
64
стке показывал, например, 0,9 в, и отмечают показание
вольтметра V2, которое равно 0,12 в. Затем уменьшают
сопротивление нагрузки, чтобы напряжение, показываемое вольтметром
Vu было 0,8 в. При этом вольтметр V2 показывает 0,23 в.
Таким образом делают несколько измерений и результаты
записывают в таблицу на классной доске.
а
опытов
1
2
3
4
5
Падение напряжения
во внешней цепи £/, (в)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Падение напряжения
во внутренней цепн Са (в)
0,12
0,23
0,31
0,42.
0,51
Среднее:
Падение напряжения
во всей цепи (в)
1,02
1,03
1,01
1,02
1,01
1,02 '
Из таблицы видно, что сумма падений напряжения на
внешнем и внутреннем участках цепи в пределах допустимых
погрешностей опыта есть величина постоянная и равная
электродвижущей силе источника.
Следовательно, E = Ui + U2, или E^IR+Ir, Отсюда
получают математическое выражение закона Ома для полной цепи •
/= -^-, где
R+r'
Е — э. д. с, г — внутреннее сопротивление источника тока, R —
сопротивление внешней цепи.
ОПЫТ Зависимость напряжения на зажимах
lg источника тока от нагрузки;
определение внутреннего сопротивления
источника.
Оборудование: 1) два-три гальванических элемента или батарея
КБС-0,5, 2) вольтметр демонстрационный, 3) амперметр демонстрационный
с шунтом на 1 а, 4) реостат иа' 20 ом, 5) выключатель демонстрационный,
6) провода соединительные.
Собирают электрическую цепь по схеме, изображенной на
рисунке 55. Гальванические элементы соединяют
последовательно или пользуются свежей батареей от карманного фонаря.
Сначала измеряют вольтметром э. д. с. источника (при
разомкнутой цепи) и записывают ее на классной доске. Затем за-

Ф-п
HI
мыкают цепь и обращают внимание
учащихся, что вольтметр теперь показывает
меньше, т. е. падение напряжения на
внешней цепи. При помощи реостата изменяют
4—5 раз значения нагрузки и показания
амперметра и вольтметра записывают в
таблицу.
1(a)
Щв)
0
4,5
0,2
4,1
0,4
3,6
0,6
3,2
0,8
2,8
1,0
2,4
Рис. 55. Схема цепи
для демонстрации
зависимости .напряжения
источника тока от
нагрузки.
По результатам опыта строят график
(рис. 56) зависимости напряжения от
величины тока в электрической цепи. Дополнив
график горизонтальной прямой £ = const,
объясняют учащимся распределение напря*
жений на внешнем и внутреннем участках
. цепи. Для любого значения тока в
пределах графика, ордината до наклонной прямой дает значение
падения напряжения на внешней цепи (UBHeam.), а отрезок от нее
до горизонтальной прямой Е=const показывает падение
напряжения, на внутренней цепи (Umyrp.). При этом сумма падений
напряжения остается величиной постоянной. Это было показано
в предыдущем опыте.
Продолжив наклонную прямую до пересечения с
горизонтальной осью координат (точка А), можно найти величину тока
короткого замыкания. Напряжение на зажимах источника в
этом, случае становится равным нулю, а ток достигает своего
максимального значения определяемого величиной внутреннего
сопротивления источника.
Объясняют учащимся, почему короткое замыкание
представляет различную опасность для разных источников тока.
Например, у гальванических элементов внутреннее
сопротивление.имеет заметную величину, поэтому ток короткого замыкания у них
Рис. 56. График
зависимости напряжения
на нагрузке от пели-
чииы тока в цепи.
5
4
3
г
t
:
Уднещн*
-—• >■ ^
£=Const
) У Внутр.
*ч
«ч
*ч
JU 1 м ■ »—
0 0,2 0,4' 0,6 0,8 1,0
7,а
Бв
сравнительно небольшой., У аккумуляторов же внутреннее
сопротивление мало (порядка 0,1—0,01 ом), поэтому ток
короткого замыкания у них.большой и может привести к
разрушению пластин.
Полученные экспериментально численные данные для
построения графика дают возможность определить внутреннее
сопротивление источника. Этим следует воспользоваться и дать
учащимся такое задание в качестве подготовки к лабораторной
работе на эту тему.
ОПЫТ
j9 Соединение элементов в батареи
Оборудование: 1) тви одинаковых гальванических элемента нли
три аккумулятора НКН-10, 2) вольтметр демонстрационный, 3) провода сое-1
динительные.
Подбирают заранее три элемента с одинаковыми э. д. с.
Подключают вольтметр поочередно к зажимам каждого
элемента и измеряют их э. д. с. В результате измерений • получают
£1=£2=£3-
Затем соединяют элементы в батарею последовательно и
измеряют э. д. с. батареи:'^
Е6„=Е1+Е2+Е3 или Еш-п-Езл.
Соединяют элементы в батарею параллельно и опять
измеряют э. д. с, которая теперь оказывается равной э. д. с. одного
элемента
^бат^*-эл •
.Внутреннее сопротивление батареи непосредственно не
измеряют, а вычисляют при помощи закона Ома. При
последовательном соединении обобщенный закон Ома для полной цепи
записывается:
п-Е'
1=
R+nr
где п-Е — э. д. с. батареи, а п-г—ее внутреннее сопротивление}
при параллельном соединении:
«+-
п .
где внутреннее сопротивление батареи.
57

ОПЫТ Реостаты, потенциометры, магазины
20 сопротивлений
Оборудование: I) реостат рычажный демонстрационный, 2)
реостаты со скользящим контактом на 25—30 ом и на 1000 ом, 3) магазины
сопротивлений — демонстрационный и лабораторный, 4) амперметр
демонстрационный с шунтом на 1 о, 5) вольтметр демонстрационный, 6) батарея
аккумуляторов З-НКН-10, 7) две лампочки (3,5 в, 0,28 а) на подставках, 8)
выключатель демонстрационный, 9) провода соединительные, 10) метр
демонстрационный.
Большое практическое значение реостатов и магазинов
сопротивлений требует повторения и расширения сведений,
имеющихся у учащихся, об этих приборах. При этом подробнее
следует остановиться на применении реостата в качестве делителя
напряжения — потенциометра.
1. Собирают установку, на которой повторяют устройство и
действие рычажного реостата (рис. 57). Две лампы соединяют
параллельно, чтобы увеличить величину тока и сделать тем
самым заметнее изменения в показаниях амперметра при
изменении сопротивления. Чтобы при объяснении устройства ръщажно-
го реостата учащиеся могли проследить путь тока, надо сзади
за спиралями поставить белый настольный экран (прикрепить
белый лист бумаги), а на классной доске начертить схему
прибора, показанную на .рисунке 57.
Обращают внимание иа подбор реостатов по их паспортным
данным: величине полного сопротивления, допустимой силе
тока. Полезно сообщить несколько данных о приборах, наиболее
распространенных в школьной практике.
После-этого демонстрируют включение реостата как
делителя напряжения, потенциометра. Установку собирают по схеме,
Рис. 57. Демонстрация действия рычажного реостата.
6*'
HlUlh
т
ф
1—0-
изображенной на рисунке 58. На
реостат с' сопротивлением 25—
30 ом подают полное напряжение
источника тока — батареи
аккумуляторов З-НКН-10. А регулируемое
напряжение, составляющее только
часть полного, снимают с ползунка
и одного из зажимов реостата. В
качестве нагрузки включают лампу
(3,5 в; 0,28 а). Она и вольтметр с
дополнительным сопротивлением на
5 в служат индикаторами.
Перемещая ползунок реостата,
демонстрируют изменение НЭПряже- Рис. 58. Схема включения
ния, которое отмечается по вольт- реостата в качестве по-
метру. Показывают пропорциональ' теициометра.
ность снимаемого напряжения
длине соответствующего участка реостата.
Для этого сзади реостата помещают демонстрационный метр
и отмечают положение ползунка и соответствующее напряжение.
При выборе реостата в качестве делителя напряжения и
применении его в опытах необходимо иметь в виду, что источник
тока испытывает нагрузку не только от цепи, присоединенной к
делителю напряжения, но и прежде всего нагрузку,
создаваемую реостатом. Реостат должен выдерживать без заметного
нагревания наибольший ток, возникающий при максимальных
нагрузках. При этом сопротивление цепи, на которую подается
ток с делителя, должно быть больше, чем сопротивление самого
реостата. В противном случае при приближении ползунка
реостата к концу его обмотки во внешней цепи может возникнуть
ток значительной величины, приводящий к нагреванию или
даже к перегоранию обмотки реостата.
2. Ознакомление с магазином сопротивлений в порядке
повторения и подготовки к практикуму проводят в форме
решения несложного экспериментального упражнения по
определению сопротивления при помощи амперметра и вольтметра.
С этой целью собирают установку с демонстрационным
магазином сопротивлений по рисунку 59. В цепь последовательно
включают амперметр с шунтом на 1 а и реостат, который
служит для того, чтобы получать силу тока в целых делениях
шкалы измерительного прибора.
Объясняют устройство магазина сопротивлений и правила
обращения с ним. Включают какое-либо сопротивление
(вынимают соответствующий штепсель) и, установив при помощи
реостата необходимый ток, измеряют величину тока и
напряжение на концах включенного сопротивления. На основании
закона Ома для участка цепи находят величину этого сопротивления.
Оио будет близко к обозначенному на приборе.
69

Рис. 59. Установка к экспериментальному упражнению с
магазином сопротивлений.
Повторяют опыт при других величинах сопротивлений, а
также при последовательном включении нескольких
сопротивлений.
Обращают внимание учащихся на величины допустимых
токов для соответствующих сопротивлений магазина. Это
необходимо учитывать при составлении электрической цепи. Полезно
привести небольшую таблицу, которая имеется на
демонстрационном магазине сопротивлений:
Сопротивление (ом)
1
2
5
Допустимая сила
тока (а)
2
2
1
После этого показывают общий вид лабораторного
магазина сопротивлений, с которым учащиеся будут работать в
практикуме, и объясняют правила обращения с ним, используя
сведения из проведенной демонстрации.
ОПЫТ Подбор шунта к амперметру
21 и добавочного сопротивления
к вольтметру
Оборудование: I) амперметр демонстрационный, 2) вольтметр
демонстрационный, 3) батарея аккумуляторов З-НКН-10, 4) два реостата —
30 ом, баи 1Q00 ом, 0,4 а, 5) малогабаритный высокоомный реостат на
20 ком, 6) шунт самодельный из медной проволоки, 7) выключатель
демонстрационный, 8) провода соединительные.
1. Для демонстрации шунтирования амперметра и
изменения пределов измерения прибора собирают установку по рисун-
60
ку 60. В цепь последовательно включают демонстрационный
амперметр с шунтом на 3 а (этот прибор служит
контрольным) и исследуемый прибор с самодельным шунтом.
В качестве второго прибора применяется гальванометр от
вольтметра.
Шунт изготавливается из медной проволоки длиной 270 мм
и диаметром 0,7 мм; ее изгибают в виде буквы П с
горизонтальным участком в 75 мм, и свободные концы поджимают под
винтовые зажимы — средний и с обозначением « + ». Шкалу для
этого прибора надо иметь такую же, как и у контрольного
амперметра, т. е. с 15 делениями и оцифровкой 0-1-2-3. Ее
Можно нанести на чистой поверхности одной из шкал гальванометра
или воспользоваться самодельной шкалой с оцифровкой 0-1-2-3.
Обозначение прибора закрывают бумажной шторкой с
надписью «А». Для включения шунта в цепь пользуются
пружинящими зажимами типа «Крокодил» (от авометра).
Сначала располагают зажимы у горизонтального участка
шунта и включают ток. Пользуясь реостатом, устанавливают
величину тока по контрольному прибору 1 а и наблюдают, что
и другой прибор показывает также 1 а.
Обращают внимание учащихся на необходимость
правильного включения шуита: цепь присоединяется к шунту, а не к
прибору (рис. 60, вверху). При этом отключают шунт от прибора
и по контррльному амперметру наблюдают, что величина тока
в цепи почти не изменилась, т. е. весь ток идет главным обра-;
зом через шунт, сопротивление которого во много раз меньше
сопротивления прибора. Параллельное подключение прибора к
шунту почти не изменяет величину тока в цепи, т. е. в прибор
ответвляется лишь небольшая часть общего тока.
Зная общий ток в цепи / и токи через шунт /ш и через
гальванометр /„ а также учитывая, что при параллельном вклю-
Рис. 60. Демонстрация шунтирования амперметра.
GI

чении токи обратно пропорциональны сопротивлениям, выводят
формулу для расчета сопротивления шунта:
' /?ш — —; >
л—1
где /?г—сопротивление гальванометра, п — величина,
показывающая, во сколько раз ток в общей цепи больше тока,
проходящего через гальванометр.
После этого демонстрируют изменение предела измерения
амперметра при изменении величины сопротивления шунта.
G этой целью переставляют один из зажимов на середину
горизонтального участка проволочного шунта и наблюдают, что
показания исследуемого прибора стали в 2 раза меньше, т. е. 0,5
оцифрованного деления, хотя ток через контрольный прибор
остался прежним—1 а. Теперь исследуемый прибор позволяет
измерять ток уже не до 3 а, как было раньше, а в два раза
больше, т. е. 6 а.
Затем уменьшают предел измерения исследуемого прибора
в 2 раза. Для этого зажимы переставляют приблизительно на
середины вертикальных участков П-образного шунта и
убеждаются, что чувствительность прибора возросла в 2 раза. Если
пружинящие зажимы подключать вблизи винтовых зажимов,
то чувствительность прибора увеличится в 3 раза.
2. Чтобы продемонстрировать'возможность расширения
пределов измерения вольтметра при помощи добавочного
сопротивления, собирают установку по рисунку 61.
Демонстрационный вольтметр с дополнительным сопротивлением на 5 в
подключают к зажимам потенциометра (реостат на 100Q ом) и
устанавливают величину напряжения, например 1 в.
В качестве исследуемого вольтметра применяю*
гальванометр от амперметра. К его зажимам — среднему и с
обозначением «-{-»— подключают переменный резистор на 20 ком.
&
Рис. 61. Демонстрация подбора дополнительных сопротивлений
к вольтметру.
Для этого удобно воспользоваться керамическим
резистором, установленным на панельке с зажимами для подключения
его в цепь и ползунком для изменения величины сопротивления.
Шкалу для исследуемого прибора удобнее сделать такой же,
как и у контрольного вольтметра, т. е. с оцифровкой 0-1-2-3-4-5.
Ее можно нанести на свободной обратной стороне шкалы
гальванометра; или можно воспользоваться шкалой 0-10 от
амперметра, заменив ее оцифровку. Обозначение прибора закрывают
бумажной шторкой с надписью «У».
После такой предварительной подготовки включают в цепь
измерительные приборы. Прн этом ползунок надо поставить в
такое положение (приблизительно на середину), чтобы
показания испытуемого прибора были 1 в, как и у контрольного.
Затем увеличивают и уменьшают величину дополнительного
сопротивления и наблюдают изменение показаний •
испытуемого прибора, хотя контрольный прибор все время показывает
неизменную величину напряжения на данном участке цепи.
Объясняют, что дополнительное сопротивление /?Д0П
рассчитывают по формуле /?Доп=#в (п~ 1). где RB—сопротивление
вольтметра, а п — число, показывающее, во сколько раз
расширяются пределы измерения прибора..
ОПЫТ
22 Мостик Уитетона
Оборудование: 1) реохорд демонстрационный, 2) гальванометр
демонстрационный, 3) гальванический элемент или аккумулятор, 4) магазин
сопротивлений демонстрационный, 5) реостат на 20—30 ом, 6) ключ
телеграфный, 7) провода соединительные, 8) ящики-подставки ~ 2 шт.
Для демонстрации опыта собирают мостиковую схему с
реохордом (рис. 62). Демонстрационный реохорд представляет
собой линейку длиной 1 м с натянутой вдоль нее калиброванной
проволокой из константана или манганина. Линейка
устанавливается на ножках в горизонтальном положении и имеет хорошо
видимые деления. Вдоль проволоки перемещается движок,
имеющий с ней надежный контакт.
В качестве неизвестного сопротивления берется реостат со
скользящим контактом. Это позволяет быстро менять величину
измеряемого сопротивления. Источником питания может
служить одни гальванический элемент илн аккумулятор.
Гальванометр с нулем посередине шкалы включается между
точками А и В (рис. 62, вверху), что напоминает собой мост
между двумя параллельными участками измерительной цепи.
Чтобы определить величину неизвестного сопротивления Rx
(реостат на 20 ом с ползунком, установленным посередине),
включают полностью известное сопротивление R в демонстра-
63

Рис. 62. Установка для демонстрации мостиковой схемы с реохордом.
ционном магазине, т. е. все штепсели вынимают (10 ом). Ползун
на реохорде располагают на середине линейки и нажимают на
ключ. При этом стрелка отклонится в ту или другую сторону от
нуля.
Тогда перемещают влево или вправо движок на реохорде и
добиваются отсутствия тока в гальванометре. При этом
необходимо несколько раз разомкнуть цепь ключом, чтобы точнее
определить то положение движка, при котором ток в гальванометре
отсутствует и, следовательно, потенциалы в точках An В равны.
В этом случае падения напряжения на участках R, и Rx, a
также i? и /?2 соответственно равны между собой и
Меняют величину известного сопротивления в магазине,
например вставляют штепсели в гнезда над цифрами / и 2, и
опять находят положение движка на реохорде, при котором
отсутствует ток в гальванометре. Теперь это положение при том
же неизвестном сопротивлении оказывается другим. Однако
величина неизвестного сопротивления получается такой же, как
и в первом случае.
Величину сопротивления в магазине надо подбирать так*
чтобы она была близка к величине измеряемого. В таком случае
положение движка оказывается в средней части реохорда и
погрешности измерений будут минимальными.
Далее следует поменять местами гальванометр и источник
тока. Это оказывается целесообразным для практического
применения мостиковой схемы. В этом случае две параллельные
ветви имеют близкие по величине сопротивления, вследствие
чего не перегружается провод реохорда. Кроме того, контакт
ползунка с проводом реохорда все время находится под большим
напряжением и, таким образом, оказывается более надежным.
64
ОПЫТ Зависимость сопротивления
23 металлических проводников
от температуры
Оборудование: 1) прибор для демонстрации изменения
сопротивления проводника при нагревании, 2) батарея аккумуляторов З-НКН-10,
3) спиртовка, 4) провода соединительные. .
Самодельный прибор (рис. 63) состоит из деревянной стойки
высотой 50 см, шириной 8 см и смонтированных на ней деталей:
патрона для электрической лампы на 6 в, 21 ев (лампа от
осветителя для теневой проекции), двух зажимов для подключения
источника тока и спирали из стальной проволоки диаметром
0,3—0,5 мм и длиной приблизительно 0,5 м.
Детали прибора соединены последовательно толстым
проводом, и места соединений имеют хорошие контакты. Это
уменьшает общее сопротивление цепи. Чем большую часть общего
сопротивления составляет сопротивление нагреваемой спирали,
тем лучше будет получаться опыт.
Подключив источник тока — батарею аккумуляторов — к
зажимам на стойке, наблюдают свечение лампы. Затем подносят
к спирали зажженную спиртовку и обращают внимание, как по
мере нагревания проволоки лампа начинает светиться все
слабее. Наконец, свечение совсем прекращается, это
свидетельствует об увеличении сопротивления накаленной спирали по
сравнению с сопротивлением холодной.
Убирают спиртовку и наблюдают, как постепенно
восстанавливается свечение лампы; спираль остывает и ее сопротивление
уменьшается.
Объясняют учащимся, что с изменением температуры
металлического проводника меняется скорость теплового движения
ионов кристаллической решетки и меняется число столкновений
электронов с ионами, Это приводит к изменению сопротивления
проводника.
ОПЫТ
24 Термоэлектрический ток
Оборудование: 1) термопары: одна — демонстрационная и
две из лабораторного оборудования, 2) гальванометр демонстрационный
от вольтметра, 3) гальванометр демонстрационный зеркальный, 4) термометр
демонстрационный, 5) термостолбик, 6) штатив универсальный, 7)
спиртовка, 8) стаканы химические с тающим льдом — 2 шт., 9) провода
соединительные, 10) ящик-подставка.
Возникновение термотока в цепи удобно продемонстрировать
с самодельной термопарой, у которой хорошо видны оба спая
(рис. 64). Такую термопару лучше всего изготовить из двух
Б Заказ th 6047
65.

Рис. 63*. Демонстрация измене- Рис. 64. Демонстрация действия термо-
ния сопротивления преводкика пары,
ври нагревав»».
отрезков железной проволоки длиной по 40 см, диаметром
1,5—2 мм, которые привариваются к концам такого же отрезка
константановой проволоки. Свободные- концы загибаются и
поджимаются под винтовые зажимы гальванометра. Можно
воспользоваться и нарой медь-никелин или двумя лабораторными
термопарами (применять пару медь-железо нецелесообразно,
так как при увеличении температуры у такой термопары
наблюдается изменение знака э. д. с.— инверсия).
В начале опыта обращают внимание учащихся на то, что оба
спая имеют одинаковую температуру и указатель
гальванометра находится на нулевом делении шкалы. Затем подносят на
некотором расстоянии к одному из спаев зажженную спиртовку
и наблюдают наличие тока в цепи вследствие разности
температур горячего и холодного спая.
Приближают пламя спиртовки к месту контакта и
наблюдают увеличение показаний гальванометра. Охлаждают контакт
влажной тканью, и стрелка гальванометра возвращается к нулю.
Нагревают второй спай и обращают внимание, что стрелка
гальванометра отклоняется в обратную сторону: термоток изменил
направление.
После объяснения наблюдаемых явлений знакомят
учащихся с применением термопар для измерения температуры. С этой,
целью в порядке подготовки к лабораторной работе в
практикуме проводят опыт по градуированию термопары на заранее
подготовленной установке (рис. 65). Сначала обе термопары
помещают в тающий лед и, обратив внимание, что термометр
показывает нуль градусов, устанавливают световой указатель
гальванометра также на нулевое деление шкалы. Затем постепен-
66 -
Рис. 65.
Градуирование термопары.
но нагревают воду в стакане с термопарой. Через каждые 5—
—10 мин записывают показания термометра и гальванометра
(делают 3—5 измерений). Замечают пропорциональную
зависимость между температурой и термотоком, что и лежит в
основе измерения температуры с помощью термопары.
С целью получения больших термоэлектродвижущих сил
применяются термобатареи. В качестве примера такой
термобатареи демонстрируют устройство и действие термостолбика
(рис. 66). Прибор представляет собой батарею из 50
последовательно соединенных термоэлементов константан-нихром. Одни
Рис. 66. Демонстрация действия термобатареи.
Б«
67

спаи термопар не облучаются (они залиты парафином), а на
другие падает излучение через раздвижную щель. Сначала
снимают конусную насадку и показывают саму термобатарею,
покрытую тонким слоем копоти. Затем, надев насадку,
присоединяют термостолбик с помощью длинных проводников к зажимам
демонстрационного зеркального гальванометра (можно
воспользоваться и обычным гальванометром с усилителем к нему,
выпускаемым Главучтехпромом).
В начале опыта направляют термостолбик на белый экран
или белую степу и устанавливают с помощью корректора
световой указатель на нулевое деление шкалы. Затем направляют
термостолбик на аудиторию и наблюдают небольшое отклонение
аайчика гальванометра. Помещают вблизи конусной насадки
руку — отклонение заметно увеличивается. Возвращают
термостолбик в исходное положение, и зайчик снова возвращается к
пулю.
Во время демонстрации не следует держать корпус прибора
в руках. Это может привести к нагреванию «холодных» спаев
термопар и к снижению выразительности опытов.
ГЛАВА II
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
§ 1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА
ОПЫТ Демонстрация спектров магнитного поля
25 тока
\.
Оборудование: 1) набор приборов для проецирования спекгрол».
магнитного ноля тока, 2) коробочка-сито с железными опилками, 3)
проекционный аппарат, 4) батарея аккумуляторов З-НКН-10, 5) проводники
соединительные, 6) лист бумаги.
Приступая в старших классах к углубленному изучению
магнитного поля тока, учащиеся уже имеют представление' о
магнитных спектрах, так как раньше они практически получали
их на лабораторных занятиях. Таким образом, цель данной де-
моцстрации состоит лишь в том, чтобы напомнить учащимся
все, что им было известно о магнитных спектрах тока, о
расположении силовых линий магнитного поля тока в зависимости от
формы проводника.
Для этого наиболее подходящим является метод
проецирования, обеспечивающий быстроту подготовки опыта и
наилучшую видимость. Здесь можно воспользоваться приборами,
представляющими собой квадратные панели из органического
стекла с проволочными контурами для получения магнитного
поля вокруг прямого провода, в проволочном витке и
соленоиде (рис. 67).
Для изготовления каждого из контуров служит большой
проволочный моток из 16 витков эмалированного провода диамет-
Рис. 67. Приборы для демонстрации магнитных спектров тока.
09

Рис. 68. Спектр магнитного
поля в соленоиде (проекция
на экран).
ром 0,5 мм. Из этого мотка
свернуты контуры в виде
кольца,соленоида или прямого провода,
расположенного перпендикулярно
плоскости панели, а концы мотка
присоединены к установленным
на панели зажимам. Каждый
такой прибор требует источника
постоянного тока с э. д. с.
приблизительно 4 в. При этом сила тока
в проводе достигает двух ампер,
что при 16 витках по магнитному
действию эквивалентно 2 а-16=
=32 а. Это обеспечивает
получение отчетливого спектра.
Один из таких приборов
устанавливают на оправу
конденсора проекционного аппарата-, на-
' строенного для горизонтально-т
го проецирования, и равномерно посыпают небольшим количе-"
ством мелких железных опилок. Затем зеркалом или призмой
направляют изображение прибора на экран и передвижением
объектива получают необходимую резкость изображения опилок.
Присоединив к зажимам прибора провода от источника,
включают ток. Под действием, магнитного поля часть опилок,
преодолевая трение, располагается вдоль силовых линий и
образует спектр. Если при этом слегка постучать по панели
концом карандаша, то опилки встряхиваются и спектр
становится более отчетливым. Не следует стучать слишком сильно
и долго: это приведет к сползанию опилок и. искажению
спектра: Спектр, полученный на экране, изображен на рисунке 68.
По окончании демонстрации прибор снимают и опилки
ссыпают сначала на лист бумаги, а затем в коробочку.
Можно в описанном выше опыте воспользоваться н более
простыми приборами с контурами из толстого одинарного
провода (диаметром около 3 мм). Для такого прибора потребуется
источник, способный дать ток около 30 а. Таким источником
тока может служить аккумулятор достаточно большой емкости
или универсальный трансформатор с катушкой для
электросварки. В последнем случае такой же отчетливый спектр будет
получен с помощью переменного тока.
ОПЫТ Вращение проводника с током вокруг
2$ магнита
Оборудование: 1) магниты линейные с кольцом и обоймой,
2) стержень с контактным диском, 3) магнит дугообразный, 4) провода
соединительные, 5) штатив универсальный.
70
Изучая действие магнитного поля на проводник с
током,полезно показать возможность непрерывного вращения
проводника без каких-либо переключающих устройств. Такой опыт
впервые осуществил М. Фарадей. Для получения подвижного
контакта он пользовался ртутью. Поскольку применение ртути
в школьных опытах нежелательно, опишем здесь аналогичный
опыт в оригинальной постановке московского учителя физики
М. Е. Остроьского.
Установка для проведения опыта (рис. 69) представляет
собой два или один прямой вертикально установленный магнит с
надетым на него медным кольцом и подвешенный на штати-ве
медный проволочный стержень с небольшим диском,
припаянным к его нижнему концу. Стержень подвешен точно над
магнитом и касается диском кольца. Подвес осуществлен следующим
способом. К верхнему концу стержня припаян небольшой
наконечник из мягкой стали, заточенный сверху на конус. Этим
наконечником стержень приставляется снизу к торцу сильного
постоянного магнита, зажатого в лапке штатива. Такой способ
подвеса обеспечивает возможность вращения стержня вокруг
своей оси с очень малым трением.
Для проведения опыта один из подводящих ток проводов
присоединяется к обойме, в которой закреплен магнит, а другой
зажимается между лапкой штатива и магнитом, к которому
подвешен стержень. В этом
месте магнит надо зачистить.
Надо хорошо почистить и
торец этого магнита, чтобы
улучшить контакт с
наконечником.
Постоянный ток в"5—6 а
пропускают через
магнитный подвес, проволочный
стержень и подвижный
контакт стержня с кольцом
(рис. 69). При этом
стержень приходит в движение
и непрерывно вращается
вокруг магнита. Диск
катится по поверхности кольца с
очень малым трением и
имеет с ним достаточно
хороший контакт.
На рисунке 70 показано
примерное расположение
полюсов магнита и
направление тока в стержне.
Применив правило
левой руки, легко определить
Рис. 69. Установка для демонстрации
вращения проводника с током вокруг
магнита.
71

w^
0 2,S
—0—
ф 23
I ' > .
" I I I I
h I I
МЧ+-Ч
Рис. 70. Примерное расположение
полюсов магнита и направление
тока в стержне.
Рис. 71. Детали устройства прибора.
направление вращения (против часовой стрелки, если смотреть
сверху).
Детали устройства прибора и их приблизительные размеры
показаны на рисунке 71. Кольцо и обойму делают из медной,
латунной или дюралевой трубы, подобрав ее диаметр
соответственно размерам имеющихся полосовых магнитов. Разброс н
размерах возможен довольно большой, так как плотная
посадка магнитов в кольце и обойме осуществляется с помощью двух-
трех отрезков упругой резиновой трубки, зажатых между
магнитами.
К отрезку трубы, которая должна служить обоймой, надо
выточить металлическое донышко. В центре его следует
просверлить отверстие и нарезать в нем резьбу под конический
стержень от дисковой сирены (этот стержень ввертывается в
обойму при проведении опыта 91, п. 2). На. обойме надо
поставить зажим и соединить его проводничком с кольцом.
72
ОПЫТ
27
Действие магнитного поля на ток
Оборудование: 1) весы аэродинамические, 2) амперметр
демонстрационный, 3) метр демонстрационный, 4) магниты дугообразные —4 шт.,
5) скоба проволочная, 6) выключатель демонстрационный! 7) штатив
универсальный, 8) провода соединительные, 9) циркуль-измеритель демонстрационный.
Действие магнитного поля на ток, так же как и способы
определения направления движения проводника с током в
магнитном поле, учащимся хорошо известно. Основываясь на этих
знаниях, можно определить факторы, от которых зависит
величина силы, действующей на проводник с током, и затем ввести
понятие о магнитной индукции и единице ее измерения.
Числовые результаты проведенного опыта позволят затем
приблизительно определить среднюю магнитную индукцию между
полюсами постоянных магнитов. Это будет способствовать большей
конкретизации нового понятия.
1. Демонстрационная установка для проведения опыта
изображена на рисунке 72. В ней основной деталью служит скоба
из голой медной проволоки, помещенная между полюсами двух
магнитов. Форма скобы, ее размеры и способ подвеса показаны
на рис. 73. Колечки с крючками, прилагаемые к
универсальному штативу, изолированы от стержня листом обыкновенной
бумаги. Этого вполне достаточно ввиду того, что подводимое
напряжение мало. Между бумагой и колечками зажаты концы
соединительных проводов. Надежность контактов в точках
подвеса скобы вполне обеспечивается ее достаточным весом.
Для измерения силы, действующей на проводник с током,
служат универсальные чувствительные весы. При подготовке их
к измерению в отверстие втулки весов вставляют стержень /
(рис. 72) с малым диском из аэродинамического набора и из-
Рис. 72. Установка для изучения действия магнитного поля на ток.
73

готопляют рейтер массой.в 500мг
в виде согнутой
металлической полоски. Толкателем 2,
соединяющим весы со скобой,
служит мягкая тонкая проволочка,
один конец которой огибают
вокруг стержня над самым
диском, а другой конец, согнутый и
виде крючка, свободно
накладывают на середину скобы между
магнитами.
При определении цены
деления весов надо применить
правило моментов. Если длина
стержня 10 еж. а рейтер весом 0,5 гс
находится, например, на
расстоянии 20 см от оси, то
/МО см=0,Ъ гс-20 см.
Отсюда сила F равна 1 гс,
когда рейтер находится на
расстоянии 20 см от оси; значит, перемещение рейтера на 1 см со-
.ответствует изменению силы F на 1/20 гс=0,05 гс.
Для измерения силы тока служит демонстрационный
амперметр с шунтом на 10 а и соответствующей шкалой для
постоянного тока.
2. Приступая к проведению опыта, от весов отцепляют
толкатель и снимают с рычага рейтер. При помощи уравнительного
винта добиваются совпадения указателей.
Постоянный ток можно получить от выпрямителя.
Сначала устанавливают рукоятку регулятора напряжения на
нуль, затем включают ток, доводят его до 8 а и наблюдают
за движением скобы. Изменяя направление тока или
переворачивая магниты, показывают изменение направления движения
проводника. Эти опыты дают повод вспомнить правило левой
руки, связывающее направления тока, силовых линий поля и
движения проводника.
Выключив ток, при котором наблюдалось выталкивание
скобы влево, соединяют скобу с вертикальным стержнем весов при
помощи проволочного толкателя, как было указано выше, и
передвигают весы по столу так, чтобы указатели равновесия вновь
совпали. На этом заканчивается подготовка установки.
Включают ток и замечают, что рычаг весов приподнимается.
Насадив на рычаг рейтер и передвигая его вдоль рычага,
находят для него такое положение, при котором весы вновь
уравновешиваются. Зная цену деления шкалы, находят силу, с
которой магнитное поле действует на проводник с током.
;
2-4*
(
'
W
1"Г1 1 II
jpffl| jmffltiwi
Г
200
!'
Рис. 73. Детали установки.
74
Опыт повторяют при иных значениях силы тока. Затем
удаляют один из магнитов и тем уменьшают почти вдвое длину той
части проводника, которая находится в магнитном поле. Снова-
.измеряют величину выталкивающей силы. Длину проводника
определяют циркулем-измерителем и демонстрационным
метром.
На доске записывают результаты опытов:
Длина проводника
I (CU)
10
ш
10
5
Сила тока / (в)
8
4
2
8
Выталкивающая сил*
F (гс)
0,9
0,45
0,12
0,45
Анализ полученных результатов приводит к заключению, что
сила, с которой данное магнитное поле действует на проводник,
пропорциональна силе тока и длине части проводника,
находящейся в магнитном поле: F~Il.
. После этого заменяют магниты двумя другими магнитами
тех же размеров и формы, но более слабыми и обнаруживают,
что при тех же / и / сила, действующая аа проводник,
оказывается меньше. На этом основании полагают, что сила зависит
также от величины, характеризующей интенсивность поля и
называемой магнитной индукцией В. Таким образом, F=kBll,
где к — коэффициент пропорциональности.
Полагая в полученной формуле коэффициент пропорциональ-
D F
ности равным единице, устанавливают из выражения . В— -^
единицу магнитной индукции в системе СИ:
II
а-м
= тл,
и определяют среднюю величину магнитной индукции между
полюсами выбранных для опыта магнитов. Для этого можно
воспользоваться, например, данными первого олыта:
/==10 дк=0Д м, /-8а, F=0,9 гс^0,009 н.
Подставив эти данные в формулу, находят:
В=
О.ООЭл
8а-0,1 м
=0,01 тл.
75

опыт
28
Взаимодействие двух параллельных токов
Оборудование: 1) ленты из фольги с наконечниками— 2 шт.,
2) моток проволочный на подсгавке, 3) рамка от прибора «Виток в
магнитном поле», 4) штатив универсальный, 5) проводники соединительные, 6)
штепсельная розетка с вилкой или двухполюсный переключатель
демонстрационный.
Взаимодействие токов целесообразно показать на двух
опытах. Сначала это явление надо представить в наиболее «чистом»
виде, т. е. показать притяжение и отталкивание двух прямых
проводников с токами одинакового и противоположного
направлений. Затем можно перейти к показу взаимодействия
катушек.
1. В первом опыте для получения надлежащего эффекта
необходимы гибкие и легкие проводники, которые вместе с тем
должны выдерживать достаточно сильный ток. В
противоречивости этих требований и заключается некоторая трудность
проведения опыта.
Хорошие результаты можно получить, если'воспользоваться
лентами из алюминиевой фольги, идущей на изготовление
бумажных конденсаторов. Фольга от рулона, вынутого из
коробочки конденсатора, обычно развертывается вместе с
приставшей к ней бумагой. Надо, не отслаивая бумаги, отрезать от
фольги две узкие ленты шириной 10 мм и длиной 50 см. Слой
бумаги между двумя полосками из фольги придаст ленте
большую прочность.
Концы каждой ленты заделывают в наконечники (рис. 74),
при помощи которых обе ленты зажимают в изолирующих
стержнях на универсальном штативе, как показано на
рисунке 75. Такая лента выдерживает кратковременный ток до 8 ii.
Лепты не следует натягивать. Слегка изгибая, их сближают
на расстояние 0,5—1 см и концы присоединяют к выпрямителю
через штепсельную розетку, как показано на рисунке. Вместо
штепселя можно воспользоваться двухполюсным
переключателем. При включении тока в пределах 5—8 а ленты отталкива-
вновь сближаются. Чтобы изменить
направление тока в одном из
проводников, достаточно штеккеры в
розетке поменять местами. Теперь
токи в проводниках будут иметь
одинаковые направления и
проводники притянутся друг к другу. -
При проведени опыта не следует
включать ток на длительное время.
Рис. 74. Лента из фольги с Для Улучшения видимости можно
наконечником. воспользоваться теневой проекцией.
ются, а при выключении
76
Рис. 75.
Взаимодействие параллельных
токов.
Иногда .в этом опыте
ленты соединяют сначала
последовательно, а затем
параллельно. Этот способ
имеет тот недостаток, что
при переключении с
параллельного соединения
на последовательное
сила тока в каждом
проводнике увеличивается
вдвое. В способе,
представленном на рисунке 75,
соединение проводников
в любом случае остается
последовательным и
величина тока при
переключении не изменяется.
Учитывая, что
описанный опыт требует
тщательной подготовки, а
изготовленные надлежащим
образом проводники трудно сохранять в целости, можно
рекомендовать для этого опыта специальный самодельный прибор
для проецирования на экран. Устройство прибора и все
необходимые размеры
показаны на рисунке 76.
Прибор состоит из двух
вертикальных планок из
органического стекла,
между которыми параллельно
расположены почти без
натяжения две ленты из
алюминиевой фольги.
Прибор устанавливают
на рейтере проекционного
аппарата у самого
конденсора и
передвижением объектива
добиваются получения па
экране резкого изображения
лент. Достаточно
заметное притяжение и
отталкивание получается при
токе 1—2 а.
2. Рамку от прибора
«Виток в магнитном
поле» подвешивают на
изолирующем стержне по-
Денщчки
из фопьги
~\
Пружинки
из медной фольги
16
L*
Рис. 76. Устройство прибора для
демонстрации взаимодействия параллельных то-
77

средством специального гибкого
шнура и рядом с ней
устанавливают проволочный виток на
подставке. Рамку и виток сначала
помещают рядом в одной плоскости, как
показано на рисунке 77.
Определив и отметив каким-либо
способом направление тока в витке
и рамке (можно, например,
применить цветные проводники),
включают на короткое время ток и
показывают притяжение или
отталкивание рамки в зависимости от
направления тока. Чтобы изменить
характер взаимодействия, поворачивают
виток на 180°.
Затем устанавливают виток
против рамки так, чтобы их плоскости
были параллельны, включают токи
показывают, что витки с токами,
одинаково направленными,
притягиваются, а если токи в них
направлены противоположно — отталкиваются. При достаточно
сильном токе рамка, оттолкнувшись, переворачивается и
притягивается вплотную к витку.
Приборы присоединяют к источнику тока так же, как
описано на стр. 76; ток в каждом из них при кратковременном
включении не должен превышать 4 а.
Рис. 77. Взаимодействие
двух круговых токов.
ОПЫТ
29
Исследование магнитного поля тока
Оборудование: I) гальванометр демонстрационный от амперметра,
2) усилитель к гальванометру, 3) магнитный зонд, 4) звуковой
генератор, 5) виток проволочный, 6) соленоид проволочный, 7) провода
соединительные, 8) штатив универсальный, 9) основание диполя, 10)
аккумуляторная'батарея З-НКН-10 или батарея КБС-0,5, 11) циркуль-измеритель
демонстрационный.
Исследование магнитного поля удобнее всего проводить при
помощи специального магнитного зонда или индикатора
индукции магнитного поля. Известно 'довольно много конструкций
магнитных индикаторов, которые описаны в специальной и
методической литературе'. Из них заслуживают внимания два
а См: В. И. Чечерников. Магнитные измерения, изд-во МГУ, 1963;
сМетодика преподавания физики в средней школе>, т. III, под ред.
Б. М. Яворского, М., изд-во АПН РСФСР, 1961, стр. 201.
78
индикатора, принципиально отличающиеся друг от друга.
Простейший из них представляет собой миниатюрную проволочную
рамку с сердечником или без него с коллектором, в которой
возбуждается э. д. с. при ее вращении в исследуемом магнитном
поле. Действие другого основано на изменении магнитной
проницаемости ферромагнетика при периодическом изменении
напряженности намагничивающего поля.
Ниже приведено описание устройства подобных индикаторов,
рассчитанных на изготовление их в школе.
1. В индикаторе магнитного поля, изображенном на
рисунке 78 1, использованы два микроэлектродвигателя, выпускаемые
для приведения в действие детских технических моделей.
Головка зонда представляет собой извлеченный из корпуса микро-
электродвигателя якорь с коллектором, заключенный в
защитный прозрачный корпус цилиндрической формы. На торце
головки краской показана прямая, вдоль которой должен быть
направлен вектор магнитной индукции, чтобы э. д. е.,
возникающая в обмотке якоря при его вращении, достигла максимальной
величины.
В рукоятке прибора помещается микроэлектродвигатель
(«лодочный мотор»), соединенный своим длинным валом с
валом якоря. Соединительный шнур прибора состоит из двух пар
проводов. Одна пара присоединяется к источнику постоянного
тока напряжением 4 в," а другая пара — к демонстрационному
гальванометру от вольтметра. При внесении головки зонда в
магнитное поле и надлежащей ее ориентации стрелка
гальванометра отклоняется. По расположению указателя на головке
зонда и по показаниям гальванометра можно судить о величине' и
направлении вектора магнитной индукции в той небольшой
области поля, где находится головка зонда.
Рис. 78. Индикатор магнитного поля с вращающимся
якорем.
1 Данная конструкция зонда разработана А. Г. Восканяиом.
79

К здукоВому
генератору
Рис. 79. Схема
устройства магнитного
К гальванометру зонда.
2. На рисунке 79 схематически показано устройство
другого зоида '. Его сердечник состоит из 15 слоев пермалоевой
лепты шириной 9 мм и толщиной 0,1 мм. Сердечник зонда
пропущен через два одинаковых каркаса с намотанным на них
проводом ПЭЛ диаметром 0,15 мм. Обмотки имеют по 100 витков
и соединены последовательно так, что могут создавать
замкнутый внутри сердечника магнитный поток. Поверх этих обмоток
наматывают еще 600 витков провода ПЭЛ диаметром 0,06.мм.
Если через внутреннюю обмотку прибора пропустить
переменный ток, то во внешней обмотке э. д. с. не возникнет, так как
суммарный магнитный поток, охватываемый наружной обмоткой,
в любой момент равен нулю.
При появлении постоянного внешнего магнитного поля,
направленного вдоль оси наружной обмотки, в последней
возникает э. д. с. индукции. Дело в том, что из-за нелинейности
кривой намагничивания магнитная проницаемость сердечника,
обтекаемого переменным током, изменяется. Соответственно
изменяется и магннтнаяиндукцияполя, создаваемого в сердечнике
внешним постоянным магнитным полем. Таким образом,
магнитные потоки, создаваемые в ветвях сердечника двумя
внутренними обмотками, изменяются неодинаково, и результирующий
магнитный поток, охватываемый наружной обмоткой, уже не равен
нулю; его изменение вызывает в наружной обмотке появление
э. д. с, пропорциональной продольной составляющей
напряженности внешнего магнитного поля. Эту э. д. с. регистрирует
гальванометр, по показаниям которого можно судить о величине
вектора индукции исследуемого поля. Направление вектора
индукции этим зондом определить нельзя; можно только
утверждать, что он направлен вдоль оси прибора, если стрелка
гальванометра дает максимальное отклонение.
Зонд укреплен па длинной деревянной ручке, в которой
утоплены две пары проводов. Его питание осуществляется от зву-
1 См.: В. Л. Буров. Ферромагнитный индикатор индукции
магнитного поля. «Физика и школе», 1964', № 3.
80
кового генератора током частоты 1000—2000 гц, и только а
очень сильных полях его можно питать током промышленной
частоты. Кр»цы наружной обмотки присоединяются к
демонстрационному гальванометру (к зажимам для переменного тока)
непосредственно или через усилитель. Для увеличения
чувствительности зонда последнему витку ленты сердечника придают
форму вытянутой петли длиной 55 м, внутрь которой вставляют
два деревянных клина.
В опыте, описание которого приводится ниже, и во всех
последующих опытах применяется последний из двух описанных
выше зондов. Однако в каждом из этих опытов можно
применить любой из них. При помощи зонда рекомендуется провести
сравнительное определение индукции магнитного поля в
следующих случаях: 1) вокруг длинного прямого провода с током
на различных расстояниях от провода; 2) в различных точках
вокруг проволочного вигка; 3) в различных точках внутри
соленоида. В последнем опыте легко вскрывается зависимость
величины индукции магнитного поля внутри соленоида от числа
витков, приходящихся на единицу его длины.
1. Перед проведением первого исследования необходимо
сначала ознакомить учащихся с действием магнитного зонда.
Для этого включают звуковой генератор и присоединяют к его
выходным зажимам провода от внутренней обмотки зонда.
Вторую пару проводов зонда присоединяют к гальванометру со
шкалой на 10 делений, используя зажимы для переменного тока.
Корректором устанавливают стрелку на нуль и подносят зонд
к стоящему на столе постоянному магниту. Когда лампы
генератора разогреются, зонд начинает слабо звучать и стрелка
гальванометра отклоняется. Поворачивая лимб генератора и
изменяя частоту колебаний, добиваются наибольшего
отклонения стрелки гальванометра. После этого помещают зонд в
каком-либо другом месте вблизи магнита (рис. 80) и поворачива-
Рис. 80. Демонстрация действия магнитного зонда.
6 Заказ № 6047 -81

Рис. 81. Установка для определения индукции магнитного поля прямого тока.
ют его. Учащиеся замечают, что наибольшее отклонение
стрелки наблюдается, когда зонд расположен вдоль силовых линий.
Если зонд расположить перпендикулярно к силовым линиям,
стрелка стоит"на нуле. Известно, что при удалении от магнита
j индукция магнитного поля убывает. Соответственно
уменьшается и показания гальванометра.
Этих предварительных опытов достаточно, чтобы можно
было начать пользоваться магнитным зондом для исследования
магнитных полей. Знакомить учащихся с устройством и
принципом действия зонда пока преждевременно и для этого нет
необходимости.
р■ Приступая к проведению исследования, зонд закрепляют в
[поворотном приспособлении универсального штатива (рис. 81)
'и придвигают к нему вертикальный провод, натянутый-между
муфтами изолирующих стержней, на расстояние около 7 см.
Учитывая, что магнитное поле вокруг одиночного провода с
током будет во много раз слабее поля постоянного магнита, .
зонд присоединяют к гальванометру через усилитель с
батареей на 4 s1. При этом гальванометр дает сильное отклонение,
хотя ток в проводе еще отсутствует. Это показывает, что
чувствительность зонда сильно возросла и он реагирует на магнитное
поле Земли, различных намагниченных предметов,
находящихся поблизости, и особенно на магнитное поле магнита,
находящегося в гальванометре. Поворотом ручки усилителя приводят
стрелку гальванометра к нулю и тем самым компенсируют
действие на зонд всех посторонних полей.
Затем включают в провод ток и, следя за показаниями
гальванометра, усиливают его, пока стрелка гальванометра пе от-
1 Устройство усилителя к гальванометру описано во введении, стр. 13.
82
клонится на б делений (для этого понадобится ток в проводе
около 8 а). Расстояние от зонда до провода фиксируют,
демонстрационным циркулем-измерителем и отодвигают провод (не
зонд!), пока показание гальванометра не уменьшится вдвое
(3 деления). Приставляя циркуль, показывают, что расстояние
увеличилось также вдвое. Далее отодвигают провод, пока
показание гальванометра не уменьшится в три раза (2 деления),
и показывают, что расстояние увеличилось во столько же раз.
Таким образом, учащиеся убеждаются, что магнитная индукция
в поле длинного прямого проводника с током обратно
пропорциональна расстоянию от проводника.
Затем уменьшают расстояние до прежней величины и
уменьшают силу тока в проводе, при этом во столько же раз
уменьшаются и показания гальванометра. |'Как видно, результаты
опыта согласуются с формулой: —J
Г2яг
' 2. Заменив в установке предыдущего опыта прямой провод
проволочным витком диаметром 220 мм, свернутым из медной
или алюминиевой проволоки толщиной 1,2—2 мм,
устанавливают виток так, чтобы зонд оказался расположенным в центре
витка вдоль его оси (рис. 82). Включая ток, находят, что
стрелка гальванометра отклонилась на б делений. Затем
двигают -виток, приближая зонд к проводу витка (рис. 82,
пунктир), и устанавливают, что магнитная индукция^ в плоскости
витка имеет наименьшую величину в центре.
Двигая виток так, чтобы зонд перемещался вдоль оси в'итка,
показывают, что магнитная индукция с удалением от центра i
витка вдоль его оси в обе стороны уменьшается. — «—J
3. Для исследования магнитного поля соленоида применяя^
соленоид из 10 витков диаметром 7 см, свернутый из латунной
Рис. 82. Определение
индукции магнитного,
поля кругового тока.
6*
83

Рис. 83. Установка для определения индукции магнитного поля соленоида.
или достаточно упругой медной проволоки толщиной 1,5—2 мм.
Намотав проволоку виток к витку на какой-либо цилиндр
несколько меньшего диаметра, ей сначала дают развернуться,
затем растягивают до длины 10 см и, отрезав лишнюю, загибают
концы ее так, чтобы было удобно вставить их в отверстия
изолирующих штативов (рис. 83). Штативы соединяют внизу
коротким стержнем. Этот стержень, лежащий свободно в муфтах,
удерживает изолирующие штативы в нужном положении.
В связи с тем что магнитное поле соленоида значительно
сильнее, чем поле прямого и кругового тока, в этом опыте чув-
ствителыюсть зонда надо уменьшить. Для этого усилитель
отключают и присоединяют провода от зонда непосредственно к
зажимам для переменного тока гальванометра.
Раздвигают штативы па расстояние 20 см, включают ток
около бои зондируют магнитное поле вокруг соленоида.
Затем вводят зонд внутрь и перемещают его перпендикулярно оси
соленоида. После этого вводят зопд в промежутки между
витками в разных местах. Такое зондирование позволяет
установить, что во всем внутреннем объеме соленоида индукция
одинакова и поле можно считать однородным, у концов же
соленоида индукция вдвое меньше, чем внутри.
Если, удерживая зонд внутри соленоида, сблизить штативы
и уменьшить длину соленоида вдвое, то по показаниям гальва-
84
нометра учащиеся находят, что и индукция в соленоиде
увеличивается вдвое. Из этого заключают, что магнитная индукция
внутри соленоида пропорциональна числу витков,
приходящихся на единицу его длины. Это соответствует формуле
ОПЫТ
30
§ 2. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Демонстрация магнитных свойств
вещества
Оборудование: 1) образцы на специальных подвесах, 2)
трансформатор универсальный, 3) штатив универсальный, 4) проекционный
аппарат, 5) провода соединительные.
Проявление диамагнитных, парамагнитных и
ферромагнитных свойств различных веществ демонстрируют, помещая
образцы из исследуемых материалов в сильное магнитное поле. Если
образец, имеющий продолговатую форму, поместить между
полюсами сильного электромагнита, то в
зависимости от своей природы он
поворачивается поперек магнитных силовых
линий и выталкивается в места, где
напряженность поля меньше, или
втягивается в промежуток между полюсами н
располагается вдоль поля.
В нервом случае образец обладает
диамагнитными свойствами, во
втором— мы имеем дело с парамагнитным
или ферромагнитным веществом.
Демонстрация диамагнитных свойств
вещества связана с некоторыми
трудностями. Они вызваны тем, что
диамагнетизм почти всех диамагнитных веществ
обычно выражен настолько слабо, что
ничтожная примесь ферромагнетика
часто наделяет диамагнитный образец как
бы парамагнитными свойствами.
Примеси ферромагнетика к парамагнитным
веществам также изменяет свойства
парамагнетика. Однако это изменение
состоит только в усилении парамагнитного ,
эффекта, поэтому характер поведения Рис/84. образец, подго-
парамагнетика в магнитном поле от на- явленный для демон-
личия примеси не изменяется. страции.
85

Если ограничить опыт
демонстрацией только трех
образцов, то эти трудности
легко преодолеть. В этом
случае образцы следует из*
готовить из любой мягкой
стальной проволоки, из алю<
мнния и природного графи*
та'. Образцам придают
форму цилиндриков
диаметром 3 мм и длиной
15 мм.
К каждому из
цилиндриков приклеивают тонкую
Рис. 85. Образец между полюсами элек- белую нитку длиной 30 см.
тромагнита. Другой конец нитки
приклеивают к стержню,
который вставляют в отверстие корковой пробки (рис. 84).
При подготовке к опыту пробку зажимают в лапке штатива.
Перемещая лапку вверх или вниз по штативу, передвигая
стержень в пробке в вертикальном направлении и поворачивая его,
можно установить образец в нужном положении.
Сердечник универсального трансформатора устанавливают
перед конденсором проекционного аппарата. На сердечник
насаживают катушку «120» и закрепляют кондаеские полюсные
наконечники с промежутком между ними на 2—3 мм больше
длины образца. Поместив между полюсами образец,
подлежащий исследованию, включают осветитель проектора и получают
на экране резкое прямое изображение образца и полюсных
наконечников (рис. 85). Затем катушку электромагнита
присоединяют к источнику постоянного тока, включают ток 5 а (при
напряжении приблизительно 30 в) и следят за поведением
образца.
Графитовый .образец сначала устанавливают; как показано
на рисунке. При включении тока образец поворачивается и
располагается поперек поля. При выключении тока он
возвращается в исходное положение. Магнитная проницаемость графита
почти так же сильно отличается от единицы, как и у висмута,
который обычно рекомендуют для этого опыта, и поворот
образца происходит достаточно энергично.
Алюминий парамагнитен, поэтому цилиндрик из
алюминия помещают между наконечниками поперек. При включении
тока цилиндрик поворачивается и устанавливается вдоль линий
поля.
1 Графитовый стержень можно отпилить от кусочка графита,
имеющегося в школьной коллекции минералов. Такие коллекции выпускает фабрика
«Природа и школа».
86
Стальной цилиндрик, помещенный поперек магнитного
зазора, при включении тока резко поворачивается и пристает
концом к одному из полюсных наконечников.
Во время опытов не следует слишком долго держать
катушку электромагнита под током, чтобы она не перегревалась.
Подготовленные для опыта образцы (рис. 84) лучше всего
хранить в специальной коробочке с соответствующей надписью,
ОПЫТ Усиление магнитного поля соленоида
*л введением железа
Оборудование: 1) гальванометр демонстрационный от амперметра,
2) магнитный зонд, 3) звуковой генератор, 4) соленоид проволочный на
изолирующих штативах, 5) штатив универсальный, 6) ярмо or универсального
трансформатора, 7) провода соединительные, 8) ящик-подставка.
В этом опыте применяется демонстрационная установка для
исследования магнитного поля соленоида, описанная ранее в
опыте 29. Однако магнитный зонд установлен в ней неподвижно
перед соленоидом (зажат в штативе) и расположен вдоль его
оси, а изолирующие штативы сдвинуты так, чтобы длина
соленоида стала минимальной. Вся установка изображена на
рисунке 86.
-Приступая к опыту, включают звуковой генератор, стрелку
гальванометра приводят к нулю и пропускают через соленоид
Рис. 86. Демонстрация усиления* магнитного поля соленоида введением
железа.
87

постоянный ток около 5 а. Приближая и удаляя зонд,
проверяют его действие. Затем устанавливают зонд на таком
расстоянии, чтобы стрелка гальванометра дала небольшое, но заметное
отклонение.
После этого вводят внутрь соленоида стальное ярмо от
универсального трансформатора. Стрелка гальванометра
сильно отклоняется: маглитное поле вокруг соленоида значительно
усилилось.
Далее показывают, что при удалении ярма магнитное поле
вновь ослабевает, и стрелка возвращается в исходное
положение.
ОПЫТ
32
Точка Кюри
Оборудование: 1) магиит постоянный, 2) шуруп или гвоздь
железный на пихромовой проволоке, 3) штатив универсальный, 4) горелка газовая,
5) осветитель для теневой проекции.
На универсальном штативе закрепляют сильный магнит и на
тонкой нихромовой проволоке подвешивают небольшой
железный шуруп или гвоздь, как показано на рисунке 87. Шуруп
долж"ен притягиваться полюсом магнита и удерживаться на рас-
Рис. 87. Установка
к опыту 32 и ее
теневая проекция.
стоянии 2—3 см от него, а
проволока с подвешенным
шурупом — образовывать угол 30°
с вертикалью.
Затем подставляют газовую
горелку так, чтобы шуруп
попал в наиболее горячую часть
пламени и мог нагреться до
ярко-красного каления. Когда
температура шурупа достигнет
точки Кюри (753° С), он
потеряет свои ферромагнитные
свойства, перестанет
притягиваться и отпадает от магнита:
проволока, на которой он
подвешен, займет вертикальное
положение.
Если магнит достаточно
силен, а проволочный подвес не
слишком тяжел и отклонен на
небольшой угол, то шуруп,
отпадая, успевает слегка остыть
И, как маятник, вновь возвра- рИс. 88. Другая установка
щается и притягивается к маг- к опыту 32.
ниту. Таким образом, опыт
сам собой периодически повторяется. В дальнейшем будет
полезно напомнить его учащимся как один из примеров
релаксационных колебании.
Обычно шуруп или гвоздь плохо виден учащимся. Поэтому
приходится прибегать к теневой проекции. Приборы надо
размещать так, чтобы вся установка в целом была учащимся
видна непосредственно, а мелкие детали в увеличенном виде
проецировались на экран.
Длина шурупа или гвоздя, подобранного для опыта, не
должна превышать 10—12 мм, иначе трудно будет добиться
одновременного сильного накаливания его по всей длине.
Проволоку для подвешивания надо брать не более 0,5 мм
толщиной и лучше нихромовую (от нагревательной спирали), так
как стальная или медная проволока быстро перегорает в
пламени газовой горелки (при отсутствии газа можно
воспользоваться паяльной лампой).
Для успешного проведения опыта нужен сильный постоян--
ный магнит из специального сплава. Если такого магнита нет,
его можно заменить электромагнитом.
Можно воспользоваться и обычным дугообразным
магнитом, но в этом случае постановка опыта будет иной '. В проме-
' См: Г. Шпрокхоф. Эксперимент по курсу элементарной физики,
ч. 5. №, «Просвещение», 1967, стр. 116.
69

жуток между полюсами такого магнита вводят железный
гвоздь. Он тотчас будет притянут одним из полюсов и
расположится вдоль линий магнитного поля (рис. 88). Если после
этого ^нагреть гвоздь в пламени газовой горелки, то яри
надлежащей степени нагрева гвоздь опустится. Однако, как только
пламя будет удалено, гвоздь снова поднимется и примет
прежнее положение. Для улучшения видимости и в этом случае
следует воспользоваться методом теневой проекции.
ОПЫТ
33
Доменная структура ферромагнетиков
Оборудование: 1) модель строения ферромагнетика, 2) магнит
постоянный прямой, 3) проекционный аппарат.
Для объяснения доменной структуры ферромагнетика
пользуются небольшим самодельным прибором (рис. 89). Он
состоит из рамки с дном из органического стекла и установленными
на нем двадцатью остриями. Острия расположены в четыре
ряда на расстоянии примерно 15 мм друг от друга. На каждое
острие насажен стальной намагниченный цилиндрик с одним
закругленным торцом. Сверху рамка закрыта стеклом
предохраняющим цилиндрики от соскакивания с острия.
С помощью приспособления для горизонтальной диапроек-
ции прибор проецируют на экран и обращают внимание
учащихся на случайную самопроизвольную ориентацию магнитиков
в приборе. Наблюдаемая картина аналогична воображаемой
картине расположения частиц в ферромагнетике.
На рисунке 90, а показан один из случаев возможного
расположения цилиндриков. На нем можно заметить группы
магнитиков с одинаковой ориентацией. Это вполне соответствует
наличию областей самопроизвольного намагничивания
(доменов.) в ненамагниченном
ферромагнетике.
ПоДводя с двух
противоположных сторон модели
разноименные полюсы прямых
магнитов, заставляют
цилиндрики повернуться
закругленными концами в одну
сторону. В этом случае на экране
получится картина,
изображающая магнитное
насыщение (рнс. 90, б).
Если двигать над
прибором полюс магнита и этим
способом привести магнитики
Рис. 89. Модель строения магнита.
90
Рнс. 90. Проекция модели иа экран: Рис. 91. Способ установки
а —I области самопроизвольного намагничивания; намагниченного цилиндрика.
6 — состояние насыщения»
в быстрое вращение, то они вновь образуют по-разному
ориентированные группы. Подобно этому происходит
размагничивание образца а переменном магнитном поле при ударах, при
нагревании.
При выполнении этой модели главное внимание надо
обратить на изготовление магнитиков. Их нарезают длиной по 12 мм
из стальной проволоки диаметром 5 мм. В середине
заготовленного цилиндрика сверлят глухое отверстие диаметром 2 мм, не
доходя до конца на 1—1,5 мм (рис. 91). Чтобы вершина
отверстия для иглы была более уэкой, полезно сделать небольшую
дополнительную сверловку тонким сверлом (0,5—0,8 мм).
Если изготовленный цилиндрик не уравновешивается в
горизонтальном положении, более тяжелый конец подпиливают
сверху.или снизу (образовавшиеся плоскости на проекции не
будут видны). После этого все цилиндрики закаливают и
намагничивают при помощи электромагнита, собранного из деталей
универсального трансформатора.
ОПЫТ
Скачкообразное намагничивание
Оборудование: 1) катушка с сердечником, 2) магнит дугообраз-
йый, 3) усилитель колебаний низкой частоты, 4) громкоговоритель, 5)
провода соединительные.
Доменная структура ферромагнетика находит себе косвенное
подтверждение в явлении, известном под названием эффекта
Баркгаузена (1919 г.). Это явление состоит в том,'что при
медленном и плавном изменении напряженности
намагничивающего поля магнитная индукция в ферромагнетике изменяется не
плавно, а отдельными беспорядочными скачками.
Чтобы продемонстрировать это явление, небольшую катушку
из тонкой проволоки присоединяют через усилитель к громкого-
91

Рис. 92. Установка для демонстрации скачков намагничивания.
ворителю и внутрь катушки вставляют проволочку из мягкой
стали. На расстоянии 50—80 см от катушки устанавливают
дугообразный магнит и медленно подвигают его к катушке (рис.
92). При этом в громкоговорителе слышен нарастающий шум,
напоминающий шум морского прибоя, и можно различить
отдельные трески, если двигать магнит издалека и достаточно
медленно. Когда магнит достигает катушки, шум становится
сплошным и ослабевает. При удалении магнита вновь возникает
шум, переходящий в громкий шорох с отдельными ударами и
треском.
Звуки, которые слышат учащиеся, создают в их
представлении довольно наглядную картину намагничивания и
размагничивания стального сердечника. В начале опыта медленное
нарастание напряженности в сердечнике вызывает в нем
переворачивание отдельных сравнительно редких доменов. В эти
моменты в катушке происходит скачкообразное увеличение потока
магнитной индукции. В обмотке катушки возникает импульс
индукционного тока, который усиливается и воздействует на
громкоговоритель. В дальнейшем переориентации подвергается
все большее число доменов и отдельные импульсы
индукционного тока сливаются в сплошной шум.
Опыт можно несколько видоизменить, если магнит держать
в том же положении поблизости от катушки и поворачивать его
вокруг оси. В этом случае вектор напряженности магнитного
ноля в катушке поворачивается на 180°, что вызывает перемаг-
ничивание сердечника. При этом
происходит как бы лавинное
переворачивание доменов; оно
сопровождается шумом,
похожим па пересыпание гороха.
Для демонстрации этого
опыта лучше всего изготовить
специальную катушку. Каркас для
Рис. 93. Каркас катушки для нее можно выточить из дерева
демонстрации скачков на- или склеить из картона по
размагничивания, мерам, указанным на рисунке93.
tS
\
5
-. so
*"*
w
5
1 ♦
оэ
-*
С\|
,
92
На каркас надо намотать 10 000—15 000 витков медной эмали-
рованной проволоки диаметром ^0,1 мм.
Сердечником катушки служит полоса шириной 1,5—2. мм,
отрезанная от листа трансформаторной стали. Длина полосы
100 мм. Можно также взять кусок стальной проволоки
диаметром 1 мм, которую надо обязательно предварительно отжечь.
Сердечник в катушке закрепляют деревянным клинышком или'
комочком бумаги.
Специальную катушку можно заменить катушкой от высоко-
омного головного телефона или двумя такими катушками, соеди«
ненными последовательно. Однако из-за малых размеров
главной детали установки наглядность опыта в этом случае будет
значительно хуже.
ОПЫТ Намагничивание и размагничивание
35 стального стержня ударами
Оборудование: 1) гальванометр демонстрационный от вольтметра,
2) электромагнит разборный, 3) стержень от универсального штатива,
4) кияика, 5) провода соединительные.
Стальные постоянные магниты рекомендуется оберегать от
резких ударов, иначе магниты частично размагничиваются.
Наоборот, при намагничивании стали, особенно в слабом магнитном
поле, удары способствуют более сильному намагничиванию.
Для демонстрации этого явления на длинный стержень от
универсального штатива надевают катушку от разборного
электромагнита и присоединяют ее к зажимам демонстрационного
гальванометра. Закрепляют в штативе классную указку в таком
положении, чтобы она показывала направление вектора
напряженности магнитного поля Земли.
Захватив в левую руку стержень вместе с катушкой,
располагают его вдоль силовых линий магнитного поля Земли и
ударяют по концу стержня деревянным молотком-киянкой (рис. 94).
Учащиеся, наблюдающие за гальванометром, замечают при
этом отброс стрелки. При втором ударе стрелка отклоняется
слабее, а при последующих ударах отклонения совсем не
наблюдается.
Отклонение стрелки в этом опыте свидетельствует о
появлении индукционного тока, возникающего в цепи при усилении
магнитного потока в катушке. Очевидно, причиной такого
усиления является намагничивание стержня.
Это легко доказать опытом: надо быстро вынуть из катушки
стержень. При этом гальванометр покажет возникновение
индукционного тока. Вставляя стержень обратно в катушку,
наблюдают возникновение индукционного тока противоположного
направления.
93

Рис. 94.
Намагничивание стержня в
магнитном поле
Земли.
Расположив стержень перпендикулярно силовым линиям
магнитного поля Земли, вновь ударяют по нему киянкой. Стрелка
гальванометра отбрасывается, но в противоположную сторону.
Теперь происходит размагничивание "железа и уменьшение
магнитного потока в катушке.
Повторяют намагничивание стержня ударами, как было
описано выше, переворачивают его на J80° и вновь ударяют. Теперь
наблюдается значительно большее отклонение стрелки
гальванометра. В этом случае удар по стержню вызывает перемаг-
ничивание, которое сопровождается удвоенным изменением
магнитного потока в катушке.
Наилучшие результаты в этом опыте получаются, когда
сопротивления катушки и гальванометра близки по величине.
Демонстрационный гальванометр с сопротивлением 2,5 ома с
катушкой от разборного электромагнита сопротивлением 1,8 ома
дает в этих опытах максимальное отклонение стрелки на одно
деление шкалы. Надо иметь в виду, что сталь, идущая на
изготовление стержней универсального штатива, не всегда
одинакова. Поэтому полезно перед' демонстрацией подобрать из
нескольких стержней такой, с которым получается наибольший
эффект. Полезно стержень предварительно отжечь.
ОПЫТ
Построение петли гистерезиса
Оборудование; 1) амперметр демонстрационный — 2 шт., 2) катушка
на 220 в от универсального трансформатора, 3) реостат на 140 ом, 3,5 а,
4) звуковой генератор, 5) индикатор магнитной индукцнн, 6) штатив
универсальный, 7) стержень из закаленной стали, 8) провода соединительные.
9) ящик-подставка,
94
Этот опыт состоит в исследовании зависимости индукции
магнитного поля, создаваемого при намагничивании и иеремагни-
чивании сердечника, от напряженности поля катушки, в которую
он помещен. В результате такого исследования на доске по
полученным данным должна быть вычерчена петля гистерезиса.
Установка для опыта изображена на рисунке 95. Она состоит
из двух частей. Слева на немагнитной подставке (стеклянная
банка) установлена катушка на 220 в от универсального
трансформатора. В нее вставлен стальной хорошо закаленный
стержень, например большой напильник. Середина стержня
обматывается достаточно большим количествам бумаги, чтобы он
прочно держался в катушке. Зажимы катушки через
демонстрационный амперметр с шунтом и шкалой на 3 а присоединены
к зажимам реостата (приблизительно 140 ом, 3,5 а), который
используется как потенциометр. Его концы присоединяют к
выпрямителю и подают напряжение 75 в. При этом напряжении
ток в катушке достигает 3 а, когда скользящий контакт
потенциометра поставлен у левого края, а через обмотку
потенциометра течет ток около 0,5 а. При перемещении контакта вправо
ток в катушке уменьшается до нуля.
Справа на штативе закреплен индикатор магнитной
индукции. Он помещен над стержнем на расстоянии 8 см и
расположен вдоль его оси. Вход индикатора присоединен к выходу
звукового генератора, а выходные концы индикатора — к
зажимам демонстрационного гальванометра от амперметра,
предназначенным для переменного тока. В гальванометр.вставлена
шкала с оцифровкой от 0 до 10.
Собранную установку необходимо заблаговременно
подготовить к опыту. Для этого корректорами подводят стрелки ам-.
Рис. 95. Установка для изучения магнитного гистерезиса.
95

перметра и гальванометра к нулевому делению. Затем
включают звуковой генератор, настраивают его на частоту 1000—
2000 гц и увеличивают до предела амплитуду колебаний.
Включают в катушку постоянный ток и, передвинув контакт
потенциометра, доводят ток в катушке до 3 а. При этом стрелка
гальванометра отклонится. Если она выйдет за пределы шкалы,
надо индикатор немного поднять.
Поворачивая лимб генератора, добиваются наибольшего
отклонения стрелки гальванометра. Затем опускают индикатор
настолько, чтобы при токе в катушке, равном 3 а, показание
гальванометра было равно 10. На этом подготовку уста-
тановки к проведению опыта заканчивают и выключают ток
в обеих частях установки. Если установку готовят не сразу на
демонстрационном столе, а в подсобном помещении, то
приборы надо размещать на специальном большом лотке. В нужный
момент всю установку можно быстро перенести вдвоем на
демонстрационный стол.
Перед началом демонстрации учащимся необходимо
показать по частям собранную установку и разъяснить цель
предстоящего опыта: выяснение зависимости величины индукции
магнитного поля, создаваемого стальным сердечником катушки,
от напряженности магнитного поля тока в катушке.
Выбор единиц не оказывает здесь никакого влияния на
характер изучаемой зависимости, а показания амперметра и
гальванометра соответственно пропорциональны напряженности //
магнитного пол*я тока в катушке и индукции В поля,
создаваемого сердечником. На этом основании можно принять за
единицы для измерения этих величин напряженность, создаваемую
током в 1 а, и индукцию, вызывающую отклонение стрелки на
0,1 шкалы гальванометра.
Далее проводят на классной доске координатные оси Н и В
и наносят на них деления соответственно шкалам амперметра
и гальванометра (рис. 96).
Включают обе части установки и при напряженности, равной
3 ед., получают магнитную индукцию 10 ед. Полученные
координаты отмечают точкой I.
Затем передвигают контакт потенциометра и уменьшают
напряженность до нуля. При этом по показаниям гальванометра
магнитная индукция (остаточный магнетизм) оказывается
равной, например, 3,4 ед. Соответствующие координаты отмечают
точкой II.
Чтобы уничтожить остаточный магнетизм в сердечнике,
меняют местами соединительные провода на катушке и
увеличивают вектор напряженности в противоположном направлении,
пока стрелка гальванометра не дойдет до нуля. По показаниям
амперметра находят, что для уничтожения остаточного
намагничивания потребовалось иоле с напряженностью 0,5 ед. (точ-
.ка III).
96
Продолжают увеличивать
напряженность и доводят ее
вновь до 3 ед. (в
противоположном направлении, так как
провода в катушке поменяли
местами). Как показывает
гальванометр, индукция в
сердечнике вновь достигла Юед.
(точка IV),
При уменьшении
напряженности до нуля индукция
уменьшается до 3,4 ед.
(точка V), а для доведения ее до
пуля требуется вновь
поменять местами провода на
катушке и создать
напряженность в 0,5 ед. (точка VI)1.
Дальнейшее увеличение
напряженности до 3 ед.
увеличивает индукцию до 10 ед.
(точка I).
Соединив найденные шесть точек, получают замкнутую
кривую, носящую название петли гистерезиса. Из подробного
рассмотрения этой кривой у учащихся создается полное
представление о самом явлении гистерезиса, о магнитном насыщении,
остаточном магнетизме и коэрцитивной силе. Этот анализ
помогает учащимся понять, как по форме петли гистерезиса
можно судить о магнитных свойствах различных ферромагнетиков.
Рис. 96. Петля гистерезиса.
ОПЫТ
37
Петля гистерезиса на экране осциллографа
Оборудование: 1) электроннолучевая трубка демонстрационная,
2) выпрямитель кенотронный, 3) стальные образцы —2 пары, 4) реостат
40—50 ом, 5) провода соединительные.
Петля гистерезиса может быть получена автоматически на
экране электронного осциллографа. Известны два способа: один
состоит в применении магнитных, а другой — электрических
смещающих полей. Для демонстрации петли гистерезиса наиболее
простым и понятным для учащихся является первый способ.
Поэтому целесообразно вместо обычного технического или
школьного осциллографа воспользоваться демонстрационной
алектроннолучевоп трубкой (см. гл. 3, § I, стр. 116) с
установленными на ней четырьмя катушками (рис. 97).
1 Важно вовремя остановить контакт потенциометра, так как при
дальнейшем его движении стрелка гальванометра вновь пойдет вправо.
7 Заказ № 6047
97

Рис. 97. Электроннолучевая трубка с магнитным смещением
электронного пучка.
Катушки можно взять готовые из набора для фронтальных
лабораторных работ. Они не требуют перемотки, но к
основанию каждой катушки надо приклепать (используя уже
имеющиеся на основании каркаса два отверстия) скобу с вилкой,
изготовленную из латуни или алюминия (рис. 98.) Чтобы при
установке на трубке зажимы катушек оказались снаружи, надо
их вывернуть и поставить, как показано на рисунке 98.
Катушки, расположенные друг против друга, соединяют
попарно и присоединяют к источнику тока по схеме,
изображенной на рисунке 99. Обычно начало и конец обмотки отмечены
на основании каркаса буквами Я и /С. В каждой паре соединяют
проводником какие-либо одноименные зажимы. Оставшиеся два
зажима будут служить для присоединения катушек к источнику
тока. Катушки для отклонения электронного пучка по
вертикали присоединяются к источнику тока через реостат на 40—50 ом.
В качестве образцов для испытания
надо приготовить четыре стальных
стержня диаметром 5 мм и длиной около
100 мм. Одну пару надо отжечь, а
другую— закалить.
Перед демонстрацией опыта
электроннолучевую трубку с отклоняющими
катушками включают, как описано в
опыте 51. Когда на экране трубки
появится светящееся пятно, его
перемещают на середину экрана при помощи
магнитной скобы на горловине. Затем
Рис. 98. Катушка к элек- Пятно фокусируют И регулируют его яр-
трониолучевой трубке, кость. После этого уменьшают сопро-
98
S-W6
Рис. 99. Схема соединения катушек,
отклонение пучка под
тивление реостата до нуля и,
отключив одну пару катушек,
подают на другую пару
переменное напряжение 5—10 е.
Напряжение подбирают так,
чтобы получить на экране
достаточно большое отклонение
пучка.
Включая поочередно
сначала одну пару катушек,
затем вторую, учащимся
показывают отклонение пучка по
горизонтали и по вертикали.
Наконец, включают обе пары
катушек и демонстрируют
результат одновременного их действия
углом 45° к координатным осям.
Далее отключают горизонтально отклоняющие катушки, а а
катушки, отклоняющие пучок по вертикали, вставляют пару
закаленных стальных стерженьков. Естественно, что отклоняющее
поле от этого усиливается и вертикальная светящаяся полоска
сильно удлиняется. Увеличивая сопротивление реостата,
светящуюся полоску сокращают до прежней длины и включают
горизонтально отклоняющие катушки. Теперь вместо прямой
полоски, расположенной под углом в 45°, учащиеся наблюдают
довольно широкую петлю гистерезиса, подобную полученной в
предыдущем опыте.
Заменив закаленные стержни такими же по величине
стержнями из хорошо отожженной стали, получают более узкую
петлю.
Петля гистерезиса, получаемая автоматически на экране
трубки описанным способом, отличается лишь тем, что переход
к насыщению на ней не так заметен, как на петле, построенной
на графике.
ОПЫТ
38
Магнитная защита
Оборудование: 1) магниты прямые (пара), 2) магнит
дугообразный, 3) кольца железные — 2 шт., 4) стеклянные пластинки 15x25 см —
2 шт., 5) коробочка-сито с железными опилками, 6) проекционный аппарат,
7) штатив универсальный, 8) гнря с крючком, 9) пластинки из железа н
других материалов.
Чтобы выделить некоторый объем, свободный от магнитного
поля, прибегают к магнитному экранированию. Оно основано
на том, что железо, внесенное в магнитное поле,
намагничивается. В результате сложения намагничивающего поля и поля,
j*
99

образованного
намагниченным железом, можно
получать ограниченные
области пространства,
совершенно свободные ог
магнитного поля.
Для показа магнитной
зашиты полезно провести
следующие два опыта.
1. Сильный
дугообразный магнит закрепляют
вниз полюсами, как
показано на рисунке 100.
Кусок стальной
проволоки диаметром 2 мм
подвязывают на двух нитях
к крючку стоящей па
столе гири и подносят снизу
к полюсам магнита.
Магнит устанавливают на
максимальной высоте,
при которой проволока
надежно удерживается
притяжением магнита,
4 слегка натягивая нить.
Затем в промежуток между проволокой и полюсами магнита
поочередно вносят пластинки из стекла, дерева, алюминия, меди
и показывают, что загораживание магнита этими
пластинками нисколько не ослабляет его действия на проволоку. При
внесении же пластинки из железа проволока немедленно па--
дает.
2. Проекционный аппарат настраивают для горизонтального
проецирования и на оправу конденсора кладут стеклянную
пластинку. На середине пластинки размещают железное кольцо
и два прямых магнита, обратив их к кольцу разноименными
полюсами. Поверх магнитов накладывают вторую стеклянную
пластинку, а па нее — второе кольцо так, чтобы оба кольца
оказались возможно точнее, одно над другим (рис. 101).
Рис. 100. Установка для демонстрации
магнитной защиты.
_£ПЖ_
зон
Рис. 101. Расположение магнитов и колец
для демонстрации магнитной защиты.
100
Получив на экране
отчетливые силуэты магнитов и
кольца, рассеивают ситечком
по верхнему стеклу железные
опилки. Последние образуют
магнитный спектр (рис. 102).
При этом оказывается, что
опилки внутри кольца
расположились беспорядочно,
следовательно, магнитное поле
внутри кольца отсутствует.
Чтобы спектр получился
отчетлиьее, надо слегка
постучать по стеклу каранда- Рис. 102. Внутри кольца маг-
ШОМ. На расположение ОПИ- нитное поле отсутствует.
лок внутри кольца это не
повлияет, так как два кольца, помещенные одно над другим,
дают вполне надежную экранировку.
§ 3. ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТОВ
И ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Из курса физики восьмилетней школы учащиеся знают
различные простейшие применения постоянных магнитов и
электромагнитов. К этому полезно добавить сведения о некоторых
более сложных устройствах, в которых электромагнит действует в
сочетании с постоянным магнитом. Таковы электромагнитная
телефонная трубка, поляризованное электромагнитное реле,
поляризованный звонок и др.
Изучение телефонной трубки предусмотрено программой
средней школы. Однако сведения об этом простом приборе,
которые учащиеся получают в школе, к сожалению, не дают
вполне правильного понимания его действия. Достаточно указать,
что для них обычно так и остается невыясненным назначение
постоянного магнита в телефонной трубке. Не меньший интерес
представляет действие поляризованного звонка, который, как и
телефонная трубка, является принадлежностью телефонного
аппарата. Поляризованные реле, отличающиеся от обычных
нейтральных электромагнитных реле рядом особенностей и прежде
всего высокой чувствительностью, широко применяются в
автоматике. Поляризованные реле типа РП-4 и РП-5 служат важ-
пыми деталями ряда приборов и установок, описанных в опытах
53, 60, 61 и др.
Перечисленные технические приборы не обладают
качествами, которые сделали бы их пригодными для демонстрационных
опытов. Для этого сконструированы специальные действующие
демонстрационные учебные модели, подробно описанные в со-
<л иетствуклцих опытах. "
101

опыт
39
Электромагнитный телефон
Оборудование: 1) демонстрационная модель телефонной трубки,
2) звуковой генератор, 3) генератор из набора по трехфазному току, 4)
провода соединительные.
Применяемая в этом опыте демонстрационная действующая
модель телефонной трубки изображена на рисунке 103. Ее
размеры, расположение и все детали устройства отчетливо видны
всему классу.
Учащимся известно, что в подавляющем большинстве
случаев ток звуковой частоты, питающий телефонную трубку, не
имеет постоянной слагающей и является, таким образом, нг
пульсирующим, а чисто переменным током (рис. 104, /).
Очевидно также, что для воспроизведения звука без искажений
частота колебаний мембраны телефона' должна быть равна
частоте тока в катушках телефона.
Для исследования работы телефона сначала из модели
удаляют дугообразный магнит и
присоединяют ее зажимы к
одной из обмоток генератора
трехфазного тока. Ротором
этого генератора служит
постоянный магнит. Период
вращения ротора равен периоду
возбуждаемого в генераторе
переменного тока. К торцу
вала генератора приклеивают
пластилином бумажную
стрелку, а на другой конец вала
надевают шкив с рукояткой.
Вращают ротор и
одновременно регулируют зазор
мембраны, пока мембрана не
станет достаточно громко
стучать по полюсным
наконечникам. Следя за вращением
стрелки на генераторе и
прислушиваясь к щелчкам
мембраны, учащиеся быстро
приходят к заключению, что
частота колебаний мембраны в
два раза больше частоты
переменного тока, питающего
обмотку телефона (рис. 104,
Рис. 103. Модель телефонной
трубки:
/ — панель: г —кронштейн; 3 —
полюсные наконечники; 4 — катушки; 5 —
магнит; 6 — мембрана; 7 —
регулирующие винты с пружинами; 8 — нрнжим-
иая планка.
102
, Рис. 104. / — графики тока в катушках телефона; // и ///—■
графики колебаний мембраны без постоянного магнита и с
магнитом.
Далее возвращают на свое место магнит и вновь
восстанавливают зазор так, чтобы при вращении ротора генератора
мембрана стучала по полюсным наконечникам. Легко заметить, что
теперь щелчки мембраны следуют в такт с оборотами ротора,
т. е. частота колебаний мембраны равна частоте переменного
тока в обмотке телефона (рис. 104, ///).
Чтобы установить, как влияет наличие или отсутствие
постоянного магнита в телефоне на характер звучания, включают
звуковой генератор на частоту около 250 гц и присоединяют к
нему модель телефонной трубки. Отрегулировав зазор так,
чтобы звук получался наиболее чистым и громким (график
колебания показан на рис. 104, ///), удаляют магнит. При этом
происходит повышение тона на одну октаву, что соответствует
удвоению частоты (рис. 104, //).
Для более подробного разъяснения наблюдаемых явлений
надо рассмотреть кривую намагничивания сердечника,
представленную на рисунке 105.
В отсутствие постоянного магнита при изменении
напряженности магнитного поля тока от Н\ до — Нх индукция
магнитного поля сердечника соответственно изменяется от В\ до — В[ и
мембрана телефона в течение одного периода тока совершает
два полных колебания, притягиваясь к сердечнику при любом
направлении тока и удаляясь, когда ток равен нулю.
При наличии же постоянного магнита в сердечнике
электромагнита создается постоянное магнитное поле с
напряженностью Н0. В результате сложения' вектора Я0 с вектором
напряженности магнитного поля переменного тока, изменяющимся
от Hi до — Hi, вектор результирующего поля изменяется от
Нл до #2, а индукция магнитного поля сердечника соответст-
103

Рис. 105. Кривая намагничивания
сердечника телефонной трубки.
венно изменяется от б3 до fi&
не меняя своего направления.
Теперь сила притяжения
мембраны к сердечнику изменяется
пропорционально величине
индукции и удвоения частоты
колебаний не происходит.
Весьма существенно, что наличие
постоянного магнита
перемещает рабочую точку из
начала координат па середину
прямолинейного участка кривой
намагничивания, вследствие
чего устраняются нелинейные
искажения и увеличивается
амплитуда колебаний ■ (53—
—B0>Bi). Отсюда следует,
что намагниченность
постоянного магнита должна иметь
определенную величину.
Можно показать на опыте, что замена магнита другим очень
сильным магнитом сдвигает рабочую точку к
верхнему изгибу кривой намагничивания и вызывает сильные
искажения.
Полезно обратить внимание, что при установке на место
магнита ясно слышно понижение тона на октаву, однако
заметного увеличения громкости не наблюдается, хотя выше было
показано, что одновременно происходит значительное
увеличение амплитуды колебания мембраны. Это объясняется тем, что
при уменьшении частоты колебаний мембраны уменьшается
мощность излучения.
Уменьшение мощности более или менее полно возмещается
увеличением амплитуды колебаний, вследствие чего изменение
громкости почти незаметно.
Школьный звуковой генератор имеет секционированную
обмотку выходного трансформатора. На соответствующих
зажимах указано сопротивление выхода: 5 ом, 60 ом и 600 ом.
Катушки модели телефонной трубки намотаны проводом 0,5 мм, их
сопротивление 2,5 ома. При включении модели телефона надо
воспользоваться выходными зажимами на 5 ом.
Необходимо учитывать, что демонстрационная модель
телефонной трубки обладает плохими акустическими качествами.
Так, при некоторых частотах заметны резонансные явления.
Поэтому при подготовке опыта надо подобрать заранее
наиболее выгодную для данной трубки частоту и пользоваться ею
при проведении опыта.
104
ОПЫТ
40
Поляризованное реле
Оборудование: 1) демонстрационная модель поляризованного
реле, 2) переключатель двухполюсный, 3) батарея аккумуляторов или КБС,
4) электрическая лампа на подставке с зажимами — 2 шт., 5) штатив
универсальный, 6) провода соединительные, 7) ящик-подставка.
В опыте применяется модель поляризованного реле,
изображенная на рисунке 106. Она имеет достаточно большие размеры,
детали ее размещены в одной плоскости и раскрашены в три
ярких цвета с выделением постоянных магнитов, магнитопро-
всдов и токоведущих частей. Модель позволяет
демонстрировать в действии поляризованное реле трех типов: 1) трехпози-
ционное, в котором якорь может занимать, кроме двух крайних
положений, еще и третье — нейтральное, когда пи один из
контактов реле не замкнут; 2) двухпозиционпое с «преобладанием»,
в котором якорь при отсутствии тока всегда замкнут с одним
из контактов; 3) двухпозиционпое без «преобладания», в
котором при отсутствии в обмотке тока может быть замкнут то
левый, то правый контакт.
Модель смонтирована на вертикальной панели с подставкой.
На панели размещены два постоянных линейных магнита /,
два магнитопровода 2, соединяющие одноименные полюсы
магнитов, якорь 3, электромагнит 4 из двух катушек с
сердечниками и полюсными наконечниками.
В верхней части панели установлены два контактных винта
5 и четыре штепсельных гнезда. Из них 6. и 7 присоединены к
Рис. 106.
Демонстрационная модель
поляризованного реле.
t ч* ■
1 .
Sli
ю
-i
s*+
105

Рис. 107. Схема
поляризованного реле.
контактным винтам, а 5 и 9 — к
якорю. У нижнего края панели
расположены еще два штепсельных гнезда
10 и 11, соединенные с концами
обмоток электромагнита.
На панели против якоря имеется
вертикальная щель 12, в которой
можно перемещать и закреплять
винтом небольшую плоскую пружину.
Конец этой пружины входит в
продольный паз якоря, удерживает его
в среднем положении (на нейтрали) и (в зависимости от
высоты закрепления) противодействует отклонению якоря к
полюсным наконечникам электромагнита. Когда пружина
находится вверху щели, то она выходит из паза и освобождает якорь.
Действие поляризованного реле основано на сложении
магнитных полей постоянных магнитов и электромагнита.
Магнитные потоки, созданные двумя линейными магнитами, проходят
по двум ветвям через сердечники электромагнита, и якорь реле
служит для них общим магнитОпроводом (рис. 107). Под
действием этих потоков якорь реле, будучи расположен на
нейтрали, находится в неустойчивом равновесии. При малейшем
смещении в сторону якорь удаляется от нейтрали и притягивается
к одному из полюсных наконечников. При необходимости
устойчивое положение якоря поддерживается пружиной.
Включение электромагнита усиливает магнитный поток
постоянных магнитов в одной половине сердечника и ослабляет
его в другой. В результате якорь отталкивается от одного
полюсного наконечника и притягивается к другому.
Для демонстрации действия поляризованного реле провода
от исполнительной цепи присоединяются к гнездам 6 и 9 или
7 и 8 (рис. 106), а провода от управляющей цепи — к гнездам
10 я 11.
Рис. 108. Установка для демонстрации действия поляризованного реле.
106
-О «,
ш
Рис. 109. Схема действия реле.
■ батарея аккумуляторов и
Источник тока должен
иметь э. д. с. около 3 в и
давать ток около 0,2 а.
На рисунке 108 показана
установка для демонстрации
действия поляризованного
реле трех указанных выше типов.
В этой установке в двух
исполнительных цепях
включены две разные лампы
(отличающиеся цветом или
яркостью), а в управляющей цепи-
переключатель.
Трехпозиционное реле (рис. 109, а)
демонстрируют, установив якорь в нейтральном положении при помощи
пружины. При этом обе исполнительные цепи оказываются
разомкнутыми. В зависимости от направления тока в управляющей
цепи включается левая или правая исполнительная цепь.
Двухпозиционное реле (рис. 109, б) демонстрируют,
подняв пружину и освободив якорь, который после этого
оказывается в неустойчивом равновесии и отклоняется к одному
из наконечников электромагнита. Тогда одна исполнительная
цепь оказывается замкнутой, а другая — разомкнутой. При
включении в управляющую цепь тока определенного
направления якорь перебрасывается к другому наконечнику и остается
в этом положении, замыкая вторую исполнительную цепь.
Первая же исполнительная цепь при этом будет разомкнута.
Двухпозиционное реле с «преобладанием»
(рис. 109, в) получают, ограничивая движение якоря
промежутком между нейтралью и одним из полюсных наконечников.
Для этого завинчивают один из контактных винтов до тех
пор, пока якорь не перейдет через нейтраль. В таком случае
якорь замыкает одну из исполнительных цепей. При включении
в управляющую цепь тока определенного направления якорь
размыкает одну исполнительную цепь и замыкает другую.
После выключения тока в управляющей цепи якорь возвращается
в исходное положение.
ОПЫТ
41
Поляризованный звонок
Оборудование: 1) демонстрационная модель поляризованного реле,
2) генератор из набора по трехфазному току, 3) провода соединительные.
Модель поляризованного реле, описанная в предыдущем
опыте,- легко превращается в модель электрического звонка,
употребляемого в телефонных аппаратах. Для этого к ней при-
107

Рис. 110. Кронштейн со
звонковыми чашками.
шагается съемный кронштейн с
двумя звонковыми чашками (рис.
110) и боек. Для демонстрации
действия поляризованного звонка
кронштейн насаживают на верхний
край панели прибора, а в верхний
торец якоря ввертывают боек.
Движение якоря ограничивают
контактными винтами так, чтобы боек
почти касался края звонковых
чашек. В управляющую цепь
включают одну фазу школьного
генератора трехфазного тока и медленно вращают ручку (рис. 111).
Боек при этом поочередно ударяет по звонковым чашкам с
частотой, соответствующей скорости вращения ротора.
Действие звонка объясняют следующим образом. Магнитный,
ноток, создаваемый двумя постоянными магнитами, проходит
через якорь и разветвляется по двум стержням сердечника
электромагнита (рис. 112). При включении электромагнита в
его сердечнике происходит сложение двух магнитных потоков.
В результате в одном стержне сердечника магнитное поле
ослабевает или полностью исчезает. В другом же стержне —
усиливается, так как в нем оба магнитных потока направлены в одну
сторону. Именно к этому стержню и притягивается якорь. При
перемене направления тока в обмотках происходит
перераспределение потоков и якорь притягивается к другому стержню.
Рнс. 111. Демонстрация устройства и действия
поляризованного звонка.
108
ОПЫТ Устройство и действие электромагнитного
42 Реле
Оборудование: 1) электромагнит разборный, 2) стальная линейка
длиной 300 мм с зажимом, 3) штатив изолирующий с двумя контактами,
4) штатив универсальный, 5) батарея аккумуляторов, 6) выключатель, 7)
лампы электрические на подставках с зажимами — 2 шт., 8) шнур со
штепсельной вилкой и диумя наконечниками, 9) провода соединительные.
Действующую модели электромагнитного реле
демонстрируют.с помощью установки (рис. 113), собранной из крупных,
хорошо видимых издали деталей. Якорем в этой модели служит
слесарная стальная линейка длиной около 300 мм, которая
обычно имеет на одном конце отверстие. В это отверстие
вставляют и закрепляют гайкой шпильку для зажима.
Линейку-якорь надо установить на расстоянии около 1,5 ел
от полюсов электромагнита, зажатого в муфте штатива.
Рядом устанавливают изолирующий штатив с двумя
проволочными контактами так, чтобы верхний (прямой) контакт касался
Рис. ИЗ. Демонстрация модели электромагнитного
реле.
109

линейки-якоря, а нижний (изогнутый) был от нее на
расстоянии 5—10 мм.
Управляющая цепь составляется из аккумулятора,
электромагнита и выключателя тока, а исполнительная — из двух ламп,
которые через контактную группу реле присоединяются к
осветительной сети.
При замыкании тока в управляющей цепи реле
«срабатывает», т, е. якорь притягивается к сердечнику электромагнита.
Вследствие этого одна лампа гаснет, а другая зажигается.
После сборки установки надо отрегулировать расстояние
линейки-якоря от полюсов электромагнита и расположение
проволочных контактов.
Демонстрацию можно расчленить на отдельные этапы: 1)
реле с одной парой нормально разомкнутых контактов (при
включении управляющего тока лампа в исполнительной цепи
зажигается); 2) реле с одной парой нормально замкнутых
контактов (при включении управляющего тока лампа гаснет); 3) реле
с переключением тока в исполнительной цепи (при
включении управляющего тока одна лампа зажигается, а другая
гаснет).
опыт
Устройство и действие шагового реле
Оборудование: 1) демонстрационная модель шагового реле, 2) па-
лель с десятью лампочками н многожильным соединительным шнуром, 3)
генератор релаксационных колебаний, 4) батарея КБС, 5) батарея
аккумуляторов, 6) шнур со штепсельной вилкой н наконечниками, 7) провода
соединительные.
Если обыкновенное электромагнитное реле является в
сущности электромагнитным выключателем или переключателем
тока, то шаговое реле — это электромагнитный переключатель,
включающий в электрическую цепь поочередно более или менее
многочисленный набор приемников тока. Шаговые реле широко
применяются в различных системах автоматики, например в
автоматических телефонных станциях в качестве шаговых
искателей.
Демонстрационное шаговое реле, применяемое в этом опыте,
представляет собой упрощенную модель, сконструированную
так, чтобы обеспечить наилучшую видимость всех ее составных
частей. Это достигнуто выбранными размерами, размещением
и расцветкой деталей.
Устройство модели шагового реле показано на рисунке 114.
Она имеет десять контактных пластин / и двухлучевую щетку:?.
Щетка и контактные пластины соединены со штепсельными
гнездами 3, расположенными внизу панели. Два гнезда 4
справа соединены с обмоткой электромагнита 5. Гнездо 5 исполь-
110
Рис. 114. Модель
шагового реле.
зуется при питании управляющей и исполнительной цепей от
общего источника тока. В данном опыте, в котором будут
применяться раздельные источники, гнездо 6 соединяется с
соседним гнездом перемычкой 7.
Якорь электромагнита выполнен в виде рычага. На левом
конце его установлена собачка 8, сцепляющаяся с храповиком 9
и поворачивающая его на один зубец при каждом срабатывании
электромагнита. На рычаге установлен также опорный винт 10,
ограничивающий движение храповика. Замкнув поочередно
десять контактов, щетки, соединенные с храповиком, занимают
одиннадцатое горизонтальное положение и
разрывают цепь.
В качестве поочередно включаемых
приемников тока проще всего
воспользоваться щитком с десятью маловольтнымн
лампами и батарейкой (рис, 115), для
крепления которой на обратной стороне щитка
имеются специальные зажимы. Щиток
присоединяют к шаговому реле при
помощи одиннадцатижильного шнура и
контактной колодки.
Демонстрацию действия шагового реле
целесообразно провести на установке с
автоматическим переключением цепи (рис. Рнс ц5. Схема
116). Для этого в управляющую цепь вклю- щитка.
ill

Рис. 116. Демонстрация действия шагового реле.
чен релаксационный генератор импульсов, периодически с
заданной частотой посылающий импульсы тока в обмотку
электромагнита шагового реле. В данном опыте этот автомат не
является предметом изучения и выполняет служебную роль; его
устройство и принцип действия описаны в гл. III, § 1, стр. 119.
При включении соединительного шнура в осветительную сеть
генератор импульсов периодически замыкает управляющую
цепь шагового реле, которое поочередно зажигает лампочки.
Подобное устройство может применяться в световых рекламах
и служит примером автоматического управления по
простейшей программе, когда ряд объектов автоматически приводится
в действие в неизменной последовательности и через строго
равные промежутки времени.
ГЛАВА III
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
§ 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ВАКУУМЕ
В этой главе среди других демонстрационных
приборов описаны: универсальное электронное реле,
электроннолучевая трубка и генератор релаксационных колебаний.
Указанные приборы пока не выпускаются промышленностью и
поэтому нуждаются в дополнительном описании с целью помочь
учителю монтировать их в школьных условиях. Первый прибор
позволяет раскрыть некоторые применения электронной лампы,
а второй и третий — постепенно подвести учащихся к
пониманию устройства и действия важного в науке и технике прибора—
электронного осциллографа.
Универсальное электронное реле предназначается для
демонстраций устройства и действия однолампового усилителя
низкой (звуковой) частоты, электронного реле времени,
фотореле с вакуумным или газонаполненным фотоэлементом. Кроме
того, вместе с небольшой приставкой, обеспечивающей
равномерное движение, реле позволяет демонстрировать
воспроизведение звука с киноленты и программное управление с
оптической записью.
Универсальное электронное реле (рис. 117) представляет
собой панель / размером 260X230 мм, устанавливаемую
вертикально на устойчивой треноге. На панели размещаются:
электронная лампа 2 (радиолампа 6Н9С, включенная как один
триод); электромагнитное реле 3 типа РКН, у которого
оставлены только две пары контактных пластин: одна пара замкнута,
а другая — разомкнута; переменный резистор 4 (10 Мом),
включенный в цепь сетки триода; переходный конденсатор 5
для демонстрации лампы как усилителя низкой частоты;
резистор и электролитический конденсатор 6, обеспечивающие
отрицательное смещение на сетке триода; постоянный резистор
7 (50 ком), ограничивающий ток при питании фотоэлемента
и зарядке конденсатора.
Все соединения на панели выполнены толстым проводом,
окрашенным в яркий цвет; выводы оканчиваются винтовыми
зажимами с гнездами.
8 Заказ № 6047
113

Рис. 117. Универсальное электронное реле: слева лицевая
сторона и съемные детали; справа — обратная сторона
прибора.
Три провода от контактных пластин электромагнитного
реле и провод с переходным конденсатором смонтированы в
углублении и могут закрываться переставной шторкой 5. Шторка дает
возможность в зависимости от выбранного опыта оставить для
обозрения или три1 вывода от реле (нижний и средний
—нормально разомкнутые, а верхний и средний — нормально
замкнутые), или вывод с переходным конденсатором.
Электронная лампа помещена в центре схематического
изображения триода. Изображение выполнено достаточно крупно
такой же краской, какой покрыты монтажные провода. Это
позволяет наглядно проследить отдельные цепи собираемых
установок.
Основные зажимы иа панели пронумерованны: 1—1 —общий
минус; 1—2 —накал (6,3 в); 3 —анод (+250 в); 4 —сетка;
5 — подача напряжения на фотоэлемент и для зарядки
конденсатора.
В комплект прибора входят также съемные детали:
бумажный конденсатор 9 (0,5 мкф) на небольшой панельке с
пластинчатыми выводами; фотоэлемент 10 типа ЦГ-3 также на
панельке для установки под соответствующие винтовые зажимы на
лицевой стороне панели; приставка // для воспроизведения
звука с кинопленки и демонстрации программного управления.
Электромагнитное реле 3 укреплено на обратной стороне-
панели так, что на лицевую сторону в прорезь выходит только
114
катушка, чтобы не отвлекать
внимания учащихся лишними
деталями, когда демонстрируются
усилитель низкой частоты и
воспроизведение звука с
кинопленки.
Переменный резистор имеет
съемную крышку и яркую
окраску деталей. Это позволяет
видеть во время опытов изменение
положения подвижного
контакта. Ручка переменного резистора
выведена на обратную сторону
панели, где для удобства
подбора сопротивления нанесена
вспомогательная шкала.
Несколько выше ручки
переменного резистора имеется
небольшая обойма с зажимным
винтом. В ней закрепляется
приставка для воспроизведения
звука с кинопленки.
Общий вид прибора с
установленной приставкой и
кинопленкой показан на
рисунке 118, а приставка —
отдельно на рисунке 119.
На металлическом
стержне / укреплена
неподвижная ось 2 с отверстием
для провода. На этой оси
насажен легко
вращающийся диск 3. Диск
приводится в равномерное
вращение небольшим
электродвигателем 4
(микродвигателем), укрепленным при
помощи втулки на конце
опорного стержня.
Равномерность вращения диска
осуществляется
укрепленной на оси
электродвигателя резиновой насадкой.
Резиновая насадка создает
постоянное трение между
валиком и диском.
Постоянный нажим валика на
обод диска обеспечивается
Рис. 118. Общий вид
универсального электронного реле с
приставкой для воспроизведения звука с
кинопленки.
Рнс. 119. Приставка для
воспроизведения звука с кинопленки: вверху —
лицевая сторона приставки; внизу —
оборотная.
8*
115

пружиной 5 с зажимным винтом 6, которым можно
регулировать скорость вращения диска.
С лицевой стороны диска сделан кольцевой (непрозрачный)
бортик 7 шириной 13 ми. На него надевается короткая кино-
кольцовка так, что край кинопленки с фонограммой выступает
за бортик на ширину звуковой дорожки. Кинокольцовка
натягивается небольшим металлическим роликом а, который
свободно кладется на кинопленку внутри петли, как показано на
рисунке 118.
Для освещения фонограммы внутри кольцевого бортика на
неподвижной оси диска укреплена маловольтная лампа 8 (3,5 в,
0,28 а) и небольшой хорошо отполированный прозрачный
цилиндрик 9 из органического стекла (цилиндрическая линза).
Расстояние между лампой и линзой подобрано так, что па
фонограмму фокусируется свет в виде тонкого яркого штриха;
после этого свет попадает на фотоэлемент.
Лампа и электродвигатель соединены параллельно и
питаются от одного источника постоянного тока (батарея
аккумуляторов или гальванических элементов на 3,5—4 в). Источник
тока подключается к двум зажимам 10, расположенным на
опорном стержне.
Для хранения приставка закрывается крышкой, в которой
предварительно помещается натяжной ролик и кинокольцовка
(рис. 120).
Следует заметить, что во всех установках универсальное
электронное реле питается током от выпрямителя ВУП.
Электроннолучевая трубка. Из электроннолучевых
трубок, выпускаемых промышленностью, наиболее удобной для
учебных целей оказалась осциллографическая трубка
типа Л0709А. Она монтируется на подставке, как показано на
рисунке 121, и в таком виде позволяет провести основные
демонстрационные опыты.
Трубка имеет прозрачный стеклянный баллон /, экран 2
достаточно крупного размера. Через стеклянный баллон
хорошо видны две пары отклоняющих пластин 3, а также электрон-
нооптпческая система (электронный прожектор) 4. Выводы от
Рис. 120. Приставка в разобранном виде: слева — диск
с лампочкой и линзой; справа — крышка с кинопленкой
и роликом.
116
Рис. 121. Электроннолучевая трубка на подставке.
отклоняющих пластин сделаны прямо на баллоне трубки. Это
также улучшает наглядность при объяснении устройства
прибора.
От электродов электронного прожектора сделаны выводы к
пяти штырькам, установленным на цоколе трубки. На
рисунке 122 схематически показано расположение штырьков и
соединенных с ними деталей трубки.
Для проведения опытов трубка устанавливается на простой
подставке (рис. 121), где выполнен весь необходимый монтаж,
связанный с подводкой нужных напряжений. При этом трубку
можно свободно вынимать из подставки, объясняя устройство
прибора.
Рис. 122. Цоколевка электроннолучевой трубки типа
Л0709А: слева — вид на цоколь снизу; справа —
соединения в цоколе:
/ — управляющий влектрод (модулятор):
г—подогреватель и катод; 3 — подогреватель; 4 — первый анод: 5 и
7 — свободные штырьки; 6— второй анод: Д|—Д« —
отклоняющие пластины.
[I/

Подставка состоит из основания 5 размером 340x130 мм и
двух вертикальных стоек 6 и 7, скрепленных по бокам двумя
небольшими панельками 8. Вертикальная стойка 6 имеет
отверстие диаметром 100 мм с четырьмя вырезами прямоугольной
формы. В эти вырезы свободно входят цилиндрические
колпачки, соединенные с отклоняющими пластинами. В вырезах
помещаются пружинящие лепестки-контакты из тонкой латуни,
соединенные с четырьмя винтовыми зажимами 9,
расположенными на передней стороне стойки против соответствующих
выводов отклоняющих пластин. Такое устройство удобно для
подведения напряжений к отклоняющим пластинам.
Кроме того, под эти же зажимы укрепляются выводы отклоняющих
катушек.
На вертикальной стойке 7 расположены пять гнезд 10 для
включения штырьков цоколя трубки, два винтовых зажима 11
для подключения накала (6,3 в) и дополнительный постоянный
(гасящий) резистор 12, включенный в цепь накала (для
питания трубки требуется 2,5 в).
Из многочисленных схем включения электроннолучевых
трубок применяется наиболее простая схема (рис. 123).
Трубка питается от кенотронного выпрямителя ВК-3 или
полупроводникового ВУП, обеспечивающих получение 6,3 в
переменного тока для накала и более 400 в постоянного
напряжения для электронного прожектора. Этого вполне достаточно
для получения яркого светящегося пятна на экране трубки.
Выпрямленные напряжения необходимой величины подаются
с общего делителя, состоящего из двух переменных резисторов,
смонтированных на боковой панели 5 (рис. 121).
На управляющий электрод подается регулируемый
потенциал в 20—50 е, отрица-
я-го
:=>
I R-10* R-1P
* +
Рис. 123. Схема включения
электроннолучевой трубки.
тельный по отношению
к катоду. Регулировкой
этого потенциала
достигается изменение
яркости свечения экрана.
Соответствующая ручка
переменного резистора
имеет надпись «яркость».
На первом аноде
должно быть около 300 в
регулируемого
положительного потенциала.
Изменяя его, можно
фокусировать электронный
пучок (ручка
переменного резистора имеет
надпись «фокус»). На
второй анод (ускоряю-
118
щий) подается все
напряжение, снимаемое с делителя
(400 в и более).
Постоянное напряжение от
кенотронного выпрямителя
подключается к двум
винтовым зажимам на боковой
панели, обозначенным знаками
+ и- -.
Для нормальной работы
трубки потенциал второго
анода и постоянный потенциал
отклоняющих пластин
должны .быть одинаковыми, чтобы
не было электрического поля,
ухудшающего фокусировку.
Поэтому каждая из
четырех пластин соединяется со
вторым анодом через резисто-,
ры 13 (рис. 121),
расположенные около винтовых зажимов
на вертикальной стойке 6.
Эти резисторы служат для
стекания зарядов
(сопротивления утечки), образующихся
на пластинах вследствие
попадания на них рассеянных
электронов и ионов
(накопление зарядов изменяет
отклонение луча). Резисторы
берутся большие (2Мол),чтобы
не создавать заметной нагрузки на источники, от которых
подается отклоняющее напряжение.
Для смещения светящегося пятна в центр экрана служит
небольшое проволочное стальное намагниченное кольцо 14,
помещенное на горловину трубки при выходе электронного пучка
из электронного прожектора. Кольцо надевается на трубку; в
случае необходимости его можно поворачивать вокруг оси
трубки, а также смещать вдоль ее горловины.
Генератор релаксационных электрических
колебаний. Общий вид прибора представлен на рисунке 124,
где на схеме указаны данные, характеризующие отдельные
детали. Генератор является самостоятельным учебным пособием,
а также применяется в качестве источника пилообразного
напряжения для получения временной развертки, когда на
электроннолучевой трубке демонстрируются кривые переменного тока.
Для удобства соединения с приборами панель, на которой
выполнен весь монтаж прибора, можно закреплять на подстап-
Рис. 124. Схема и лицевая сторона
генератора релаксационных
колебаний.
119

Подставка состоит из основания 5 размером 340X130 мм и
двух вертикальных стоек 6 и 7, скрепленных по бокам двумя
небольшими панельками 8. Вертикальная стойка 6 имеет
отверстие диаметром 100 мм с четырьмя вырезами прямоугольной
формы. В эти вырезы свободно входят цилиндрические
колпачки, соединенные с отклоняющими пластинами. В вырезах
помещаются пружинящие лепестки-контакты из тонкой латуни,
соединенные с четырьмя винтовыми зажимами 9,
расположенными на передней стороне стойки против соответствующих
выводов отклоняющих пластин. Такое устройство удобно для
подведения напряжений к отклоняющим пластинам.
Кроме того, под эти же зажимы укрепляются выводы отклоняющих
катушек.
На вертикальной стойке 7 расположены пять гнезд 10 для
включения штырьков цоколя трубки, два винтовых зажима //
для подключения накала (6,3 в) и дополнительный постоянный
(гасящий) резистор 12, включенный в цепь накала (для
питания трубки требуется 2,5 в).
Из многочисленных схем включения электроннолучевых
трубок применяется наиболее простая схема (рис. 123).
Трубка питается от кенотронного выпрямителя ВК-3 или
полупроводникового ВУП, обеспечивающих получение 6,3 в
переменного тока для накала и более 400 в постоянного
напряжения для электронного прожектора. Этого вполне достаточно
для получения яркого светящегося пятна на экране трубки.
Выпрямленные напряжения необходимой величины подаются
с общего делителя, состоящего из двух переменных резисторов,
смонтированных на боковой панели 8 (рис. 121).
На управляющий электрод подается регулируемый
потенциал в 20—50 в, отрица-
R-Z0
I я-ю и я
:=&
a -f-
Рис. 123.
Схема включения
чевой трубки.
электрониолу-
тельныи по отношению
к катоду. Регулировкой
этого потенциала
достигается изменение
яркости свечения экрана.
Соответствующая ручка
переменного резистора
имеет надпись «яркость».
На первом аноде
должно быть около 300 в
регулируемого
положительного потенциала.
Изменяя его, можно
фокусировать электронный
пучок (ручка
переменного резистора имеет
надпись «фокус»). На
второй анод (ускоряю-
118"
щий) подается все
напряжение, снимаемое с делителя
(400 в и более).
Постоянное напряжение от
кенотронного выпрямителя
подключается к двум
винтовым зажимам на боковой
панели, обозначенным знаками
+ и- -.
Для нормальной работы
трубки потенциал второго
анода и постоянный потенциал
отклоняющих пластин
должны .быть одинаковыми, чтобы
не было электрического поля,
ухудшающего фокусировку.
Поэтому каждая из
четырех пластин соединяется со
вторым анодом через резисто-.
ры 13 (рис. 121),
расположенные около винтовых зажимов
на вертикальной стойке 6.
Эти резисторы служат для
стекания зарядов
(сопротивления утечки), образующихся
на пластинах вследствие
попадания на них рассеянных
электронов и ионов
(накопление зарядов изменяет
отклонение луча). Резисторы
берутся большие (2Мом), чтобы
не создавать заметной нагрузки на источники, от которых
подается отклоняющее напряжение.
Для смещения светящегося пятна в центр экрана служит
небольшое проволочное стальное намагниченное кольцо 14,
помещенное на горловину трубки при выходе электронного пучка
из электронного прожектора. Кольцо надевается на трубку; в
случае необходимости его можно поворачивать вокруг оси
трубки, а также смещать вдоль ее горловины.
Генератор релаксационных электрических
колебаний. Общий вид прибора представлен на рисунке 124,
где на схеме указаны данные, характеризующие отдельные
детали. Генератор является самостоятельным учебным пособием,
а также применяется в качестве источника пилообразного
напряжения для получения временной развертки, когда на
электроннолучевой трубке демонстрируются кривые переменного тока.
Для удобства соединения с приборами панель, на которой
выполнен весь монтаж прибора, можно закреплять на под став-
Рис. 124. Схема и лицевая сторона
генератора релаксационных
колебаний.
119

ке в различных положениях. С этой целью подставка имеет два
пружинящих зажима 1, и 2, в которые панель достаточно прочно
устанавливается.
Действие генератора состоит в следующем. Переменный ток
от осветительной сети напряжением 127 или 220 в,
выпрямленный селеновым или купроксным столбиком ВС (можно
применять и постоянный ток, соблюдая полярность), через
резисторы fl, и R2 заряжает конденсатор С. Когда напряжение на
зажимах конденсатора достигнет порога зажигания неоповой
лампы, она вспыхивает и конденсатор разряжается через лампу
и обмотку поляризованного реле.
При разрядке конденсатора напряжение на нем быстро
падает и неоновая лампочка гаснет. Этот процесс повторяется
автоматически через равные промежутки времени, величина
которых может изменяться поворотом ручки переменного
резистора.
О П Ы Т
Явление термоэлектронной эмиссии
44
Оборудование: 1) электронная лампа-диод демонстрационная,
2) батарея аккумуляторов, 3) реостат на 10 ом, 2 а, 4) электрометр, 5)
проводник иа изолирующей ручке, 6) проекциошшй аппарат, 7) палочки
эбонитовая и из органического стекла с куском меха, 8) выключатель
демонстрационный, 9) провода соединительные.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии, а также для
объяснения принципа устройства и действия двухэлектродпои
электронной лампы применяется демонстрационный вакуумный
диод (рис. 125). В стеклянном баллоне / цилиндрической
формы диаметром 45 мм и высотой 90 мм находятся два
электрода— катод 2 и анод 3. В баллоне создан высокий вакуум
порядка Ю-6 мм рт. ст.
Катод 2 (прямого накала, как наиболее наглядный)
представляет собой тонкую вольфрамовую проволоку (пить накала)
в виде слегка растянутой спирали. Нить накала приварена к
двум стойкам — опорам 4, которые имеют выводы наружу. Эти
выводы присоединены к двум винтовым зажимам 5,
расположенным на небольшом изолирующем цоколе 6. Зажимы служат для
подключения катода к источнику электропитания (батареи
аккумуляторов или выводам трансформатора), дающему ток
до 1,5—2 а при напряжении 6,3 е. Оба зажима расположены
па цоколе в плоскости нити накала и выводных проводов. Это
позволяет более наглядно проследить подводку тока к катоду.
Анод 3 выполнен в виде плоского диска диаметром 30 мм
из никеля или какого-нибудь тугоплавкого материала
(молибден, тантал). Анод расположен над катодом на расстоянии при-
120
мерно 10 мм, и это позволяет отчетливо
показать наличие двух электродов,
разделенных вакуумным промежутком.
Вывод от анода заканчивается сверху
баллона винтовым зажимом 7 для
включения прибора в электрическую цепь.
Для удобства проведения опытов и
хранения демонстрационный диод
снабжается небольшим опорным
стержнем диаметром 10 м и длиной 50 мм.
Стержень вставляют в пластмассовую
стойку.
Для большей наглядности
демонстрацию устройства двухэлектродной
лампы можно сопровождать
проецированием диода на экран. Прибор па стержне
устанавливают в рейтере проекционного
аппарата перед конденсором и при
помощи объектива и оборотной призмы
получают на экране отчетливое
прямое изображение (рис. 126). Это
изображение, кроме ознакомления
учащихся с устройством диода,
позволяет легко перейти к введению
условного изображения диода на схемах,
которое тут же вычерчивается на классной доске (рис. 127, а).
В электронных лампах наряду с катодом прямого накала
широкое применение находит и катод косвенного накала или
Рис. 125.
Демонстрационный диод на
подставке.
.*—•*.' '.* ,■
«iij)»
Рис. 126. Установка диода в проекционном аппарате;
вверху изображение диода на экране.
121

'...■".i.i.i... i.ii'wi.
Рис. 127. Условные
изображения электронного
диода:
а — прямого накала, б —с
подогревным катодом.
Рис. 128. Подогревный
катод (цилиндрический):
1 — оксидный слой: 2 — никелевая
трубка; 3 — подогреватель (нить
накала): 4 — вывод катода.
подогревный (рис. 128). С устройством такого катода
также полезно ознакомить учащихся. В отличие от катода
прямого накала здесь источником свободных электронов.является
подогретый оксидный слой /, нанесенный на внешнюю
поверхность никелевого цилиндра 2. Для обогревания катода внутри
цилиндра помещается металлическая нить, накаливаемая током,
как у диода прямого накала.
Условное изображение диода с подогревным катодом
(рис. 127, б) также вычерчивается на классной доске.
Начиная опыт, прежде всего показывают накаливание
катода током. Для этого собирают электрическую цепь из диода,
установленного на стойке, источника электропитания —батареи
аккумуляторов, реостата на 10—15 ом и ключа (рис. 129).
Замыкают цепь, и, пользуясь реостатом, доводят катод до ярко-
красного свечения.
Объясняют учащимся-, что с раскаленного катода, как и со
всякого накаленного тела, в окружающее пространство
вылетают электроны, несущие отрицательный заряд. Электроны
имеют различную скорость; некоторые из них достигают анода
Рис.
129. Установка для демонстрации накаливании
катода.
122
Рис. 130. Установка для обнаружения термоэлектронной эмиссии.
и заряжают его отрицательно. Это можно обнаружить на
демонстрационном электрометре с конденсатором в виде двух
дисков. Один из дисков конденсатора устанавливают на стержень
электрометра, а другой, имеющий эбонитовую ручку, кладут
сверху, как показано на рисунке 130. Корпус электрометра п
верхний диск заземляют.
Проводником на изолирующей ручке соединяют на короткое
время анод диода с нижним диском конденсатора и тем самым
сообщают ему некоторый заряд. Затем удаляют верхний диск.
Так как при удалении этого диска емкость прибора во много
раз уменьшается, то потенциал возрастает и стрелка
электрометра заметно отклоняется.
После этого исследуют знак заряда электрометра. Для
этого к электрометру на некотором расстоянии подносят
отрицательно заряженную (эбонитовую) палочку и наблюдают
увеличение отклонения стрелки: электрометр получил отрицательный
заряд. Полезно повторить опыт, увеличив накал катода. В этом
случае увеличиваются показания электрометра, так как он
получает больший заряд.
Далее можно показать, что катод лампы, теряя электроны
вследствие эмиссии, заряжается положительно. Для этого анод
лампы заземляют; батарею аккумуляторов, реостат и
рубильник располагают на изолирующей скамье, а нижний диск
конденсатора на некоторое время соединяют проводником с
накаленным катодом. В этом случае после удаления верхнего диска
электрометр оказывается заряженным положительно.
Явление термоэлектронной эмиссии можно
продемонстрировать и на другом опыте. Зарядив электрометр положительно,
например от наэлектризованной стеклянной палочки, соединяют
его проводником на изолирующей ручке с анодом диода, как
123

Рис. 131. Другая установка для обнаружения термоэлектронной эмиссии.
показано на рисунке 131 (цепь накала пока не замкнута).
Обращают внимание учащихся, что при холодном катоде электро-
метр не разряжается. Затем включают ток в цепь катода
(накал ярко-красный) и наблюдают, что стрелка электрометра
быстро опадает, так как электроны, испускаемые накаленным
катодом, притягиваются положительно заряженным анодом и
централизуют его заряд.
Если же зарядить электрометр отрицательно и соединить
его с анодом, то электрометр не разряжается и при
накаленном катоде. Вылетающие из катода электроны теперь не
притягиваются анодом, -а, наоборот, отталкиваются от него и
возвращаются обратно к катоду. Можно отрицательно заряженный
электрометр соединить с катодом лампы, изолировав
предварительно всю цепь скамьей, как было описано выше, и заземлив
анод. Теперь электрометр будет разряжаться, так как накален-,
ный катод вследствие эмиссии теряет электроны и его
потенциал вместе с потенциалом электрометра изменяется.
О П Ы Т
Односторонняя проводимость диода
45
Оборудование: 1) электронная лампа-диод демонстрационная,
2) гальванометр от амперметра, 3) вольтметр демонстрационный, 4)
выпрямитель ВУП-1, 5) реостат на 10 ом, 2 а, 6) выключатель демонстрационный,
7) провода соединительные, 8) магнит дугообразный, 9) палочки эбонитовая
и стеклянная с куском меха.
Термоэлектронной эмиссией с раскаленного катода,
описанной в предыдущем опыте, обусловливается появление тока и
анодной цепи двухэлектродной электронной лампы. Для
демонстрации этого явления собирают установку по рисунку 132. Для
накала катода пользуются переменным током (зажимы 6,3 в).
I'M
^iiv4^
Рис. 132. Установка для наблюдения электропроводности вакуумного диода.
Это дает возможность подчеркнуть, что эмиссия электронов не
зависит от того, каким способом накаливать катод.
Сначала, не включая цепь накала, подают напряжение в
анодную цепь лампы и обращают внимание учащихся, что
гальванометр не отмечает тока. Высокий вакуум является хорошим
изолятором.
Затем замыкают цепь накала и наблюдают появление тока в
анодной цепи при накаленном катоде. Постепенно увеличивают
накал нити и наблюдают увеличение анодного тока вследствие
увеличения термоэлектронной эмиссии.
После этого переключают полюса источника тока в анодной
цепи, т. е. к аноду присоединяют отрицательный полюс
выпрямителя, а к катоду — положительный.
Обращают внимание учащихся, что теперь при любом накале
нити катода ток в анодной цепи отсутствует. Чтобы удобнее
было наблюдать за изменением полярности в анодной цепи, можно
включить демонстрационный вольтметр, имеющий шкалу с
нулем посередине.
При объяснении односторонней проводимости диода полезно
воспользоваться условными
схемами, начертив их на доске (рис. 133).
В случае соединения анода с
положительным полюсом источника
тока между анодом и катодом
создается электрическое поле, которое
заставляет электроны перемещаться
к аноду (рис. 133, а). В анодной
цепи при этом появляется ток.
Когда же с анодом соединен
отрицательный полюс источника тока и
напряженность поля имеет противополож-
ное направление, электроны не до- объяснению
стигают анода, и ток в анодной цепи односторонней проводимо-
отсутствует (рис. 133, б). Сти диода.
125

Наблюдения анодного тока в двухэлектродной лампе полезно
дополнить демонстрацией отклонения потока электронов в
магнитном и электрическом полях. С этой целью устанавливают
нормальный накал катода лампы и подают на анод такое
напряжение, чтобы гальванометр показывал возможно больший
ток. Затем подносят сбоку к диоду дугообразный магнит и
наблюдают уменьшение тока в цепи, так как часть потока
электронов отклоняется магнитным полем и не попадает теперь на
анод. Такое же явление наблюдается при подйесении
наэлектризованных палочек, как эбонитовой, так и стеклянной.
Хотя в этих опытах нельзя наблюдать направления
смешения потока электронов, все же первоначальное ознакомление с
этим явлением окажется полезным для дальнейшего изучения
свойств электронных пучков.
"■"""'■ Вольт-амперная характеристика диода
46
Оборудование: 1) электронная лампа-диод демонстрационная,
2) гальванометр от амперметра, 3) вольтметр демонстрационный с
дополнительным сопротивлением 33 ком, 4) выпрямитель ВУП-1, 5) реостат на 10 ом
и 2 а, 6) выключатель демонстрационный, 7) провода соединительные.
В предыдущем опыте было установлено изменение анодного
тока при изменении накала катода. Теперь надо
продемонстрировать зависимость между током и напряжением в анодной
цепи и ознакомить учащихся с методом снятия анодной
характеристики.
Перед выполнением опыта вычерчивают на классной доске
схему и собирают установку (рис. 134). У демонстрационного
вольтметра устанавливают шкалу с 15 делениями,
присоединяют к вольтметру дополнительное сопротивление 33 ком; тогда
каждое деление шкалы будет соответствовать 10 в.
Рис. 134. Установка и схема для снятия вольт-амперной характеристики диода.
126
Рис. 135- Вольт-амперные
характеристики диода.
Л
**.0
5 3,5
% 3,0
%?.о
<ч 1,5
41 1П
*3 ''^
0,5
А
\*¥
,0
S
1*£
£
7 —
"™Ч
0 10 20 30 «0 50 60 70 80 90 100 иа>8:
Замыкают цепь и при помощи реостата доводят накал диода
до ярко-красного свечения. При этом ручку потенциометра
ставят в такое положение, чтобы стрелка вольтметра находилась
на нуле.
Затем, не меняя накала катода, увеличивают напряжение в
анодной цепи до 10 s (одно деление шкалы) и по гальванометру
замечают величину анодного тока. Увеличивают анодное
напряжение еще на 10 в (два деления шкалы) и опять отмечают
величину тока. Продолжая опыт, доводят напряжение до 80—
100 s. Все результаты измерений записывают в таблицу,
например:
Ua,e
/а,дсл.
шк.
10
0,8
20
1,5
30
2,1
40
2,5
50
2,6
60
2,7
70
2,7
80
2,7
90
2,8
100
2,8
По полученным данным строят на классной доске график
(рис. 135, а) изменения тока в анодной цепи в зависимости от
изменения напряжения.
Анализируя график, обращают внимание учащихся, что с
увеличением напряжения анодный ток сначала возрастает быстро,
потом медленнее и, наконец, величина его остается без
изменения, хотя напряжение увеличивается. Это так называемое
состояние насыщения, когда все электроны, испускаемые катодом
при дайной температуре, притягиваются анодом. Наибольший
анодный ток, возникающий при этом явлении, называется током
насыщения.
Если эмиссию электронов с катода увеличить, повысив его
температуру, то ток насыщения возрастает. Это также надо
показать учащимся на опыте. Для этого увеличивают накал
катода, что заметно на глаз, и повторяют опыт. Полученные чиело-
127

вые данные наносят на ту же координатную сетку и строят
вторую кривую, которая располагается выше первой (рис. 135, б).
В этом случае ток насыщения получается при более высоком
анодном напряжении.
ОПЫТ Двухэлектродная электронная лампа
47 как выпрямитель
Оборудование: 1) электронная лампа-диод" демонстрационная,
2) гальванометр от амперметра с нулем посередине шкалы, 3) батарея
аккумуляторов, 4) реостат на 10 ом и 2 а, 5) генератор переменного тока из
школьного набора по трехфазному току, 6) трансформатор универсальный с
ьатушками на 120 в и 12 в, 7) сопротивление 3 ком от демонстрационного
вольтметра, 8) провода соединительные, 9) шнур с вилкой и наконечниками.
Напоминают учащимся об односторонней проводимости
диода, показанной в опыте 45, когда анод имел положительный
потенциал (наблюдался анодный ток), а потом — отрицательный
(ток отсутствовал). Затем переходят к демонстрации
применения этого явления ^выпрямлению переменного тока. Сначала
показывают получение переменного тока от генератора из
школьного набора. С этой целью собирают установку по
рисунку 136. Для ограничения тока в цепи последовательно с
гальванометром включается сопротивление от демонстрационного
вольтметра, имеющее обозначение 15 в постоянного тока.
Медленно вращая ротор генератора, наблюдают за стрелкой
гальванометра, которая при изменении направления тока в
цепи отклоняется от нулевого положения то в одну, то в другую
сторону.
Постепенно увеличивают скорость вращения ротора и
наблюдают, что указатель гальванометра не успевает теперь
следовать за изменениями направления тока в цепи и лишь слегка
Рис. 136. Установка для демонстрации переменного
тока.
128
Рис. 137. Выпрямление переменного тока двухэлектродной лампой.
колеблется около нулевого положения. На это явление,
встречающееся в дальнейших опытах с переменным током от сети,
следует обратить особое внимание.
После этого в цепь переменного тока от генератора включают
вместо сопротивления двухэлектродную лампу, предварительно
установив нормальный накал нити (яркое свечение).
Вращают опять ротор генератора и наблюдают, что в этом случае
указатель гальванометра отклоняется лишь в одну сторону,
свидетельствуя о наличии в цепи постоянного тока (рис. 137).
Небольшое дрожание стрелки объясняется пульсацией
выпрямленного тока.
Наконец переходят к демонстрации выпрямления
переменного тока промышленной частоты (50 гц). Для этого переменное
напряжение снимается с 12-вольтной обмотки'универсального
трансформатора и подается через гальванометр к
двухэлектродной лампе. Замкнув рубильником цепь накала, наблюдают
наличие в анодной цепи постоянного тока: стрелка гальванометра
отклоняется в одну сторону.
После этого собирают однополупериодный выпрямитель
(рис. 138, схема вверху). В качестве нагрузочного
сопротивления включают реостат на 5000 ом по потенциометрической схе-
Рис. 138. Демонстрация однополупериодного выпрямителя.
9 Заказ N° 6047 129

ме. Выпрямленное регулируемое напряжение измеряют
демонстрационным вольтметром. Кроме того, можно при помощи
неоновой лампы продемонстрировать переменный ток до
выпрямления (свечение обоих электродов) и выпрямлянный (свечение
лишь у одного электрода —анода).
С целью подготовки к практикуму знакомят учащихся с
устройством кенотронного выпрямителя ВК-3 (или другого типа)
и с основными правилами обращения с ним. Обращают
внимание на меры предосторожности, которые следует соблюдать при
работе с выпрямителем на лабораторных занятиях.
ОПЫТ Трехэлектродная электронная лампа
43 (триод). Действие сетки
Оборудование: 1) электронная лампа-триод
демонстрационная, 2) гальванометр от амперметра с нулем посередине шкалы, 3)
выпрямитель ВУП-1, 4) реостат на 10 ом и 2 а, 5) проекционный аппарат, 6) батарея
аккумуляторов (или 2—3 батареи от карманного фонаря), 7) кондуктор
шаровой металлический на изолирующем штативе, 8) палочки стеклянная и
эбонитовая, 9) выключатель демонстрационный, 10) провода соединительные.
Устройство и принцип действия триода надо показывать на
специальной лампе, приспособленной для демонстрационных
целей (рис. 139). Такой демонстрационный триод выполнен, как
и диод, в виде стеклянного прозрачного
баллона / с небольшим цоколем 2 и
стержнем 3 для установки прибора на
подставке 4 или в рейтере проекционного
аппарата. Воздух из баллона выкачан до
высокого вакуума (разрежение 10~6 ммрт. ст.).
Катод 5 прямого накала, как и у
диода, выполнен в виде тонкой вольфрамовой
слегка растянутой спирали, рассчитанной
на ток 1,5 а при напряжении 6,3 в.
Спираль укреплена на двух стойках-вводах,
которые заканчиваются на цоколе
винтовыми зажимами 6.
Анод представляет собой диск
диаметром 35 мм, вырезанный из тонкой
пластинки никеля. Диск укреплен на
металлической ножке, выведенной наружу сверху
баллона и оканчивающейся зажимом 7.
Между катодом и анодом помещается
третий электрод — сетка 8,
представляющий собой проволочное кольцо-рамку
диаметром 45 мм, на которой прочно
укреплены тонкие (0,1 мм) никелевые или
молибденовые проволочки, отстоящие друг от
Рис. 139.
Демонстрационный триод на
подставке и его
условное изображение
на схемах.
130
друга на расстоянии 1,5—2 мм. Вывод
от сетки заканчивается на боковой
поверхности баллона винтовым
зажимом 9'.
После ознакомления учащихся с
общим видом триода полезно
спроецировать его на экран. С этой целью
устанавливают прибор в рейтер
проекционного аппарата перед конденсором (см.
установку с диодом на рисунке 126) и
получают на экране отчетливое
изображение катода (нити Накала), анода и Рис. 140. Изображение
сетки (рис. 140). При этом, чтобы луч- триода на экране,
ше показать сетку, немного ослабляют
винт крепления рейтера на скамье проекционного аппарата и
слегка наклоняют триод. На экране хорошо видны отдельные
проволочки сетки. Обращают внимание учащихся, что сетка
располагается ближе к катоду, чем к аноду. На классной
доске вычерчивают условное изображение триода на схемах
(рис. 139, вверху).
Для демонстрации действия сетки собирают установку по
рисунку 141. Сетку триода соединяют длинным проводом (1,5—
2 м) с металлическим шаровым кондуктором, закрепленным на
изолирующем штативе2.
Установив нормальный накал катода, подбирают такое
анодное напряжение (40—50 в), чтобы гальванометр показывал
заметный ток в анодной цепи (2—3 деления шкалы).
. После этого подносят к шару наэлектризованную
эбонитовую палочку (отрицательный заряд). Вследствие электростати-
Рис. 141. Установка для демонстрации действия сеткн триода.
1 У триода, выпускаемого предприятиями Главучтехпрома, этот зажим
перенесен на цоколь.
2 Вместо шара можно взять диск от разборного конденсатора.
о* ' 131

ческой индукции шар заряжается положительно, а равный ему
отрицательный заряд переходит на сетку лампы. Отрицательно
заряженная сетка отталкивает электроны, вылетающие с
катода, и препятствует их движению к аноду. Благодаря этому
тока в анодной цепи не будет (лампа «заперта»).
Убирают палочку, и гальванометр оПять показывает
прежнюю величину анодного тока. Приближая и удаляя
наэлектризованную палочку, наблюдают, что стрелка гальванометра
отклоняется в такт с движениями руки, указывая на возможность
управления током в анодной цепи.
Полезно повторить этот опыт, пользуясь положительно
заряженной стеклянной палочкой. Для этого устанавливают
сначала такое анодное напряжение, чтобы ток в лампе был мал и
стрелка гальванометра стояла почти на нуле шкалы.
Осторожно подносят к шару заряженную палочку — гальванометр
отмечает увеличение анодного тока. Удаляют палочку — ток
прекращается.
Таким образом, изменения потенциала сетки приводят к
изменению анодного тока в лампе, т. е. наблюдается управляющее
действие сетки.
Управляющее действие сетки в триоде полезно
продемонстрировать и путем изменения напряжения в цепи сетка-катод
при помощи батареи аккумуляторов З-НКН-10 (или батареи
элементов КБС-0,5).
Опыт проводят в такой последовательности.
В предыдущей установке шарообразный кондуктор убирают.
К катоду присоединяют положительный полюс батареи
аккумуляторов. Устанавливают нормальный накал катода и подбираю!
такое анодное напряжение, чтобы гальванометр отмечал
наличие тока в анодной цепи (2—3 деления шкалы). Подключают
к сетке отрицательный полюс сначала от одного аккумулятора
и наблюдают уменьшение анодного тока. Затем увеличивают
отрицательный потенциал сетки, включая второй, а потом
третий аккумулятор, и наблюдают дальнейшее уменьшение
анодного тока.
После этого к катоду присоединяют отрицательный полюс
батареи аккумуляторов, а к сетке подключают положительный
полюс батареи аккумуляторов, как и раньше, сначала от одного
аккумулятора, затем от двух и трех, и всякий раз отмечают
увеличение анодного тока. Следует заметить/что для второго
опыта целесообразнее предварительно установить накал катода и
анодное напряжение так, чтобы гальванометр показывал
небольшой ток (1—2 деления шкалы).
Для более быстрой смены полюсов в сеточной цепи
удобно воспользоваться двухполюсным переключателем, а для
плавного изменения напряжения полезно подключить к батарее
аккумуляторов потенциометр (схему соединений см. на
рис. 153).
132
ОПЫТ Усилительное действие трехэлектродной
49 лампы
Оборудование: I) трех электродная радиолампа на
демонстрационной панели, 2) гальванометр от амперметра с дополнительным
сопротивлением 82 ком, 3) выпрямитель ВУП-1, 4) трансформатор универсальный
с дроссельной катушкой и катушкой па 12 в, 5) громкоговоритель, 6)
аккумулятор или один элемент ог батареи КБС-0,5, 7) электропроигрыватель "с
граммофонной пластинкой, 8) резистор на 20—40 ком, 9) выключатель
демонстрационный, 10) провода соединительные.
Опыты, раскрывающие практические применения трехэлек*
тродной электронной лампы (усиление электрических
колебаний, генерирование незатухающих колебаний), удобно
проводить с технической радиолампой, установленной на специальной
демонстрационной панели. Такой прибор со схематическим
изображением триода выпускается Главучтехпромом. Этим же
прибором можно пользоваться в предыдущем опыте, показывающем
действие сетки, а также для ознакомления учащихся с одним из
типов распространенной технической радиолампы, ее общим
видом, особенностями устройства и т. д.
1. Изменение анодного тока в триоде при изменении
потенциала сетки, наблюдавшееся в предыдущем опыте, позволяет
перейти к данной демонстрации, показывающей, как
сравнительно небольшие изменения напряжения в цепи сетка-катод
рызывают значительно большие изменения напряжения на
нагрузке, включенной в анодную цепь (усиление по напряжению).
С этой целью собирают установку по рисунку 142. В анодную
цепь включают нагрузочный резистор порядка 20—40 ком. К
катоду лампы через рубильник присоединяют отрицательный
полюс аккумулятора, а положительный — подают на сетку.
Рис. 142. Установка для демонстрации усилительного действия
триода.
133

В качестве
вольтметра для данного опыта
лучше воспользоваться
гальванометром от
амперметра, присоединив к
нему дополнительный
резистор в 80—82 ком. В
Рис. 143. Схема соединения звукоснн- начале опыта ЭТИМ вольг-
мателя е громкоговорителем. метром измеряют
напряжение на
аккумуляторе и замечают, что от одного аккумулятора (э. д. с. 1,25 в)
стрелка вольтметра отклоняется примерно на 0,5 деления.
После этого вольтметр включают в анодную цепь параллельно
нагрузочному резистору и приступают к демонстрации опыта.
Включив ток в цепь накала лампы4 подбирают анодное
напряжение так, чтобы вольтметр давал небольшое показание
(0,3—0,5 деления), обусловленное начальным анодным током.
Затем включают рубильником цепь сетки триода и замечают
показания вольтметра в анодной цепи: стрелка отклоняется еще
на 2—3 деления. Таким образом, изменения потенциала сетки
на 1,25 в вызывает изменение напряжения на нагрузочном
резисторе в анодной цепи на 6—9 в, на что и обращают внимание
учащихся.
Меняя сопротивление нагрузки, подбирают его величину так,
чтобы усиление было возможно большим.
2. Усилительное действие трехэлектродной электронной лампы
показывают на усилении колебаний звуковой частоты.
Сначала демонстрируют воспроизведение звука от
звукоснимателя без применения электронной лампы. С этой целью
собирают установку по схеме, изображенной на рисунке 143.
Пьезоэлектрический звукосниматель (с регулятором
громкости) электропроигрывателя присоединяют через трансформатор
прямо к электродинамическому громкоговорителю. Первичной
обмоткой трансформатора служит дроссельная катушка, а
вторичной— 12-вольтовая или дополнительная катушка с
небольшим числом витков. При проигрывании патефонной пластинки
репродуктор звучит тихо.
Затем собирают установку с электронной лампой (рис. 144),
где применяются тот же трансформатор, громкоговоритель н
проигрыватель. При включении тока в установку громкое
звучание убедительно показывает усилительное действие лампы.
В этом опыте надо подобрать наивыгоднейший режим
работы лампы. Для этого при помощи потенциометра регулируют
напряжение так, чтобы получалась наибольшая громкость.
Описанный опыт можно показать и на другой установке,
представленной на рисунке 145. Универсальное электронное
реле, применяемое здесь в качестве однолампового усилителя
низкой частоты, предварительно подготавливают. Переставной
134
Рис. 144. Установка для демонстрации усиления колебаний
звуковой частоты.
шторкой закрывают три выходных зажима электромагнитного
реле и оставляют один зажим с конденсатором. В таком случае
катушка электромагнитного реле выполняет роль дросселя
(большая индуктивность) в анодной цепи. Усиленные лампой
колебания звуковой частоты через переходной конденсатор
подаются иа трансляционный громкоговоритель, второй провод
которого присоединяется к общему минусу — зажиму / на
панели. Звукосниматель присоединяется к входным зажимам
усилителя (сетка-катод, т. е. зажимы 1—4 на панели).
Включают выпрямитель в сеть и после прогрева лампы
пускают электропроигрыватель. Получают сравнительно громкое зву<
Рис. 145. Другая установка для усиления колебаний звуковой
частоты.
135

Рис/146. Установка с усилителем для громкоговорящего радиоприема.
чапие репродуктора. Пользуясь переменным резистором, можно
регулировать громкость и качество воспроизведения звука —
устранить грубые искажения.
Применение трехэлектроднои электронной лампы в качестве
усилителя демонстрируют и с громкоговорящим радиоприемом
6т детекторного приемника с усилителем. Для этого собирают
установку (рис. 146), где к выходу детекторного
радиоприемника присоединен демонстрационный усилитель на двух лампах
и динамик. Подключив антенну и заземление, настраиваются
на работающую радиостанцию и получат громкое
воспроизведение радиопередачи. Напоминают учащимся, что детекторный
радиоприемник без усилителя дает прием лишь на головные
телефоны.
ОПЫТ
Применение электронной лампы-триода
Оборудование: 1) трехэлектродиая радиолампа на
демонстрационной панели, 2) универсальное электронное реле со съемным
конденсатором, 3) трансформатор универсальный с двумя катушками на 120 «
220 в, 4) батарея конденсаторов, 5) громкоговоритель, 6) выпрямитель
ВУП-1, 7) лампа электрическая на подставке, 8) провода соединительные.
1. Одним из распространенных практических применений
трехэлектроднои лампы является получение незатухающих
электромагнитных колебаний. С этим применением полезно
ознакомить учащихся предварительно, до подробного изучения
устройства и действия генератора в теме «Электромагнитные
колебания и волны».
Для демонстрации пользуются простейшей схемой
генератора, по которой собирают установку, представленную на
рисунке 147. В установке применяется трехэлектродиая электронная
радиолампа на демонстрационной панели, выпускаемая Глав-
учтехпромом. Схематическое изображение триода на панели
136
Рис. 147. Установка для демонстрации лампового генератора.
позволяет наглядно проследить отдельные цепи собираемой
установки.
В анодную цепь триода включается катушка универсального
трансформатора, рассчитанная на 220 в. Она имеет
индуктивную связь с другой катушкой — на 120 s того же
трансформатора. Вторая катушка вместе с батареей конденсаторов
образует колебательный контур, включенный между сеткой и катодом
лампы.
Для обнаружения возникающих колебаний звуковой частоты
применяется электродинамический громкоговоритель,
подключенный к дополнительной катушке (с небольшим числом
витков), помещенной на съемном ярме сердечника.
Установив сначала в батарее конденсаторов, например,
половину емкости, включают выпрямитель в сеть. После прогреьа
лампы и появления тока в колебательном контуре возникают
незатухающие колебания: звук одного какого-либо тона хорошо
слышен всему классу.
Если генератор не возбудится и после включения источника
питания звука не будет, то надо поменять местами концы
какой-нибудь из катушек. При правильном включении концов
катушек возникающий индукционный ток будет направлен
одинаково, с током в контуре. Тогда колебательный контур будет
получать энергию за счет источника тока и в нем установятся
незатухающие колебания.
Далее следует продемонстрировать зависимость частоты
возникающих колебаний от емкости и индуктивности контура.
С этой целью, например, уменьшают или увеличивают емкость
батареи конденсаторов и наблюдают, как возрастает или
убывает частота колебаний (повышается или понижается высота тона).
То же надо показать и при изменении индуктивности. Для
этого ярмо железного сердечника трансформатора немного
перемещают и наблюдают изменение частоты колебаний.
С теми же приборами ламповый генератор может быть
собран и по другой схеме (рис. 148). Колебательный контур
включается в анодную цепь, как это описывается иногда в
учебниках. Для этого достаточно пересоединить батарею конденса-
137

тороа параллельно катушке, включенной
в анодную цепь, и генератор будет
работать. Однако лучше в качестве катушки
связи взять катушку на 120 в, а в
анодную цепь включить катушку на 220 в.
Если есть возможность применить
обычный трансляционный громкоговоритель, то
его можно включить последовательно в
анодную цепь. Тогда отпадает надобность
в катушке для динамика с небольшим
числом витков. В остальном опыт проводится,
как описано выше.
2. Управляющее действие сетки* в трех-
электродной л«мпе позволяет применить
ее для устройства электронного реле
времени. Принцип действия такого реле можно показать на
установке, представленной на рисунке 149.
На панели универсального электронного реле устанавливают
съемный конденсатор: пластиночный вывод конденсатора
закрепляют в верхнем зажиме 5, соединенном через
ограничительный резистор 50 ком с зажимом 3 и положительным
полюсом выпрямителя. В гнездо второго (нижнего) вывода
конденсатора включают штеккер гибкого проводника. Конец этого
проводника оставляют свободным.
Подвижный контакт переменного резистора сначала
устанавливают примерно на одну треть шкалы (3—4 деления шкалы,
показанной на обратной стороне панели).
Рис. М8. Схема
лампового
генератора с
колебательным контуром в
анодной цепи.
138
Рис. 149. Демонстрация электронного реле времени.
Переставную шторку для этого опыта располагают в
нижнем положении так, чтобы оказались открытыми три вывода от
контактных пластин электромагнитного реле, а переходный
конденсатор с выходным зажимом был закрыт.
В исполнительную цепь включают обычную лампу
накаливания, которую через нормально разомкнутые контакты
(нижний и средний) электромагнитного реле присоединяют к
осветительной сети. Для этого можно воспользоваться
отдельной розеткой или входными зажимами выпрямителя.
Включают выпрямитель в осветительную сеть и обращают
внимание учащихся, что якорь электромагнитного реле не
притягивается к сердечнику. Значит, в анодной цепи лампы, в
которую включена обмотка реле, тока нет, либо он очень мал и
недостаточен для срабатывания реле. Исполнительная цепь
оказывается разомкнутой, и сигнальная лампа не горит. Если якорь
притянется к сердечнику (при этом слегка нажимают на
якорь рукой), то исполнительная цепь замыкается и лампа
загорается.
После такого предварительного ознакомления с работой
установки демонстрируют реле времени, используя процесс
зарядки конденсатора. Свободный конец гибкого проводника от
конденсатора включают в гнездо зажима 4, соединенного с сеткой
лампы и с переменным резистором. При этом конденсатор
оказывается включенным через большое сопротивление
(постоянное сопротивление 50 ком плюс переменное сопротивление)
между положительным и отрицательным полюсами источника
питания.
В момент включения конденсатора начальный импульс тока
в этой цепи (сетка заряжается положительно) вызывает резкое
возрастание тока в анодной цепи. Электромагнитное реле
срабатывает, и лампа в исполнительной цепи загорается.
По мере того как конденсатор заряжается, ток в анодной
цепи уменьшается, и через определенное время, зависящее от
емкости конденсатора и величины включенного сопротивления,
наступит момент, когда ток почти прекратится. Исполнительная
цепь разомкнётся, и лампа погаснет.
Чтобы повторить опыт, надо разрядить конденсатор. Для
этого пользуются тем же гибким проводником. Его отключают
от зажима, соединенного с сеткой, и свободным концом
замыкают конденсатор накоротко. Проскакивает небольшая искра, и
слышен треск.
После этого 2—3 раза повторяют опыт, замечая время по
часам. Убеждаются в постоянстве выдержки.
Проделывают опыт и при другой величине переменного
сопротивления. Наблюдают, что с увеличением сопротивления
выдержка возрастает, а с уменьшением — сокращается.
Полезно показать и изменение выдержки при изменении
величины емкости конденсатора, Для этого могут быть применены
130

другие конденсаторы, например в / или 2 мкф, из набора для
лабораторных работ.
Далее этот опыт можно продемонстрировать, используя
процесс разрядки конденсатора. В этом случае конденсатор
включают между сеткой и общим минусом (зажим 1), как
показано на рисунке 149 пунктиром. Исполнительную цепь оставляют
соединенной с нормально разомкнутыми контактами — средним
и нижним зажимами.
Обращают внимание учащихся, что, пока конденсатор не
заряжен, якорь электромагнитного реле не притягивается к
сердечнику (ток через лампу не идет) и исполнительная цепь
разомкнута.
Заряжают конденсатор, для чего один конец гибкого
проводника подключают к зажиму 5 (он соединен через
ограничительное сопротивление и зажим 3 с положительным полюсом
источника питания), а другим —на короткое время касаются
зажима 4, соединенного с сеткой и конденсатором. При этом
конденсатор заряжается и положительный потенциал сетки
лампы резко увеличивает ток в анодной цепи. Реле
срабатывает, замыкая исполнительную цепь, и лампа загорается. По мере
разрядки конденсатора через переменный резистор анодный ток
уменьшается, и, наконец, якорь реле больше не удерживается
сердечником. Исполнительная цепь выключается, и лампа гаснет.
Повторяют опыт при другой величине включенного
сопротивления и другой емкости конденсатора.
В описанных опытах с реле времени можно воспользоваться
и нормально замкнутыми контактами. Выдержки не следует
брать очень большими, так как это затянет время демонстрации.
Можно ограничиться промежутками времени в пределах 0,5—
1 мин.
ОПЫТ Устройство и действие электроннолучевой
51 трубки с электростатическим управлением
Оборудование: 1) электроннолучевая трубка на подставке, 2)
выпрямитель кенотронный, 3) батарея анодная БАС-80, 4) реостат на
10000 ом и 0,1 а, 5) переключатель двухполюсный, 6) провода
соединительные.
Электроннолучевая трубка позволяет получить узкий
сфокусированный пучок электронов, которым можно управлять. На
этом же приборе можно продемонстрировать основные
свойства электронных пучков: свечение люминофора под их
воздействием, прямолинейное распространение, отклонение в
электрическом и магнитном поле.
По принципу фокусировки и отклонения электронного пучка
трубки бывают двух видов: с электростатическим управлением
и с магнитным.
140
Рис. 150. Электроннолучевая трубка с электростатическим
управлением.
Сначала учащихся знакомят с устройством и принципом
действия электроннолучевой трубки первого типа. Показывают
общий вид трубки, вынув ее предварительно из подставки.
Как и всякий электровакуумный прибор, трубка (рис. 150)
имеет стеклянный баллон I, вытянутый в направлении луча.
Воздух из баллона выкачан до высокого вакуума (разрежение до
10_6 мм рт. ст.).
Внутри стеклянного баллона, в его узкой части, помещается
электроннооптическая система 2 (электронный прожектор), где
получается и формируется узкий электронный пучок
(показывается пока общий вид этой части трубки). Электронный пучок
направляется на флюоресцирующий экран 3 в широкой части
трубки, представляющий собой тонкий слой люминофора,
нанесенного на внутреннюю поверхность баллона. В качестве
люминофоров применяют различные вещества, например орто-
силикат цинка, дающий зеленое Свечение, сульфид цинка в
соединении с некоторыми другими элементами, дающий белое
свечение, и др.
Электронный пучок на пути к экрану проходит между двумя
парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин 4.
При подаче на пластины разности потенциалов электронный
пучок отклоняется в сторону положительно заряженной пластины
(электростатическое отклонение).
После такого предварительного ознакомления с общим
устройством электроннолучевой трубки останавливаются
подробнее на деталях электронного прожектора. При этом пользуются
стенной таблицей и кинокольцовкой '. Выясняют, что
электронный прожектор состоит из катода косвенного накала,
являющегося источником электронов, управляющего электрода в виде
1 См.: М. А. Ушаков. Таблицы по физике для средней школы, вы1г. II-
М., «Просвещение», 1964.
Кинокольцовка «Устройство и работа электроннолучевой трубки»,
Школфнльм, 1954.
141

jf2fc
Рис. 151. Электроннолучевая трубка на подставке с
подключенным выпрямителем.
^цилиндра с отверстием, регулирующего количество электронов,
'вылетающих в единицу времени и создающих большую или
меньшую яркость пятна на экране; анода (иногда двойного),
фокусирующего и ускоряющего поток электронов. К электродам
электронного прожектора прикладываются соответствующие
разности потенциалов.
После этого устанавливают электроннолучевую трубку на
подставку и подключают источник питания — кенотронный
выпрямитель (рис. 151). Зажимы «общий» и « + 350 в»
выпрямителя соединяют с зажимами «—» и « + », расположенными на
боковой панели подставки с трубкой.
На классной доске вычерчивают простейшую схему (рис. 152)
(или вывешивают приготовленную заранее стенную таблицу) и
объясняют учащимся, как подаются необходимые регулируемые
напряжения на электроды электронного прожектора, чтобы
получить электронный пучок и сфокусировать его. Обращают
внимание, что управляющий электрод имеет регулируемый
отрицательный относительно катода потенциал (порядка 20—50 в), а
анод — тоже регулируемый, по
положительный (высокий) потенциал.
Затем включают кенотронный
выпрямитель в сеть и после прогрева
ламп наблюдают на экране
светящееся пятно.
Изменяя величину
отрицательного потенциала на управляющем
электроде (вращают на подставке ручку
«яркость»), наблюдают изменение
яркости свечения пятна на
экране при сохранении его размера
(подходящий для наблюдения размер
пятна диаметром 8—10 мм предварнтель-
Упродляющий электрод
Катод панод 2атё^
'rf'
Высокое напряжение
Рлс. 152. Схема
включения . электроннолучевой
трубки.
142
К откломЛюЩи»
пластинам
но подбирают вращением ручки «фокус»).
Потом показывают фокусировку
электронного пучка, изменяя переменным резистором
(ручка с надписью «фокус») положительный
потенциал на аноде трубки. При этом ручка
яркости устанавливается на некоторую
.среднюю вешичину, так как при большой яркости
ухудшается фокусировка (при большом числе
электронов). На экране наблюдают изменение
размеров пятна, которое можно свести к
небольшой точке.
Для демонстрации отклонения электронного
пучка в электрическом поле присоединяют
сначала к горизонтально отклоняющим пластинам
источник постоянного напряжения (например, рис. 153. Схема
анодную батарею БАС-80) через потенциометр соединения по-
и двухполюсный переключатель. Схема соедине- тенциометра с
ния батареи, потенциометра и переключателя по- переключателем,
казана на рисунке 153.
При включении напряжения замечают отклонение
электронного пучка в сторону положительной пластины. При
переключении полюсов изменяется направление отклонения.
Если изменять с помощью потенциометра величину
прикладываемого к пластинам постоянного напряжения, то можно
наблюдать изменение величины отклонения пучка, которая
пропорциональна напряжению между пластинами.
Плавно изменяя потенциометром- напряжение, показывают
постепенное движение светящегося пятна по экрану.
То же проделывают при подаче напряжения на вертикально
отклоняющие пластины.
Если теперь потенциометр и переключатель присоединить к
осветительной сети (120 в), то на экране наблюдается
светящаяся горизонтальная (или вертикальная) линия —результат
колебательного движения электронного пучка в переменном
электрическом поле. Амплитуда этих колебаний будет
пропорциональна амплитуде приложенного напряжения.
ОПЫТ Магнитное управление электронным
52 пучком в электроннолучевой трубке
Оборудование: 1) электроннолучевая трубка на подставке, 2)
кенотронный выпрямитель, 3) катушка от универсального трансформатора на
120 в, 4) две отклоняющие катушки, 5) батарея аккумуляторов, 6)
реостат на 40 ом и 2 а, 7) выключатель демонстрационный, 8) магнит
дугообразный, 9) провода соединительные.
Электроннолучевые трубки с магнитным управлением
(фокусировкой и отклонением) широко применяются в телевидении
143

для приема изображения. Такие трубки (кинескопы) несколько
отличаются от трубок с электростатическим управлением по
форме колбы, а главное — более простым устройством
электронного прожектора. Фокусировка и отклонение осуществляются
магнитными полями катушек, которые надеваются снаружи
трубки на ее более узкую часть — горловину.
Сначала демонстрируют отклонение, электронного пучка п
магнитном поле постоянного магнита.
Для этого включают трубку (рнс. 151) и получают на
экране достаточно яркое светящееся пятно. Затем подносят сбоку
трубки дугообразный магнит и наблюдают смещение пятна.
Изменяют направление магнитного поля и наблюдают отклонение
пятна в противоположную сторону.
При этом полезно предварительно поставить перед
учащимися задачу определить, пользуясь правилом левой руки,
направление смещения пятна на экране, учитывая, что пучок
представляет собой поток электронов.
После этого демонстрируют смещение электронного пучка в
магнитном поле отклоняющих катушек с током / и 2, которые
закрепляют сбоку трубки под винтовые зажимы вертикально
(или горизонтально) отклоняющих пластин, как показано на
рисунке 154. Фокусирующая катушка 3 при этом отсутствует.
Катушки соединяют между собой так, чтобы на концах,
обращенных к трубке, образовались противоположные магнитные
полюсы (соединяют конец обмотки одной катушки с концом
другой или начало с началом). Подключают к катушкам
аккумулятор через рубильник и реостат и наблюдают отклонение
светящегося пятна на экране при включении тока в катушки.
Изменяя реостатом величину тока, показывают плавное
смещение пятна по экрану. Затем меняют направление тока в
катушках и демонстрируют отклонение пятна в противоположную
сторону.
Заменяют аккумулятор магнитоэлектрической машиной и
показывают образование светящейся линии на экране — резуль-
Рис. 154. Устанопка для демонстрации магнитного управления
электронным пучком.
144
тат колебательного движения электронного пучка в переменном
магнитном поле отклоняющих катушек.
После этого переходят к демонстрации магнитной
фокусировки электронного пучка при помощи катушки 3 от
универсального трансформатора (рис. 154). Отклоняющие катушки
снимают, чтобы они не отвлекали внимание. Для установки
катушки вынимают трубку (при отключенном источнике питания)
и на боковые панели освободившейся подставки помещают
катушку. Снова вставляют трубку в подставку и к катушке
присоединяют батарею аккумуляторов через выключатель и
реостат.
Подключают кенотронный выпрямитель и при помощи ручек
«яркость» и «фокус» устанавливают на экране размытое (не
сфокусированное), но достаточно яркое светящееся пятно.
Затем замыкают выключатель и реостатом подбирают
необходимую величину тока в катушке (0,4—0,5 а). Этим и
заканчивается подготовка.
Демонстрацию опыта проводят в такой последовательности.
Включают выпрямитель в сеть и наблюдают на экране трубки
размытое пятно достаточных размеров.
После этого демонстрируют предварительную магнитную
фокусировку путем перемещения катушки с током вдоль
горловины трубки. На экране при этом наблюдают заметное
изменение размеров пятна. *
Затем показывают более точную фокусировку. Оставив
катушку в том положении, в котором получалось пятно меньших
размеров, изменяют реостатом величину тока в катушке.
Наблюдают, как светящееся пятно постепенно сводится в
небольшую светящуюся точку.
ОПЫТ Получение развернутого^ изображения
53- на экране осциллографической трубки
Оборудование: 1) электроннолучевая трубка на подставке, 2)
генератор релаксационных колебаний, 3) выпрямитель кецртронный, 4)
магнитоэлектрическая машина, 5) трансформатор малый на панелн (4 в—120 в),
6) реостат на 5000 ом и 0,2 а, 7) провода соединительные.
Напоминают учащимся опыт 51, где они наблюдали на
экране электроннолучевой трубки светящуюся линию при подаче
переменного напряжения на вертикально отклоняющие
пластины. Это был сл<*д электронного пучка, периодически
колеблющегося между пластинами. Отмечают, что вертикальная линия,
показывая амплитудные значения переменного напряжения, не
дает представления о характере его изменения во времени.
Чтобы выявить форму исследуемых колебаний, нужно к
горизонтально отклоняющим пластинам подвести развертываю-
10 Заказ № 6047
145

идее пилообразное напряжение. Это напряжение, равномерно
нарастая во времени, будет перемещать электронный пучок в
горизонтальном направлении. Когда же пучок достигнет края
ькрана, напряжение резко уменьшится до начального значения
и светящееся пятно быстро (практически мгновенно)
возвратится в исходное положение. Частые повторения этого процесса
образуют линию развертки на экране.
Для демонстрации этого явления собирают установку по
рисунку 155. В качестве источника развертывающего напряжения
применяют простейший генератор пилообразного напряжения,
работающий на неоновой лампе, подробно описанный в
начале главы. Питается генератор постоянным током от того же
выпрямителя, к которому подключается и электроннолучевая
трубка. Так как у генератора имеется выпрямительный столбик (в
других опытах генератор питают переменным током), то в
данном случае надо соблюдать полярность: один зажим генератора
(обозначен знаком « + ») соединяют с клеммой « + 250»
выпрямителя, а другой — со знаком «—» соединяют с отрицательным
полюсом выпрямителя.
Напряжение на горизонтально отклоняющие пластины
трубки подается от выходных зажимов генератора. Эти зажимы
предварительно соединяются двумя проводниками с
гнездами / и 2 у выводов конденсатора, как показано на рисунке.
В таком случае контакты электромагнитного реле
используются для дополнительной разрядки конденсатора. Это позволяет
получить более растянутую линию развертки.
Чтобы развертка начиналась не с центра экрана, а
происходила по всему диаметру, сдвигают магнитное корректирующее
кольцо на цоколь трубки. В этом случае обычно исходное
положение светящегося пятна смещается к краю экрана, слева от
центра.
После такой предварительной подготовки включают
кенотронный выпрямитель в осветительную сеть. Через 1 —1,5 мин
наблюдают на экране трубки медленное равномерное движение
Рис. J 55. Установка для демонстрации развертки электронного пучка.
146
светящегося пятна (предварительно
сфокусированного) слева направо и мгновенное
возвращение его в исходное положение.
Постепенно увеличивая частоту
генератора (в пределах срабатывания реле),
наблюдают сначала увеличение скорости движения
пятна, а потом и образование сплошной
светящейся линии.
После этого подают на вертикально
отклоняющие пластины переменное напряжение
от магнитоэлектрической машины. На экране
появляется кривая исследуемых колебаний,
т. е. результирующее движение светящегося
пятна в зависимости от изменения
исследуемого напряжения (перемещение но
вертикали) и от времени (по
горизонтали). Скорость врашения машины подбирают
так, чтобы изображение на экране было
устойчивым. Можно подключить к
магнитоэлектрической машине малый повышающий
трансформатор на панели (с 4 до 120 в) и,
зашунтировав его выходные зажимы
переменным резистором (рис. Т56), показать
изменение амплитуды исследуемых колебаний при изменении
напряжения. В качестве резистора удобно воспользоваться
реостатом на 5000 ом с подвижным контактом.
Полезно также продемонстрировать и кривую переменного
тока от осветительной сети. Для этого тот же трансформатор
включают в качестве понижающего в сеть на 120 в,
напряжение от вторичной обмотки подают на вертикально отклоняющие
пластины трубки. Подбирают частоту раьвертки так, чтобы на
экране была хорошо заметна синусоида переменного тока.
К Вертикальна
отклоняющим
птстинап
Рис. 156. Схема
соединения

нитоэлектрической машины,
трансформатора
и реостата.
ОПЫТ
54
Ознакомление с электронным
осциллографом школьного типа ОЭШ-61
Оборудование: 1) осциллогриф электронный ОЭШ-61, 2)
магнитоэлектрическая машина, 3) микрофон электродинамический, 4) камертоны
разной частоты на резонирующих ящиках — 2 шт., &) молоточек для
возбуждения камертонов, 6) соединительные провода.
С электронным осциллографом учащиеся встречались ранее
в других демонстрациях, где он применялся в качестве
чувствительного индикатора.
Обращают внимание учащихся на то, что прибор питается
от сети переменного тока с напряжением 127 или 220 в. Прежде
10*-
147

чем включить прибор в сеть, проверяют, на какое напряжение
установлена колодка переключателя. Показывают, как
осуществляется переключение на соответствующее напряжение сети.
После этого включают вилку подводящего шнура в сеть и
показывают действие выключателя и сигнальной лампы,
расположенной на передней панели прибора. Ток в этом случае
включают 'на короткое время.
Основным элементом осциллографа является
электроннолучевая трубка, на экране которой демонстрируются различные
исследуемые сигналы.
Чтобы продемонстрировать управление электронным пучком,
предварительно подготавливают прибор: до урока подбирают
не очень большую яркость светящегося пятна и слегка
расфокусировывают луч, а развертку выключают совсем
(переключатель диапазонов частоты устанавливается на нуле).
Включают осциллограф в сеть и после прогрева ламп (1—2 мин)
наблюдают на экране светящееся пятно.
Поворачивают ручку «яркость» и, изменяя тем самым
величину отрицательного потенциала управляющего электрода
трубки, демонстрируют изменение яркости пятна на экране.
Подбирают не слишком большую яркость пятна и, вращая
ручку «фокус», изменяют величину пятна на экране.
Далее показывают учащимся, как с помощью еще двух
потенциометров производится смещение электронного пучка от
центра экрана по оси X (вправо или влево) и по оси У (вверх
или вниз).
После этого напоминают учащимся опыт 53, где они
наблюдали получение линии развертки пучка по горизонтали, и
включают генератор развертки, устанавливая переключатель
диапазонов на цифру «30» (при этом ручка усилителя X включается
лишь частично). Наблюдают на экране небольшую линию
развертки с заметными мерцаниями. Переключают генератор на
следующую (большую) ступень частоты и замечают, что мерцания
уменьшаются. Полезно ознакомление с осциллографом
сопровождать блок-схемой (рис. 157). При этом обращают
внимание учащихся на то, что напряжения, подводимые к
горизонтально и вертикально отклоняющим пластинам, подаются
через соответствующие усилители «X» или «Ул>. Показывают, в
чем выражается действие одного из усилителей. Поворачивая
постепенно ручку потенциометра усилителя «X», наблюдают
увеличение линии развертки по всему горизонтальному
диаметру экрана трубки.
После этого переходят к демонстрации осциллограммы
переменного тока от магнитоэлектрической машины, установив
предварительно переключатель диапазонов частоты в
положение «30», а ручку усилителя по оси У — на небольшое усиление.
Получают на экране, как описывалось выше, линию развертки
и присоединяют к вертикально отклоняющим пластинам магнн-
148

Синхронизация
•
■
1
Усилитель
Y
,
,
5"?"
Блок трубки
i
*
Блок
|
0$ты*
—0
V
я—
Генератор
разаергт и
■
■
Усилитель
,
• ' р 0
dxqdY „ ВходХ
Рис. 157. Блок-схема Ч
электронного осцилло- I
графа. «
тоэлектрическую машину. Равномерно вращая ротор,
наблюдают на экране кривую переменного тока. Для получения
устойчивой картины подбирают наиболее подходящую частоту
генератора развертки, пользуясь ручкой плавной настройки частоты.
Изменяя величину усиления с помощью ручки
вертикального усилителя, демонстрируют различную амплитуду кривой.
Наконец, обращают внимание на синхронизацию работы
генератора развертки. Управлять стабильностью работы
генератора можно или частью исследуемого напряжения (внутренняя
синхронизация), или напряжением от внешнего источника
(внешняя синхронизация), или напряжением от сети.
Чтобы продемонстрировать назначение синхронизации,
устанавливают ручку переключателя на обозначение «внутр.» и
получают на экране горизонтальную линию развертки, как
описывалось выше. Затем собирают установку по рисунку 158. На
вход «У» включают микрофон (в качестве микрофона можно
воспользоваться электродинамическим громкоговорителем или
простым школьным электромагнитным телефоном). Перед
микрофоном сначала возбуждают камертон с небольшой частотой
и путем переключения ручки диапазонов частоты генератора
пилообразного напряжения, а также при помощи ручки «плавно»
подбирают частоту так, чтобы получилась хорошо заметная
кривая.
Как правило, эта кривая будет перемещаться по экрану
вправо или влево. Для получения неподвижной кривой
пользуются ручкой регулировки синхронизации. При правильной
регулировке кривая на экране остается неподвижной при
многократном возбуждении камертона. Полезно заменить камертон
149

Рис. 158. Наблюдение осциллограммы колебаний камертона.
другим, дающим более высокий или низкий тон, и еще раз
показать, как с помощью соответствующих ручек управления
«диапазоны частоты», «частота плавно» и «регулировка
синхронизации» можно получить на экране устойчивую кривую
исследуемых колебаний.
§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Опыты по этой теме проводятся главным образом с
комплектом полупроводниковых приборов, разработанных В. А.
Буровым. Комплект позволяет демонстрировать основные
электрические свойства полупроводников и некоторые наиболее
важные технические применения полупроводниковых приборов.
В состав комплектов входят шесть приборов (рис. 159). Все
они смонтированы на отдельных панелях размерам 100Х150лш
и соединены монтажными проводниками с универсальными
зажимами. К каждой панели прикреплен стержень для установки
прибора в подставке или закрепления в штативе.
Термистор ММТ-4 служит для демонстрации зависимости
сопротивления полупроводников от температуры и технического
применения этого явления. Он имеет следующие основные
параметры: величина сопротивления при 20° С 10 ком;
температурный коэффициент сопротивления— 2,4% на 1° С;
максимальная рабочая температура 120° С; допустимая мощность
рассеивания на приборе 0,4 вт; при изменении температуры отОдо 100°
величина сопротивления термистора уменьшается примерно в
15 раз. Термистор / укреплен а пластмассовой стойке 2,
находящейся на нижней части разъемной панели 3. Выводы от
термистора герметизированы и через изолирующую стойку подведены
150
Рис. 159. Комплект полупроводниковых приборов:
о — термистор; б — фоторелистор; 8 — термоэлемент; г — фотоэлемент; 5 — диоды!
г — транзистор.
к левому и среднему зажимам. Такая конструкция позволяет
опускать термистор в жидкость без погружения в нее монтажной
панели.
Во время опытов термистор нагревается лабораторной
спиртовкой или специальным электрическим нагревателем в виде
проволочной спирали сопротивлением 5 ом. Для его питания
применяется, источник постоянного тока напряжением около 4 в.
Нагреватель 4 смонтирован на съемной части панели, которая
прикреплена к основной- панели винтом.
В некоторых опытах термистор разогревается электрическим
током 5—6 ма, проходящим непосредственно через термистор.
В таких случаях применяется источник переменного тока
напряжением 50—60 в.
При больших электрических нагрузках термистор
включается в цепь через дополнительный резистор сопротивлением 1 ком,
который присоединен на панели к правому и среднему
зажимам. Он ограничивает ток в цепи, который, возрастая, может
вывести термистор из строя.
Фоторезистор ФС-К1 служит для демонстрации
зависимости сопротивления полупроводников от освещенности и
применения этого явления в фотоэлектронной автоматике. Его
светочувствительный слой толщиной около 1 м состоит из
сернистого кадмия, нанесенного на стеклянную пластинку,
запрессованную в пластмассовую оправу со штырьками. Штырьки
вставлены в специальные гнезда, укрепленные в середине панели н
соединенные проводами с двумя универсальными зажимами.
Фоторезистор имеет следующие основные параметры:
размер светочувствительной поверхности 30 мм2; темновое
сопротивление больше 107 ом; максимальное рабочее напряжение400 в;
допустимая мощность при длительной нагрузке 0,1 вт, удельная
чувствительность 3000 мка/лм-в.
151

При работе с фоторезистором следует учесть, что его
чувствительность пропорциональна приложенному напряжению.
Величина же максимальной чувствительности определяется
произведением удельной чувствительности на предельно допустимое
рабочее напряжение.
Зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от его
освещенности не линейная. При увеличении освещенности фото-
ток приближается к насыщению, и тем быстрее, чем меньше
напряжение на фоторезисторе. Поэтому при демонстрации
опытов для увеличения фототока выгоднее увеличивать не
освещенность фоторезистора, а подаваемое на пего напряжение.
Для большинства опытов достаточно иметь напряжение
около 4 в.
При демонстрации опытов следует, иметь в виду, что
фоторезистор обладает заметной температурной чувствительностью
и инерционностью. Последнее проявляется в том, что при
освещении фоторезистора фототок достигает своего конечного
значения с некоторым запозданием. То же самое получается и при
затемнении фоторезистора, причем увеличение тока
происходит быстрее, чем его уменьшение.
Спектральная чувствительность фоторезистора лежит в
видимой части спектра.
Термоэлемент служит для демонстрации видов
проводимости полупроводников и термоэлектрических явлений,
возникающих в электронно-дырочном переходе. Он состоит из двух
полупроводниковых брусков размером 15X10x8 мм,
различающихся видом проводимости. Полупроводник с электронной
проводимостью 3 представляет собой тройной металлический
сплав висмута, теллура и селена, а полупроводник с дырочной
проводимостью 1— сплав висмута, теллура и сурьмы. Верхние
концы брусков соединены медной пластиной 2, а нижние
—припаяны к медным П-образным пластинам-радиаторам 4,
предназначенным для отвода теплоты и поддержания необходимой
разности температур при работе термоэлемента. Охлаждаются
пластины естественной конвекцией воздуха.
К радиаторным пластинам припаяны толстые медные
провода, концы которых заправлены под крайние зажимы с
обозначением полярности термб-э. д. с. Верхняя медная пластина
соединена со средним зажимом, что дает возможность каждый
полупроводниковый брусок включать в цепь отдельно.
Нагревать термоэлемент удобно слегка нагретым
паяльником или на спиртовке. В последнем случае термоэлемент
укрепляют на подставке горизонтально. Пламя следует подносить
сбоку; оно не должно касаться медной пластины, соединяющей
горячие концы брусков. Во всех случаях нагревать надо
быстро и осторожно, чтобы не расплавить олово, которым
произведена пайка термоэлемента, и не прогреть холодные концы
брусков.
152
Индикатором тока в опытах с термоэлементом следует брать
школьный демонстрационный гальванометр от вольтметра.
Сопротивление этого гальванометра мало, и оно лучше
согласуется с малым внутренним сопротивлением термоэлемента. При
температуре горячего спая около 100° С термоэлемент развивает
напряжение в 18—20 мв. Этого вполне достаточно для
отклонения стрелки указанного выше гальванометра на полную шкалу.
Электродвижущая сила термоэлемента зависит линейно от
температуры горячего спая.
Фотоэлемент селеновый СФ-10 служит для демонстрации
фото-э. д. с, возникающей при освещении электронно-дырочного
перехода. Он имеет полезную площадь 10,4 см2 и
чувствительность по току около 500 мка/лм при внешнем сопротивлении
500 ом.
Э. д. с. холостого хода у этого фотоэлемента составляет
250 мв при освещенности 100 л/с. Его выводы соединены с двумя
универсальными зажимами, около которых указана полярность
фрто-э. д. с.
При работе с фотоэлементом следует помнить, что
наибольшую мощность фотоэлемент развивает при равенстве
внутреннего и внешнего сопротивлений. Поэтому в качестве
индикатора тока следует брать демонстрационный гальванометр от
амперметра, так как его внутреннее сопротивление лучше
согласуется с внутренним сопротивлением фотоэлемента.
Следует также иметь в виду, что чем больше сопротивление
нагрузки, тем при меньшей освещенности нарушается линейная
зависимость между фотогоком и освещенностью фотоэлемента.
В некоторых опытах на фотоэлемент подается внешнее
напряжение. Оно не должно быть выше 0,2 в.
Электрические параметры фотоэлемента зависят от
температуры: при температуре выше 50° С фотоэлемент не работает.
Диоды германиевые, плоскостные Д7Ж. Они служат для
демонстрации односторонней проводимости
электронно-дырочного перехода и практического применения этого свойства для
однополупериодного и двухполупериодного выпрямления
переменного тока.
Для увеличения наглядности диоды укреплены на панели на
фоне их схематического изображения. Выводы диодов
подведены к четырем зажимам, около которых стоят знаки (+ и —),
обозначающие полярность включения в пропускном
направлении.
Следует иметь в виду, что диоды в пропускном направлении
обладают небольшим внутренним сопротивлением. Поэтому при
напряжении в несколько десятых долей вольта в диоде
возникает предельный для него ток, равный 300 ма. Обратное
напряжение составляет около 300—400 в.
Параметры диодов сильно зависят от температуры. При
изменении температуры от +20 до „+70° С наибольшее допусти-
153

мое обратное напряжение уменьшается в среднем в три раза, а
обратный ток увеличивается примерно в десять раз.
Транзистор германиевый, плоскостной П14. Он служит
для демонстрации усиления, детектирования и генерирования
электрических колебаний.
Транзистор укреплен в середине панели на фоне его
схематического изображения. Выводы базы, коллектора и эмиттера
соединены проводами с зажимами и обозначены на панели
соответственно буквами Б, К, Э,
Транзистор имеет следующие электрические и
эксплуатационные данные: коэффициент усиления по току в схеме с общим
эмиттером 50; граничная частота усиления по току 1,0 Мгц;
сопротивление базы не более 300 ом; напряжение на коллекторе
5 в; ток коллектора 10 ма; обратный ток коллекторного
перехода не более 15 мка; ток эмиттера 10 ма; обратный ток эмиттер-
ного перехода не более 15 мка; допустимая мощность,
рассеиваемая на коллекторе, 150 мет.
В электрическую цепь транзистор может быть включен тремя
различными способами: с общей базой, с общим эмиттером и с
общим ^коллектором. В большинстве опытов применяется схема
включения с общим эмиттером.
Независимо от выбранной схемы следует строго соблюдать
основные правила включения транзистора в электрическую цепь:
коллекторный переход всегда включается в обратном (не
пропускном) направлении, а эмиттерный переход —в прямом
(пропускном) направлении. Для транзистора с проводимостью типа
р-п-р это означает: эмиттер^оединяется с положительным
полюсом источника, а коллектор — с отрицательным. В режиме
усиления и генерации на базу транзистора подается
напряжение порядка 0,1—0,15 в.
Следует помнить также о недопустимости включения
транзистора в цепь, находящуюся под током. Питание транзистора от
источников, напряжение которых превышает максимально
допустимое, ведет к его пробою. Опасным является даже
кратковременная подача напряжения обратной полярности (за
исключением малых значений). При работе следует избегать
замыкания выводов базы и коллектора. Мощность, рассеиваемая на
коллекторе, не должна превышать предельно допустимую. При
включении транзистора в цепь вывод базы присоединяют
первым, а все переключения производятся при отключенном
источнике питания.
Во время демонстрации приборы комплекта, как правило,
применяются совместно с другим учебным оборудованием
физического кабинета: демонстрационными гальванометрами,
источниками постоянного тока, регуляторами напряжения,
электромагнитными реле и т. п.
Из вспомогательных приборов довольно часто применяегся
поляризованное реле РП-5 на подставке. Общий вид этого реле
154
и детали монтажа показаны иа
рисунке 160. Реле / укреплено на
изолирующей панели 2 и с помощью
металлического стержня 3
устанавливается на подставке 4.
Собственно реле / состоит из
постоянного магнита,
электромагнита, контактной системы и двух
соединительных колодок с
выводами. Все детали закрыты
алюминиевым чехлом.
Электромагнит реле имеет две
отдельные обмотки с
сопротивлением ОКОЛО 900 ом каждая. Обмот- Рис. 160. Поляризованное
ки соединены между собой после- Реле РП"5 на П°Дставке-
довательно. Концы обмоток
подведены к двум винтовым зажимам 5 и б, расположенным на
обратной стороне монтажной панели. Обмотки реле соединены
также через высокочастотные дроссели 7 с двумя парами
пружинящих зажимов 8 и 9, предназначенных для включения
приемного диполя и полупроводникового детектора. Выводы от
контактной системы реле подведены к трем винтовым
зажимам 10, 11 и 12 (зажим 11 сделан дополнительно: в
промышленном образце его нет, что ограничивало возможности
применения прибора).
Реле РП-5 трехпознционное, его якорь может занимать три
различных положения: два крайних и нейтральное; в
нейтральном положении при обесточенном реле все контакты
разомкнуты. В большинстве же описываемых опытов реле работает как
двухпозиционное, т. е. при отсутствии тока в обмотке реле его
якорь замыкает один из контактов. В двухпозиционное
положение реле переводится перемещением контактных винтов. Реле
РП-5 обладает быстродействием и высокой чувствительностью.
Ток срабатывания его может изменяться от 0,058 до 0,24 ма, в
зависимости от регулировки его контактов.
При установке реле на наибольшую, чувствительность
просвет между контактами должен составлять несколько десятых
долей миллиметра. Контакты реле можно нагружать током не
более 0,5 а.
При изучении полупроводников в средней школе, кроме
приборов, важное значение имеют следующие стенные таблицы,
содержащие необходимый иллюстративный материал к рассказу
учителя': 1) термистор; 2) фоторезистор; 3) диод; 4)
фотоэлемент; 5) термоэлемент; 6) транзистор.
i См.: В. А. Буров, Г. Р. Л и с е н к е р, М. А. Ушаков. Таблицы по
физике для средней школы. М., «Просвещение», вып. Ш, 1965, и вып. IV,
1969.
155

На этих таблицах крупным планом изображено устройство
полупроводниковых приборов, которые входят в
демонстрационный комплект. Вместе с устройством приборов на таблицах
даны их условные обозначения, схемы действия и основные
характеристики, выполненные в виде графиков. Графики
снабжены крупной координатной сеткой. Это позволяет применять их
на уроках при решении графических задач.
Кроме основных приборов, почти на всех таблицах как бы
-вторым планом дано изображение внешнего вида
разнообразных полупроводниковых приборов и их практического
применения.
Методика применения таблиц подробно раскрывается далее
при описании опытов.
ОПЫТ Изменение сопротивления
55 полупроводников при нагревании
и охлаждении
Оборудование: 1) термистор ММТ-4 на подставке, 2)
лабораторный прибор с термистором MMT-I, 3) гальванометр демонстрационный от
амперметра, 4) батарея аккумуляторов, 5) выключатель демонстрационный,
6) спиртовка, 7) провода соединительные, 8) стакан со снегом или с
холодной водой, 9) стенная таблица 1 — «Термнстор».
Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с
устройством термистора ММТ-4 по стенной таблице I.
Термистор ММТ-4 изображен на таблице крупным планом
в разрезе (рис. 161), Буквы ММ обозначают
полупроводниковый материал, из которого сделан термистор (окислы марганца
и меди); буква Т — термистор; цифра 4 — условное обозначение
конструктивного оформления.
Рис. 161. Термнстор ММТ-4 в разрезе.
15G
Рис, 162. Установка и схема для демонстрации действия термистора.
Термистор имеет форму цилиндрического стержня 5 длиной
12 мм и диаметром 2 мм. На концы стержня надеты контактные
колпачки 3 с выводами из медной проволоки 7. Поверхность
стержня покрыта слоем эмалевой краски и обернута
металлической фольгой 4, которая улучшает теплообмен между
термистором и окружающей средой. Один вывод термистора припаян
оловом'б ко дну металлического корпуса 2, а другой — проходит
в трубочке, вваренной в стеклянный изолятор /. Герметизация
термистора обеспечивает его устойчивую работу в условиях
повышенной влажности и непосредственно в жидкостях.
После рассмотрения таблицы вычерчивают на классной
доске схему и по ней собирают установку, показанную на рисунке
162. Термистор укрепляют на подставке в горизонтальном
положении и включают в электрическую цепь последовательно с
демонстрационным гальванометром, батареей аккумулятороа
(напряжением около 4 в) и выключататем.
При замыкании цепи гальванометр отмечает небольшой ток:
стрелка гальванометра отклоняется примерно на два деления
шкалы «0—10». Величина этого тока зависит (по закону Ома)
от напряжения источника тока и начального, так называемого
холодного сопротивления термистора, т, е. его сопротивления
при комнатной температуре. После этого термистор медленно
нагревают над пламенем спиртовки (пламя не должно касаться
прибора) и наблюдают постепенное увеличение тока. Когда
стрелка гальванометра будет подходить к последним деленням
шкалы, нагревание прекращают.
Далее показывают обратный процесс — охлаждение
термистора: снимают термистор со штатива и погружают в стакан со
снегом или холодной водой. Стрелка гальванометра быстро
перемещается в обратную сторону и через некоторое время
останавливается почти у нуля шкалы.
157

20 40 SO SO 100
Рис. 163. График
зависимости сопротивления тер-
мистора ММТ-4 от
температуры.
Проделанный опыт позволяет
прежде всего сделать вывод, что
сопротивление полупроводников с
повышением температуры уменьшается и,
наоборот, с понижением температуры
увеличивается. Для уточнения этого
вопроса внимание учащихся снова
возвращают к указанной выше
таблице 1 и рассматривают график
температурной зависимости
сопротивления термистора (рис. 163). Этот
график показывает, что
сопротивление полупроводников резко уменьша-
t°c ется с повышением температуры,
причем температурная чувствительность
на различных участках температуры
неодинакова. Электропроводность
полупроводников при высоких
температурах близка по величине к
электропроводности металлов, а при низких
температурах полупроводники фактически становятся
изоляторами.
Учащимся известно, что величина электропроводности
определяется концентрацией свободных
носителей заряда (электронов, ионов).
Следовательно, проделанный опыт дает основание
сделать вывод, что концентрация электронов
проводимости полупроводников в отличие от
металлов зависит от температуры: с
повышением температуры концентрация возрастает, а
с понижением температуры — уменьшается.
Тепловое движение является главной
причиной возникновения электропроводности
полупроводников. Этот вывод имеет глубоко
принципиальное значение. Он показывает,
что без затраты внешней энергии
образование носителей заряда в полупроводнике
невозможно, а следовательно, невозможно и
возникновение электрического тока.
С целью подготовки к выполнению в
практикуме лабораторной работы «Снятие
температурной характеристики термистора»
учащихся знакомят с устройством
лабораторного прибора и кратко с порядком выполнения Рис. 164. Лабо-
ЭТОЙ работы. раториый при-
Прибор (рис. 164) надо спроецировать на ЙЕпеоттгой"
экран с помощью эпидиаскопа или проекци- характеристики
онного аппарата и рассказать, что здесь термистора.
V
158
применен термистор / типа ММТ-1. Его выводы припаяны к
двум медным проводам 2; которые проходят через отверстия в
монтажной панели 3 и заканчиваются двумя зажимами. В
середине панели сделано отверстие 4, в которое вставлена
небольшая трубочка. Термистор вместе с трубочкой заключен в
стеклянную пробирку.
При выполнении работы пробирку с термистором погружают
в стакан с водой, а внутрь трубочки вставляют технический
термометр. Сопротивление термистора при различных
температурах измеряют омметром.
В заключение следует отметить, что в настоящее время
промышленность выпускает различные типы термисторов с
разнообразными электрическими характеристиками и конструкциями
исполнения. С внешним видом различных термисторов и их
назначением можно ознакомить учащихся по стенной таблице 1.
ОПЫТ Устройство и действие электрического
55 термометра сопротивления
Оборудование: 1) термометр демонстрационный электрический,
2) термометр демонстрационный капиллярный, 3) стаканы с водой разной
температуры — 2 шт., 4) провода соединительные, 5) стенная таблица 1 —
«Термистор».
Перед демонстрацией опыта учащихся кратко знакомят с
устройством школьного электрического термометра
сопротивления, который дает возможность измерять температуру в
интервале от -20 до +120° С.
Прибор (конструкция В. А. Бурова) состоит из трех частей
(рис. 165): датчика температуры / в виде термистора ММТ-4,
который при комнатной температуре имеет сопротивление
приблизительно 1 ком, специального измерительного мостика 2,
смонтированного в пластмассовом корпусе, и школьного
демонстрационного гальванометра 3.
На доск"е вычерчивают схему прибора по рисунку 165 и
поясняют, что резисторы /?t = 1000 ом, /?2=510 ом, /?3 = 2,2 ком и
датчик температуры Rt =1 ком образуют измерительный
мостик. В диагональ мостика включается демонстрационный галь-
_ ванометр. Питается мостик от источника постоянного тока
напряжением 4 в через потенциометр /?4=470 ом. Мостик
сбалансирован при температуре 0° С с помощью переменного
резистора R3.
Термистор укреплен на конце металлической трубки. К
выводам термистора припаяны гибкие изолированные провода
длиной около метра. Они выведены через трубку и оканчиваются
двумя штепселями.
На крышку корпуса выведены следующие детали (см.
схему): зажимы К\ и Кг для включения датчика, зажимы Кз и
159

Рис. IG5. Электрический термометр сопротивления и его схема.
КА для демонстрационного гальванометра, ручка потенциометра
/?+ и выключатель Вк источника питания. Зажимы для
включения датчика помечены на приборе знаком «ТС», а зажимы для
включения гальванометра — буквой «Г». Источник питания
(батарея от карманного фонаря) находится вместе с остальными
деталями мостика внутри корпуса и отделен от них
перегородкой. Батарея вставляется в корпус через съемное дно.
К двум зажимам, расположенным также на крышке корпуса
(на схеме они обозначены буквами К$ и Кб), в случае
необходимости можно присоединить внешний источник тока.
При температуре датчика, отличной от 0°С, баланс мостика
нарушается и через гальванометр идет ток, величина которого
находится в прямой зависимости от температуры.' При
указанных величинах сопротивлений плеч мостика эта зависимость
является почти линейной.
Ток в диагонали мостика зависит также от величины
напряжения питания, которое регулируется потенциометром #4. Это
позволяет плавно изменять чувствительность термометра и в
случае надобности уменьшать интервал рабочих температур,
повышая тем самым точность измерений. В связи с этим
термометр снабжен тремя сменными шкалами, которые содержат по
20 делений и отличаются лишь оцифровкой, характеризующей
интервал измеряемых температур: первая шкала от 0 до 40° С,
вторая —от 0 до 60° С и третья —от 0 до 100° С. Цена делений
шкал соответственно равна 2,3 и 5° С.
Затем показывают этот термометр в действии, для чего в
измерительный мостик включают датчик температуры и
демонстрационный гальванометр с температурной шкалой 0—100° С.
160
Датчик вместе с демонстрационным капиллярным
термометром погружают в стакан с водой и, вращая ручку
потенциометра, добиваются совпадения показаний обоих термометров. Для
контроля измеряют температуру воды в другом стакане обоими
термометрами и наблюдают их одинаковые показания.
Далее демонстрируют возможность изменения
чувствительности электрического термометра. Для этого в гальванометр
вставляют температурную шкалу 0—40э С и повторяют
описанный опыт.
Для ускорения перехода с одной температурной шкалы на
другую можно заранее подобрать три постоянных резистора,
сопротивление которых равно соответственно сопротивлению
термистора при температурах 40, 60 и 100° С. В этом случае
вначале к зажимам /Ci и /С2 вместо термистора подключают
соответствующий резистор и, вращая ручку потенциометра #4,
добиваются отклонения стрелки гальванометра до последнего
деления температурной шкалы (40, 60 или 100°С). После этого к
зажимам Ki и /(2 вместо резистора подключают датчик
температуры и производят измерения.
Отмечают, что датчики из термисторов отличаются от других
следующими качествами: высокой температурной
чувствительностью, малой тепловой инерцией, высоким омическим
сопротивлением и др.
Все это дает возможность быстро отмечать малые изменения
температуры (порядка тысячных долей градуса) и пренебрегать
сопротивлением подводящих проводов (измерять температуру
удаленных объектов).
ОПЫТ Автоматический сигнализатор и регулятор
57 температуры
Оборудование: 1) термистор ММТ-4 на подставке, 2)
поляризованное реле РП-5 на подставке, 3) батарея аккумуляторов, 4)
выключатель демонстрационный, 5) спиртовка, 6) реостат на 300 ом, 7) лампа
электрическая мощностью около 60 em на подставке, 8) провода
соединительные.
Принцип действия автоматического сигнализатора и
регулятора температуры показывают с использованием термореле,
когда термистор работает при малых электрических нагрузках,
т. е. нагревается не проходящим током, а вследствие изменения
температуры окружающей среды.
Установку опыта собирают по рисунку 166. В цепь
термистора включают батарею аккумуляторов напряжением около 4 в,
выключатель и катушку поляризованного реле. В исполнительную
цепь реле включают электрическую лампу мощностью 60%т.
Контакты реле подбирают так, чтобы при обесточенном реле
исполнительная ц^пь была разомкнута.
11 Заказ № 6047
161

Рис. 166. Установка и схема термореле.
При замыкании первичной цепи начальный ток может
привести в действие реле даже в том случае, когда термистор
находится при комнатной температуре. Чтобы исключить это
явление, параллельно катушке реле включают реостат
сопротивлением около 300 ом; подвижный контакт его устанавливают в
такое положение, при котором реле удерживает исполнительную
цепь разомкнутой.
При незначительном нагревании датчика-термистора реле
срабатывает и включает лампу, т. е. подает сигнал о повышении
температуры окружающей среды. Лампа продолжает гореть до
тех пор, пока термистор не примет начальную температуру.
Далее показывают, что температуру, при которой
срабатывает реле, можно регулировать с помощью реостата,
включенного параллельно катушке поляризованного реле.
Для демонстрации принципа действия автоматического
регулятора температуры в термореле вводят обратную связь
между датчиком температуры и лампой-нагревателем, включенной в
исполнительную цепь реле. Лампу устанавливают под термисто-
ром вместо спиртовки и подключают к нормально замкнутым
контактам реле. Теперь при замыкании первичной цепи
включается и лампа, но через некоторое время, когда температура
термистора повысится и станет больше заданной величины, реле
выключит лампу и прекратит подачу тепла. Лампа и термистор
будут охлаждаться. Датчик-термистор опять обнаружит
отклонение температуры от требуемого значения и будет
воздействовать на реле, которое вновь включит лампу-нагреватель. Таким
образом, термистор все время контролирует температуру и по-
162
лученную информацию передает в регулирующий орган —реле,
управляющий притоком электроэнергии в лампу-нагреватель!
Величина контролируемой температуры устанавливается с
помощью реостата, шунтирующего обмотку реле.
На примере этого опыта полезно подчеркнуть значение
отрицательной обратной связи для различных автоматических
регуляторов и обратить внимание на то, что в таком случае
регулятор как бы соединяет* в себе автоматический контроль и
автоматическое управление. -
ОПЫТ Действие термистора прямого
53 и косвенного подогрева
Оборудование: 1) термистор ММТ-4 с электрическим нагревателем
на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) батарея
аккумуляторов — 2 шт., 4) автотрансформатор ЛАТР-2 нлн школьный
регулятор напряжения РНШ, 5) реостат на 40 ом и 3 а, 6) выключатель
демонстрационный, 7) провода соединительные, 8) стакан с водой комнатной
температуры, 9) стакан с керосином комнатной температуры, 10) стенная
таблица 1 — «Термистор».
Величина сопротивления термистора прямого подогрева
изменяется за счет тепла, выделяемого проходящим по нему
электрическим током. В этом случае мощность тока настолько
велика, что термистор нагревается значительно выше температуры
окружающей среды. Изменение же температуры среды имеет
второстепенное значение.
Для демонстрации опыта собирают установку по рисунку 167.
Термистор включают в цепь автотрансформатора ЛАТР-2
последовательно с дополнительным резистором сопротивлением в
1 ком, гальванометром и рубильником. Дополнительный
резистор Ri в этом опыте предназначен для ограничения тока, ко-
Рис. 167. Установка и схема включения термистора прямого подогрева.
11* tea

торый возрастает по мере разогрева термистора. В противном
случае термистор может выйти из строя.
Гальванометр переключают для измерения переменного
тока и шунтируют реостатом /?2 на 40 ом. С указанным шунтом
предел измерения тока гальванометром расширяется примерно
на 15 ма. Этого вполне достаточно для постановки опыта, так
как заметный разогрев термистора наступает при токе 5—6 ма.
Вначале пользуются напряжением в 10—20 в и обращают
внимание учащихся на постоянство установившегося тока в
цепи. Затем напряжение быстро увеличивают до 50—60 в.
Соответственно этому увеличивается и ток, но теперь его величина
не остается постоянной. По мере прохождения тока термистор
разогревается, его сопротивление плавно уменьшается, и ток в
цепи постепенно увеличивается, несмотря на неизменное
напряжение.
Однако возрастание тока вскоре прекращается, так как
наступает тепловое равновесие: термистор получает тепла
столько, сколько отдает в окружающее пространство. Это явление
можно наблюдать еще раз, если опять повысить напряжение,
которое можно довести до .предельного, т. е. до 60 в.
Убедившись, что величина тока остается неизменной,
разогретый термистор погружают в воду комнатной температуры и
наблюдают за гальванометром. Через некоторое время ток в
цепи уменьшается почти в два раза, хотя начальная
температура воды н воздуха была одинакова.
Такое значительное уменьшение величины тока, связанное
с достижением теплового равновесия между термистором и
водой (по сравнению с тепловым равновесием между
термистором и воздухом), объясняется большей теплоотдачей воде, чем
воздуху.
Чтобы еще больше подчеркнуть зависимость режима работы
термистора от окружающей среды, надо опыт продолжить —
перенести термистор, например, в керосин. Здесь тепловое
равновесие устанавливается при несколько большем токе, чем в
воде.
По графику (рис. 168) учащихся знакомят с вольт-амперной
характеристикой термистора ММТ-4. График показывает
зависимость тока в термисгоре от приложенного напряжения при
условии теплового равновесия между термистором и внешней
средой (спокойный воздух при температуре 18°С). Обращают
внимание на два участка характеристики с положительным и
отрицательным значениями сопротивления термистора.
На первом участке характеристика почти линейна, так как
при малых токах термистор почти не нагревается (здесь имеет
место закон Ома). При дальнейшем увеличении тока крутизна
характеристики плавно уменьшается, что указывает на
нарушение закона Ома, связанное с изменением сопротивления
термистора вследствие его разогрева. При некоторой величине тока
164
35
30
25
20
15
10
5
0
/
/
/
- .
У.та
it в Г? 16 20 2Ь 2&
(около 8 ля) напряжение на
термисторе достигает
наибольшего значения (около 33 в),
и при дальнейшем
возрастании тока напряжение
начинает уменьшаться.
Отмечают, что вид вольт-
амперной характеристики
может несколько изменяться в
зависимости от условий, в
которых она снимается. С одной
стороны, она определяется,
параметрами самого
термистора, а с другой — средой, в
которой находится термистор,
и ее температурой.
Проделанные опыты
раскрывают большие возможности
технического применения термисторов, например, для
сигнализации об изменении уровня жидкости и его автоматического ре*
гулирования, для предохранения различной аппаратуры от
толчков тока, возникающих в момент включения, а также в каче-.
стве автоматических пусковых реостатов для электрических
двигателей и реле времени.
С помощью термистора, работающего при больших
электрических нагрузках, можно измерять скорость движения газов
и их давление, так как этн факторы также влияют на тепловое
состояние термистора.
Для демонстрации действия термистора с косвенным подо?
гревом собирают установку по рисунку 169.
Рис. 168. Вольт-амперная
характеристика термистора ММТ-4.
Рис. 169. Установка и схема включения термистора с косвенным
подогревом.
165

На термистор надевают электрический нагреватель (спираль
сопротивлением 5 ом). Термистор включают в цепь батареи
аккумуляторов через демонстрационный гальванометр, а
нагреватель — в цепь другой батареи аккумуляторов последовательно с
реостатом сопротивлением 40 ом и однополюсным выключателем.
В начале опыта обращают внимание учащихся на малое
значение и постоянство тока в цепи с термистором. Затем
включают ток в цепи с нагревателем и наблюдают постепенное
увеличение тока в цепи с термистором. Ток возрастает до тех пор,
пока между нагревателем, термистором и окружающим
воздухом не наступит тепловое равновесие.
После этого с помощью реостата 2—3 раза изменяют
величину тока в нагревателе и наблюдают согласованные изменения
величины тока в цепи с термистором. Таким образом
выясняется, что сопротивлением термистора, имеющего косвенный
подогрев, можно управлять током, проходящим через обмотку
нагревателя. Электрическая же нагрузка на самом термисторе
столь мала, что ею можно пренебречь; она почти не вызывает
его дополнительного нагрева.
Учащимся сообщают, что термисторы с косвенным
подогревом находят практическое применение, особенно в тех случаях,
когда необходимо электрически разделить управляемую и
управляющую цепи, которые взаимодействуют между собой
только за счет тепловых процессов.
По стенной таблице 1 полезно ознакомить учащихся с
промышленной конструкцией термистора косвенного подогрева типа
ТКП-2, внешний внд которого напоминает обычную стеклянную
радиолампу, но с несколько укороченным баллоном. Он
применяется в радиотехнике для автоматического регулирования
работы радиоаппаратуры (усилителей, генераторов) и защиты ее
от перегрузок.
ОПЫТ Изменение сопротивления
59 полупроводников при освещении
Оборудование: 1) фоторезистор ФС-К1 иа подставке, 2)
гальванометр демонстрациояный от амперметра, 3) батарея аккумуляторов,
4) электрическая лампа мощностью 60—100 вт на подставке, 5) провода
соединительные, 6) стенная таблица 2 — «Фоторезистор».
Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с
устройством полупроводникового фоторезистора ФС-К1 по таблице 2 —
«Фотррезистор», где этот фоторезистор изображен крупным пла*
ном в разрезе (рис. 170).
Фоторезистор представляет собой тонкий
светочувствительный слой полупроводника /, состоящий из сернистого кадмия,
нанесенного на круглую изолирующую пластинку 4, края кото-
166
Рис. 170. Конструкция
фоторезистора ФС-К1.
рой запрессованы в кольцеобразную
пластмассовую ойраву 2. С
противоположных сторон полупроводникового слоя
сделаны токоотводы 3, которые
соединены с двумя запрессованными в оправу
электродами в виде вилки 5. Для
защиты полупроводникового слоя от
загрязнения и атмосферного влияния
поверхность его покрыта прозрачным лаком.
Затем собирают установку по
рисунку 171. Фоторезистор ФС-К1 включают
в цепь источника постоянного тока
напряжением около 4 в последовательно с
демонстрационным гальванометром от
амперметра. Обращают внимание на
малую величину начального тока. Этот
ток называют темновым. Он зависит от электрического
сопротивления, которым обладает фоторезистор, и от приложенного
к нему напряжения.
Далее зажигают электрическую лампу и, медленно
приближая и удаляя ее от фоторезистора, наблюдают увеличение и
уменьшение тока в цепи. Делают вывод, что сопротивление
полупроводников при увеличении их освещенности уменьшается.
Изменение сопротивления под действием света объясняют
увеличением количества свободных носителей заряда. Это
явление называют внутренним фотоэффектом, а разность между
световым и темновым током — фототоком.
Для уточнения зависимости тока от освещенности
внимание учащихся возвращают к таблице 2 и рассматривают
изображённые на ней графики (рис. 172). Первая кривая снята
при напряжении 10 в, вторая — при напряжении 4 в. Графики
показывают, что ток по мере увеличения освещенности
приближается к насыщению, и тем быстрее, чем меньше напряжение
на фоторезисторе.
Рнс. 171. Демонстрация действия фоторезистора.
167

£./
ЮО POO 300 Ш 500
Рис. 172. Световые
характеристики фоторезнстора ФС-К1:
/ — при напряжении 10 в; 2 — при
напряжении 4 в.
Снова возвращаются к
демонстрационной установке и при
постоянной освещенности изменяют
полярность включения
фоторезистора в цепь. При этом
наблюдают, что величина тока остается
неизменной.
Делают вывод, что
фоторезистор одинаково хорошо проводит
ток как в одном, так и в другом
направлении. Он представляет
собой в электрическом отношении
обычный высокоомный резистор.
Затем показывают, что ток
в цепи с фоторезистором зависит
также от величины приложенного
внешнего напряжения. Для этого,
не изменяя освещенности
фоторезистора, включают в
электрическую цепь один, два, а затем три
аккумулятора.
Отмечают линейную
зависимость между током и приложенным
напряжением.
По таблице 2 учащимся
объясняют вольт-амперную
характеристику фоторезистора, снятую в
Рис 173. Волы-ампериые ха- темноте и при освещенности в
ра'ктеристики ■ фоторезнстора 200Л к (рис. 173). Обращают вни-
ФС-Kl: мание, что фототок не имеет насЫ-
I — при освещенности 200 лк; 2 — в
темноте. щения и, следовательно, световая
чувствительность фоторезистора
пропорциональна приложенному напряжению.
В заключение отмечают широкое применение фоторезисторов
в автоматике и контрольно-измерительной технике. С внешним
видом некоторых фоторезисторов можно ознакомить учащихся
по указанной выше таблице.
•ыяя
2
/
0
2
А
< 6
1
€
"t
'-—^
Г 1
1
<Г*
ОПЫТ
60
Действие простейшего фотореле
Оборудование: 1) фоторезистор ФС-К1 иа подставке, 2)
поляризованное реле РП-5 на подставке, 3) батарея аккумуляторов, 4)
электрическая лампа мощностью 60 вт на подставке, 5) фонарь электрический
карманный, Ь) кювета стеклянная с плоскопараллельными стенками на
подставке, 7) стаканы химические с водой-2 шт., 8) резиновая трубка
длиной около аи см, 9) подъемный столик, 10) выключатель демонстрационный
11) пипетка, 12) пластинка из белой жести, 13) наждачная бумага. И)
провода соединительные, * ■ ' ' v
168
Для .демонстрации фотореле собирают установку по
рисунку 174. В цепь батареи аккумуляторов включают
последовательно фоторезистор ФС-К1, поляризованное реле РП-5 и
однополюсный выключатель. Контакты реле регулируют так, чтобы
якорь мог занимать только два крайних положения, а лампа,
включенная в исполнительную цепь, загоралась при
освещенном фоторезисторе и гасла при его затемнении.
С этим фотореле показывают следующие опыты,
раскрывающие принципы работы простейших фотоэлектронных устройств
автоматики.
1. Фоторезистор освещают электрическим фонариком.
Фотореле реагирует на свет и включает сигнальную лампу. Затем пу*
чок света, падающий на фоторезистор, неоднократно и с
различной скоростью пересекают рукой. Фотореле успевает каждый
раз включить и выключить сигнальную лампу.
Учащимся сообщают, что по этому принципу работают
разнообразные автоматические счетчики и сортировщики изделий.
Далее переключают контакты реле, так чтобы лампа в
исполнительной цепи загоралась при затемненном фоторезисторе,
и продолжают опыты.
2, На пути пучка света от электрического
фонарика,-направленного на фоторезистор, устанавливают на подъемном столике
химический стакан (рис.175).
В начале опыта стакан пуст; пучок света свободно проводит
через стекло и попадает на фоторезистор. Реле удерживает
свои контакты, и сигнальная лампа не горит.
Затем в стакан медленно наливают подкрашенную
чернилами воду и наблюдают за поднятием ее уровня. Как только вода
закроет доступ лучам света к фоторезистору, фотореле включит
сигнальную лампу.
Рис. 174. Установка и схема фотореле с фоторезистором.
189

Рис. 175. Установка для демонстрации сигнализации уровня жидкости.
После этого воду переливают в другой, пустой стакан с
помощью сифона. Теперь уже сосредоточивают внимание
учащихся на опускающемся уровне воды в стакане. Когда уровень
понизится настолько, что откроет доступ пучку света к
фоторезистору, фотореле снова сработает и выключит лампу.
В этом опыте вместо воды можно взять любое сыпучее
вещество: песок, соль, зерно и т. д. Каждый раз при повышении
или понижении уровня до границы прохождения пучка света
фотореле будет включать или выключать сигнализацию (лампу
или электрический звонок). - •
Высоту контролируемого уровня воды или сыпучих тел в
стакане можно изменять с помощью подъемного столика.
После опыта учащимся сообщают, что подобные
автоматические устройства применяются на различных производствах,
где не только подаются звуковые или световые сигналы об
изменении уровней различных жидкостей или сыпучих тел (руда,
уголь, песок, зерно и т. д.), но н автоматически происходит их
выравнивание.
3, На пути пучка света от электрического фонарика к
фоторезистору на подставке устанавливают стеклянную кювету с
плоскопараллельными стенками. В кювету наливают чистую #о-
ду. Прозрачная вода пропускает свет почти без ослабления, и
фотореле держит цепь лампы разомкнутой.
Затем в воду с помощью пипетки постепенно вводят по
каплям чернила от авторучки. Фотореле реагирует на изменение
прозрачности воды и при некоторой определенной густоте
окраски подает световой сигнал.
Учащимся сообщают, что таким приемом можно
контролировать прозрачность воды в городском водопроводе, концентрацию
различных растворов.
4. Затемняют классную комнату настолько, чтобы от реле
зажглась сигнальная лампа. Затем освещают электрическим фо-
170
нариком блестящую поверхность пластинки из белой жести так,
чтобы отраженный от нее свет падал на фоторезистор.
Фотореле срабатывает и выключает сигнальную лампу.
После этого пластинку на том же месте поворачивают
обратной стороной, предварительно обработанной
крупнозернистой наждачной бумагой. От шероховатой поверхности на
фоторезистор падает значительно меньше света. Освещенность
оказывается недостаточной для срабатывания фотореле. Лампа,
включенная в исполнительную цепь, продолжает гореть,
сигнализируя о плохом качестве обработки поверхности.
5. Фоторезистор освещают дневным светом. Освещенность
фоторезистора должна быть достаточной, чтобы реле
удерживало цепь лампы разомкнутой. Затем классную комнату медленно
затемняют, закрывая окна шторами, и наблюдают за
установкой. По мере наступления темноты освещенность уменьшается,
фотореле срабатывает и включает лампу. Очевидно, лампа
будет гореть все время, пока не поднимут шторы; она гаснет
только с наступлением «рассвета». Опыт раскрывает принцип
действия автоматического включения уличного освещения.
В этом опыте сигнальную лампу следует установить так,
чтобы свет от нее не попадал непосредственно на фоторезистор.
6. Перед фоторезистором устанавливают сигнальную лампу,
включенную в исполнительную цепь реле. Свет от нее приводит
в действие реле, и лампа гаснет. Но в это время реле
перебрасывает свой якорь и снова включает лампу. Свет вспыхнувшей
лампы опять размыкает цепь питания. Частота мнганий зависит
от расстояния лампы до фотореле. Опыт раскрывает принцип
действия автоматического электробакена.
ОПЫТ Автоматический счет к сортировка
4j деталей с помощью фотореле
Оборудование: 1) фоторезистор ФС-Kl на подставке, 2)
поляризованное реле РП-5 на подставке, 3) батареи аккумуляторов —2 шт.,
4) модель конвейера, 5) электромагнитный счетчик, 6) модель для
сортировки деталей по прозрачности, 7) батареи для карманного фонаря — 2 шт.,
8) подъемный столик, 9) провода соединительные.
1. Для демонстрации автоматического счета деталей
собирают установку, показанную на рисунке 176. В нее входит
простейшее фотореле, подробно описанное в предыдущем опыте,
модель конвейера и электромагнитный счетчик.
Модель конвейера (рис. 177) представляет собой замкнутую
транспортерную ленту /, на которой на одинаковом расстоянии
друг от друга укреплены деревянные кубики 2. Лента с
кубиками надета иа два шкива 3 и 4, один из которых приводится в
движение электрическим микродвигателем 5. Вал электродвига-
471

Рнс. 176. Установка с фотореле для демонстрации автоматического
счета.
теля сцеплен с валом шкива с помощью червячной передачи 6.
Все детали конвейера смонтированы на стойке 7 с основанием S.
Сбоку конвейерной ленты укреплена электрическая лампа 9 на
3,5 в. Микродвигатель и лампа питаются от одной батареи 10.
Модель конвейера устанавливают на подъемном столике
перед фоторезистором так, чтобы пучок света, падающий на
фоторезистор от лампы-осветителя, полностью перекрывался
проходящим на конвейере
кубиком. К выходным
нормально
разомкнутым контактам
поляризованного реле
присоединяют
электромагнитный счетчик и
устанавливают его стрелки на
нуль'. Затем включают
питание
электромагнита счетчика (он
питается от отдельной
батареи).
Когда установка
подготовлена, включают ток
в цепь питания
электрического двигателя.
Лента конвейера приходит в
движение, и
одновременна в / но загорается лампа-
осветитель.
Рис. 177. Модель конвейера: вверху— Для того чтобы уча-
лицевая сторона; внизу — оборотная. щиеся смогли лучше по-
1 Вместо электромагнитного счетчика может быть применен
электронный счетчик-секундомер, изготовляемый заводом «Физэлектроприбор».
172
нять работу фотоэлектронного счетчика, конвейер заставляют
вначале двигаться медленно, притормаживая его рукой. При
медленном движении наблюдают, как каждый кубик-изделие
при своем движении пересекает пучок света, падающий от
лампы на фоторезистор. Фотореле срабатывает, замыкает цепь
питания электромагнита счетчика, и стрелка перемещается на
одно деление шкалы.
Далее конвейер пускают с полной скоростью и наблюдают
быстрый автоматический счет движущихся кубиков. Обращают
внимание на то, что вести устный счет кубиков теперь очень
трудно.
Для проверки правильности автоматического счета можно
рекомендовать следующий прием. Отметить один из кубиков
мелом и, медленно вращая ленту рукой, сосчитать все
находящиеся на ней кубики. Затем пустить установку с нормальной скот
ростью и, отсчитав на глаз несколько Оборотов ленты, вычислить
количество прошедших перед фоторезистором кубиков. После
этого сравнить полученное число с результатом, который будет
показан счетчиком.
2. На рисунке 178 представлена установка для демонстрации
сортировки деталей по прозрачности. Установка состоит из
простейшего фотореле и модели сортировки с шестью
цилиндриками одинакового размера и веса, отличающихся тем, что три из
них прозрачны, а три непрозрачны.
Модель для демонстрации автоматической сортировки
изделий по прозрачности имеет вверху желоб / с откидным
скатом 2. По всему желобу свободно могут двигаться сортируемые
цилиндрики. В середине желоба сделано прямоугольное
отверстие. В нормальном состоянии это отверстие закрыто
откидывающейся вниз пластинкой 3.. Пластинку удерживает якорь 4
электромагнита, расположенный под желобом, который вместе с
электромагнитом укреплен на вертикальной стойке прибора.
Рис. 178. Демонстрация автоматической сортировки деталей
по прозрачности.
173

В нижней части модели имеются два ящика-отсека, лицевые
стороны которых сделаны из стекла. В отсеках хранятся
сортируемые цилиндрики. Для вынимания цилиндриков отсеки с
противоположных сторон имеют откидные дверцы 5.
Сбоку желоба на некоторой высоте укреплена электрическая
лампа-осветитель 6, рассчитанная на 3,5 в. Лампа и обмотка
электромагнита присоединены к левой паре зажимов. На
приборе установлена вторая пара зажимов, соединенная
последовательно с обмоткой электромагнита.
Описанную выше модель устанавливают около
фоторезистора так, чтобы лампа-осветитель оказалась против
фоторезистора. Тогда цилиндрик, катящийся по лотку, целиком
перекрывает пучок света, падающий от лампы на фоторезистор.
Выходные контакты поляризованного реле соединяют с
входными гнездами прибора, а электромагнит с лампой-осветителем
питают от второй батареи аккумуляторов З-НКН-10.
Сосредоточив внимание учащихся на собранной установке,
приступают к демонстрации опыта. По желобу пускают один
за другим цилиндрики. Прозрачные проходят беспрепятственно
и, дойдя до края желоба, падают в правый отсек модели.
Темные же цилиндрики при движении загораживают на некоторое
время свет и приводят в действие фотореле. Фотореле замыкает
цепь электромагнита, якорь его освобождает откидную
пластинку в дне желоба, и темные цилиндрики проваливаются в левый
отсек модели. При этом под действием пружины пластинка
каждый раз закрывает отверстие в дне желоба, и якорь
электромагнита снова удерживает ее в горизонтальном положении.
К концу опыта все цилиндрические изделия оказываются
рассортированными по их прозрачности: слева собираются
темные, справа — прозрачные.
ОПЫТ Электронная и дырочная
42 электропроводность полупроводников
Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке,
2) гальванометр демонстрационный от вольтметра, 3) провода
соединительные, 4) нагреватель — электрический паяльник или спиртовка, 5) кинофильм
«Полупроводники н их применение в технике», 6) кинопроектор.
Для демонстрации двух видов электропроводности
примесных полупроводников берут полупроводниковый термоэлемент.
Вид электропроводности определяют по направлению термотока
в цепи. Опыт начинаюг с демонстрации электронной
проводимости,
Собирают установку по рисунку 179. Индикатором
термотока служит демонстрационный гальванометр с малым
внутренним сопротивлением (от вольтметра) и шкалой «5-0-5». Его
174
стрелку предварительно устанавливают на нуль шкалы с
помощью механического корректора, а сам прибор подключают к
термоэлементу так: зажим гальванометра со знаком « + » со*
единяют с нижним холодным концом полупроводника,
обладающего электронной проводимостью (с правым зажимом
термоэлемента), а второй зажим гальванометра — с верхним
концом полупроводника (средним зажимом термоэлемента).
Пока температура обоих концов полупроводника одинакова,
тока в цепи нет. Затем верхний конец полупроводника (к нему
припаяна медная пластинка) осторожно нагревают, например,
слегка разогретым электрическим паяльником. Стрелка
гальванометра отклоняется влево. По направлению тока легко
определить полярность концов включенного полупроводника. Провер-»
ка показывает, что ток в цепи идет от горячего конца
полупроводника к холодному. Следовательно, горячий конец
полупроводника зарядился положительно, а холодный — отрицательно.
По рисунку 180, который следует изобразить на классной
доске, учащимся объясняют, что такое явление возможно в том
случае, если основными носителями заряда в полупроводнике
являются электроны. Действительно, при нагревании
полупроводника за счет атомов примеси увеличивается число свободных
электронов. Эти электроны по законам диффузии начинают
перемещаться в полупроводнике в сторону холодного конца и
заряжают его отрицательно. Горячий конец при этом заряжается
положительно. Разделение зарядов приводит к образованию
электрического поля, под действием которого и создается термо-
ток в цепи.
Для демонстрации дырочной проводимости гальванометр
подключают к концам второго полупроводника термоэлемента,
причём нагретый конец полупроводника (средний зажим)
соединяют с тем же зажимом гальванометра, что и в первом случае
: е- е- е^tf
© <
'ис. 180. Схема движения
лектронов в полупроводнике
электронной проводимостью
ри нагревании одного конца.
176
Рис. 179. Демонстрация электронной
проводимости полупроводников.

z &~ ©~ о* %\.
z a- o~ o| г
ic. 182. Схема движения
дырок в полупроводнике с дыроч-
Рис. 181. Демонстрация дырочной ной проводимостью при нагре-
проводимости полупроводников. вании одного конца.
(рис. 181). Теперь стрелка гальванометра отклоняется в
правую сторону, несмотря на одинаковое включение гальванометра.
Обратное направление тока в цепи указывает на обратную
полярность концов полупроводника: горячий конец зарядился
отрицательно, а холодный — положительно. Значит, во втором
полупроводнике изменился знак носителей заряда. Теперь,
носителями заряда являются дырки, которые ведут себя
как.положительные заряды.
По ходу демонстрации дают объяснение второй части опыта
(рис. 182). На горячем конце полупроводника возникают
дополнительные свободные электроны. Но теперь освободившиеся
электроны захватываются атомами примеси и вновь теряют
возможность перемещаться и участвовать в проводимости. В то
же время в основных атомах полупроводника, из которых эти
электроны вырвались, остаются свободные места — дырки. Таких
дырок образуется больше в нагретом конце полупроводника.
Из соседних атомов на место образовавшихся дырок
переходят валентные электроны. Дырки в первых атомах
заполняются электронами, но зато они появляются в других атомах. В
результате таких своеобразных переходов электронов дырки
перемещаются от горячего конца к холодному и заряжают его
положительно; горячий же конец полупроводника заряжается
отрицательно.
В заключение необходимо подчеркнуть, что дырки не являюг-
ся реальными частицами; в обоих видах проводимости
полупроводников движутся только валентные электроны и никаких
других свободных зарядов в полупроводнике нет. Проводимости
отличаются друг от друга лишь механизмом движения электронов.
Электронная проводимость обусловлена направленным
движением свободных электронов, а дырочная вызвана движением
связанных электронов, которые переходят от атома к атому, по-
176
очередно замещают друг друга в связях, что эквивалентно
движению дырок в противоположном направлении. Фиктивная
частица-дырка вводится лишь для простоты описания сложного
процесса движения электронов в полупроводнике.
В разъяснении изучаемых явлений большую помощь может
оказать демонстрация учебного кинофильма «Полупроводники и
их применение в технике»1. Здесь следует показать второй и
третий фрагменты, которые называются соответственно
«Собственная проводимость полупроводников» и «Примесная проводи--
мость полупроводников».
ОПЫТ Односторонняя электропроводность
63 электронно-дырочного перехода
Оборудование: 1) диоды полупроводниковые на подставке, 2)
лабораторный прибор с полупроводниковым диодом, 3) гальванометр
демонстрационный от амперметра, 4) батарея аккумуляторов напряжением около
4 в, 5) реостат на 3000 ом и 0,3 а, 6) провода соединительные, 7) стенная
таблица 3 —«Диод», 8) кинофильм «Полупроводники и их применение в
технике», 9) кинопроектор.
Перед демонстрацией опыта учащимся следует дать понятие
об электронно-дырочных переходах и способах их получения, а
также рассмотреть физическую сущность процессов,
приводящих к образованию запирающего слоя.
Эти сведения необходимы для лучшего
понимания опыта.
После этого учащихся знакомят с
устройством полупроводникового диода
по таблице 3, где он представлен в
разрезе (рис. 183).
Полупроводниковый диод Д7Ж
состоит из монокристаллической
пластинки германия 6, обладающей электронной
проводимостью. В верхнюю часть
пластинки вплавлена капля индия 5, а
нижняя часть припаяна оловом 7 к
металлическому корпусу 4. В процессе
плавления атомы индия диффундировали
внутрь германия и образовали поверх-
постную область с дырочной
проводимостью. Остальная часть пластинки,
куда атомы индия не попали, осталась с
электронной проводимостью. В
результате в пластинке образовались две
резко разграниченные области с различным
5 6 7 U
Рис.
183. Конструкция
диода Д7Ж.
1 Автор сценария — Н. М. Ш а х м а е в, производство Ленинградской
киностудии научно-популярных фильмов, 1963 г
12 Заказ № €047 177

1-
I
1
I
I
Ф
я->ГЦ
h-
t.Sd
Рис. 184. Схема
демонстрационного омметра.
видом проводимости, т. е.
электронно-дырочный переход толщиной в
несколько микрон.
Пластинка германия помещена в
герметически закрытый сварной
металлический корпус 4, который
изолирует ее от атмосферного воздуха и
света, обеспечивая устойчивую
работу электронно-дырочного перехода
при изменении влажности
окружающей среды и давления. От пластинки
сделаны два вывода 3, причем один
из них проходит в металлической
трубке А изолированной от корпуса
стеклом 2.
Рассмотрев устройство диода, приступают к демонстрации
зависимости сопротивления его электронно-дырочного перехода
от полярности приложенного напряжения. Для этого сначала
собирают демонстрационный омметр по схеме, показанной на
рисунке 184, и с помощью реостата устанавливают в цепи ток
такой величины, чтобы стрелка гальванометра отклонилась до
последнего деления шкалы «0-Ю» (нуль омметра).
Затем в цепь омметра включают полупроводниковый диод
в проходном направлении, как показано на схеме пунктиром,
и получают установку, изображенную на рисунке 185. Омметр
показывает, что сопротивление диода в проходном направлении
мало.
По схеме (рис. 186, а) объясняют результаты этого опыта.
При действии внешнего электрического поля, направленного
от дырочного полупроводника к электронному, основные
носители заряда в каждом полупроводнике движутся к границе
раздела полупроводников и разрушают запирающий слой,
обогащая его свободными носителями заряда. Это приводит к умень-
Рнс. 185. Демонстрация односторонней проводимости
полупроводникового диода.
178
и,6 »
•700-800-500-400-300-200-100 О
<:'-
Рис. 186. Схема действия
полупроводникового диода:
Я —днод включен в направлении
пропускания тока; б —диод
включен в направлении запирания
тока.
Рис. 187. Вольт-амперная характеристик*
диода Д7Ж.
шению его сопротивления. Электрический ток, созданный
основными носителями заряда, называют прямым током диода.
После этого в прежней установке изменяют полярность
включения диода. Ток в цепи уменьшается почти до нуля. Это
указывает на значительное увеличение сопротивления запирающее
го слоя и. его одностороннюю электропроводность.
Выясняют причину этого явления. Свободные электроны в
электронном полупроводнике движутся теперь к
положительному полюсу источника тока, а дырки в дырочном полупровод*
нике — к отрицательному (рис. 186,6). В результате основные
носители заряда удаляются от границы полупроводников,
толщина запирающего слоя увеличивается и сопротивление его
возрастает. Лишь очень небольшой по величине ток, который
называют обратным током диода, поддерживается теперь
движением неосновных носителей заряда к границе полупроводников.
На схеме действия полупроводникового диода основные
носители заряда в каждом полупроводнике обозначены большими
кружочками, а неосновные носители заряда — маленькими.
Далее внимание учащихся обращают на вольт-амперную
характеристику диода (рис. 187). Из графика видно, что пря-
12*
17*

Рис. 188. Диод Д7Ж
на панели
(лабораторный прибор).
мой ток, начиная с некоторого значения,
зависит от напряжения почти линейно, а
обратный ток, наоборот, почти не
зависит от приложенного напряжения.
Следовательно, прямое сопротивление перехода
с повышением внешнего напряжения
вначале постепенно уменьшается, а затем
остается почти постоянным. Обратное
же сопротивление возрастает почти
пропорционально приложенному
напряжению.
В разъяснении физических процессов, совершающихся в
злектронно-дырочном переходе, большую помощь может оказать
учебный фильм «Полупроводники и их применение в технике».
Процесс образования электронно-дырочного перехода и его
основное свойство — униполярная проводимость — раскрываются в
четвертом фрагменте фильма.
Для подготовки учащихся к выполнению в практикуме
лабораторной работы «Снятие вольт-амперной характеристики
полупроводникового диода» необходимо пояснить устройство
лабораторного прибора (рис. 188) и порядок выполнения работы.
Выпрямление переменного тока
полупроводниковым диодом
ОПЫТ
64
Оборудование: 1) полупроводниковые диоды на подставке, 2)
трансформатор универсальный, 3) реостат на 3000 ом н 0,3 а, 4) гальванометр
демонстрационный от амперметра, 5) осциллограф школьный, 6) провода
соединительные.
Для демонстрации однополупериодного выпрямления
переменного тока собирают установку, как показано на рисунке 189.
Переменный ток берут от осветительной сети через школьный
универсальный трансформатор с катушками на 120 и 12 в. Кпо-
Рис 189. Демонстрация однополупериодного выпрямления
переменного тока полупроводниковым диодом.
Рис. 190. Схема однополупериодного выпрямления переменного
тока а; графики напряжения б и тока в во вторичной цепи.
ловине вторичной катушки трансформатора включаются
последовательно полупроводниковый диод, демонстрационный
гальванометр от амперметра и реостат, как показано на схеме
(рис. 190, а).
При замыкании первичной цепи трансформатора
гальванометр обнаруживает постоянный по направлению ток. Учащимся
объясняют, что под действием внешнего переменного
напряжения, график которого показан на рисунке 190, б, запирающий
слой полупроводникового диода «пульсирует»: меняется его
толщина и сопротивление. Это создает благоприятные условия
для прохождения электрического тока от дырочного
полупроводника к электронному (пропускное направление) и
неблагоприятные условия для прохождения тока в обратном направлен
нии. Иначе говоря, в течение одного полупериода ток проходит
через диод, в течение второго полупериода он становится
настолько слабым, что практически его можно не принимать во
внимание (рис.'190, в).
Затем в цепь вторичной катушки трансформатора включают
оба Диода (рис. 191.) и демонстрируют двухполупериодное вы-
Рис. 191. Демонстрация двухполупериодного выпрямления
переменного тока полупроводниковыми диодами.
181

Рис. 192. Схема двухполупериодного выпрямления переменного тока aj
график напряжения б и тока в во вторичной цепи.
прямление переменного тока. Установку собирают по
рисунку 192, где представлена схема а включения приборов, графики
напряжения б и тока в во вторичной цепи при двухполупериод-»
ном выпрямлении. При сборке установки левые зажимы диодов
соединяют с крайними зажимами вторичной катушки
трансформатора, а правые — замыкают накоротко. Между общей
точкой диодов и средним зажимом катушки трансформатора
включают демонстрационный гальванометр с нагрузочным
реостатом 3 ком. По сравнению с первым опытом ток в цепи
увеличивается примерно в два раза.
При наличии, в школе электронного осциллографа полезно
показать формы кривых выходных напряжений и
выпрямленных диодами токов. Установки для опытов остаются прежними
с той разницей, что из цепи убирается гальванометр и для
получения кривой напряжения осциллограф соединяют с
зажимами вторичной катушки трансформатора, а для наблюдения
кривых тока — с зажимами нагрузочного реостата.
В заключение отмечают основные преимущества
полупроводниковых диодов по сравнению с диодами с подогревным като-
дом: более длительный срок службы, большая механическая
прочность, значительно меньший вес и размеры и, наконец,
высокая экономичность. Эти преимущества обеспечили
полупроводниковым диодам широкое практическое применение в
различных областях современной техники.
ОПЫТ Действие полупроводникового
65 термоэлемента
Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке,
2) гальванометр демонстрационный от вольтметра, 3) нагреватель —
электрический паяльник или спиртовка. 4) провода соединительные, 5) стеииая
таблица 4 — «Термоэлемент», 6) кинофильм «Полупроводники и их
применение в технике», 7) кинопроектор.
183
В начале опыта учащихся кратко знакомят с устройством
полупроводникового термоэлемента. Показывают термоэлемент
в натуре, а затем его изображение на стенной таблице 4 (рис. 193).
Отмечают основные части: два полупроводниковых брусочка / н
3, различающихся видом проводимости, медную пластинку 2,
замыкающую верхние концы брусочков, и П-образные медные
пластины-радиаторы 4, предназначенные для отвода тепла и
поддержания необходимой разности температур при работе
термоэлемента.
Опыт демонстрируют в три приема. Вначале показывают
образование термоэлектродвижущей силы в паре проводник-
полупроводник с электронной проводимостью. Затем
образование термоэлектродвижущей силы в паре
проводник-полупроводник, обладающий дырочной проводимостью. И наконец, работу
термоэлемента, обе ветви которого представляют собой
полупроводники с различной проводимостью.
В первом случае пару составляют полупроводник
термоэлемента и медная пластинка, соединяющая верхние концы
полупроводников, вместе с медным проводом, идущим к среднему
зажиму (см. рис. 179). При нагревании верхнего спая
термоэлемента демонстрационный гальванометр обнаруживает тер-
моток. Величина его пропорциональна разности температур спаев
термоэлемента.
Обращают внимание на то, что у электронного
полупроводника и у медной пластинки горячие концы заряжаются
положительно, а холодные —отрицательно (рис. 194, а), так как в
обеих ветвях термоэлемента основными носителями заряда явля-,
ются свободные электроны. Но ток во внешней цепи, как
показывает гальванометр, идет от медной пластинки к полупроводнику.
Рис. 193.
Конструкция
полупроводникового термоэлемента.
у .
?
TdH
i
- -^э, t
r&-*
Рис. 194. Схема действия
термоэлемента:
а — из меди я л-полуороводяи»»! в —• *i
медн и р-полуороводянка.
1*3

Следовательно, холодный конец полупроводника имеет более
низкий потенциал, чем холодный конец медной пластинки.
Другими словами, разность потенциалов между горячим и
холодным концами полупроводника больше разности потенциалов на
концах, медной пластинки. Результирующее напряжение на
зажимах термоэлемента равно разности этих напряжений, так
как они действуют навстречу друг другу.
Во втором случае пару составляют верхняя медная пластинка
и дырочный полупроводник термоэлемента. Для обнаружен
ния возникающего напряжения к зажимам термоэлемента
подключают демонстрационный гальванометр так, чтобы
полупроводниковая ветвь термоэлемента была соединена с правым
зажимом гальванометра, а медная — с левым (см. рис. 181). При
нагревании верхнего спая термоэлемента стрелка
гальванометра отклоняется вправо, что указывает на обратное направление
тока в. цепи.
Холодный конец дырочного полупроводника приобрел поло*
жительный потенциал, а холодный конец меди по-прежнему
зарядился отрицательно (рис. 194, б). Результирующее
напряжение на зажимах термоэлемента равно сумме напряжений в
отдельных ветвях.
И наконец, в третьем случае напряжение на зажимах
термоэлемента измеряют гальванометром со шкалой «0-15», стрелку
которого перед измерением переводят на нуль новой шкалы
(рис. 196).
Опыт показывает, что результирующее напряжение на
зажимах полупроводникового термоэлемента представляет сумму
напряжений на отдельных ветвях, т. е. оно примерно в два
раза больше, чем напряжение у термоэлемента, состоящего из
меди и полупроводника при той же температуре горячего спая.
Медная пластинка, замыкающая горячие концы
полупроводников, не оказывает влияния на величину результирующей термо-
электродвижущей силы, так как
оба конца ее находятся при
одной и той же температуре.
Термоэлектрические явления
в полупроводниковом
термоэлементе объясняют
термодиффузией основных носителей заряда.
Для наглядности объяснения
можно воспользоваться таблицей 4,
где представлена схема его
действия (рис. 196). Кружочки со
знаком плюс обозначают дырки,
а кружочки со знаком минус —
Рнс. 195. Демонстрация действия свободные электроны,
полупроводникового термоэле- При нагревании верхнего спая
мента. термоэлемента носители заряда
184
в обоих полупроводниках (электроны
и дырки) начинают диффундировать
от горячего спая к холодному.
Направление термодиффузии основных
носителей заряда показано на схеме
стрелками, расположенными около
кружочков. Это перемещение зарядов
приводит к скоплению зарядов на концах
полупроводников: горячий конец
дырочного полупроводника заряжается
отрицательно," а холодный —
положительно. В электронном
полупроводнике картина иная: горячий конец
заряжается положительно, а холодный —
отрицательно: Такое распределение
зарядов влечет за собой образование
внутреннего электрического поля. По
мере возрастания этого поля
диффузия зарядов от горячего конца к
холодному замедляется, что в конце концов приводит к
установлению динамического равновесия: потоки зарядов от
горячих концов полупроводников к холодным и обратно
выравниваются. Возникшая при этом разность потенциалов на
зажимах естьтёрмоэлектродвижущая сила термоэлемента.
При объяснении принципа действия полупроводникового
термоэлемента следует демонстрировать пятый фрагмент учебного
кинофильма «Полупроводники и их применение в технике».
Рис. 196. Схема действия
полупроводникового
термоэлемента.
ОПЫТ Охлаждение и нагревание контакта двух.
66 полупроводников электрическим таком
Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке,
2) термометр электрический демонстрационный, 3) батарея аккумуляторов
напряжением около 4 в, 4) реостат на 4 ом, выдерживающий ток до 10 а,
5) выключатель демонстрационный, 6) провода соединительные.
Если через контакт двух полупроводников с разной провэ'
димостью пропустить постоянный электрический ток, то место
контакта охладится или нагреется в зависимости от
направления тока, в цепи. Это явление, названное термоэлектрическим
эффектом, не связано с обычным тепловым действием тока и
объясняется изменением энергии электронов при прохождении
их через границу двух.полупроводников.
Термоэлектрический эффект можно показать с помощью
термоэлемента, если через него пропустить постоянный
электрический ток от внешнего источника.
Для демонстрации опыта собирают установку, как показа-
185

Рис. 197. Установка и схема включения термоэлемента для демонстрации
охлаждения контакта двух полупроводников электрическим током.
но на рисунке 197. Термоэлемент включают через реостат на
10 а в цепь источника постоянного тока, например батареи
аккумуляторов, соединенных параллельно. Если емкость
аккумуляторов велика, то можно обойтись и одним аккумулятором. Для
демонстрации электрического охлаждения положительный полюс
источника тока соединяют с полупроводником, обладающим
электронной проводимостью, а отрицательный полюс — с
полупроводником дырочной проводимости. Температуру холодного
спая термоэлемента контролируют демонстрационным
электрическим термометром со шкалой 0—40° С.
Поскольку полупроводники обладают некоторым
сопротивлением, то они нагреваются током, что мешает охлаждению и
даже может свести этот эффект к нулю. Максимальное
охлаждение, которое может дать термоэлемент, получается только при
вполне определенной величине протекающего электрического
тока, зависящей от конструктивных особенностей
термоэлемента. В нашем опыте следует пропускать ток 9—10 а; тогда при
температуре окружающего воздуха в 20° С температура
холодного спая понижается до 8° С.
Для получения максимального перепада температуры на
спаях термоэлемента необходимо не только охлаждать горячий
спай, что происходит естественным способом с помощью медных
пластин, но и теплоизолировать холодный. Это можно сделать
с помощью кусочка ваты или пробки.
После показа электрического охлаждения изменяют
направление тока в цепи. Холодный спай при этом нагревается.
Опыт позволяет сделать вывод: если электрический ток идет
от электронного полупроводника к дырочному, то спай
охлаждается, при обратном направлении тока — нагревается.
186
-О
е-
Р п
—ч| +
о~
НЭ
ffr
Объяснить эти явления можно
следующим образом. В полупроводниках, из
которых сделан термоэлемент, основные
носители заряда (электроны и дырки)
обладают различной энергией, причем
энергия свободных электронов
электронного полупроводника больше энергии
связанных электронов дырочного
полупроводника. Поэтому, когда
электрический ток идет от электронного
полупроводника к дырочному (рис. 198, а),
электроны, переходя в электронный
полупроводник, увеличивают свою
энергию за счет внутренней энергии
контакта полупроводников. Это приводит к его
охлаждению. Другими словами,
электроны из связанного состояния переходят
в свободное состояние, в результате
чего образуются пары электрон-дырка,
которые под действием внешнего
электрического поля движутся в
противоположные стороны. На образование пары
электрон-дырка требуется некоторое количество энергии,
которая заимствуется из запаса энергии контакта
полупроводников.
При обратном направлении тока (рис. 198, б) электроны и
дырки движутся навстречу друг другу и в месте контакта ре-
комбинируются. Механизм этого процесса состоит в том, что
электроны из свободного состояния переходят в связанное ипрч
этом свою избыточную энергию отдают атомам дырочного
полупроводника, что приводит к нагреванию места контакта.
Термоэлектрический способ охлаждения получил практиче*
ское применение в различных охлаждающих устройствах: мнк-
рохолодильниках для научных целей, термостатах,
термоэлектрических гигрометрах и др.
Рис. 198. Схема
движения электронов и дырок:
а — в случае охлаждения
контакта двух
полупроводников электрически^ током;
б—в случае назревания
контакта.
ОПЫТ Действие полупроводникового
47 фотоэлемента
Оборудование: 1) фотоэлемент полупроводниковый на подставке,
2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) источник постоянного
тока напряжением около 1,5 в, 4) реостат на 3000 ом и 0,3 а, 5) лампа
электрическая на подставке, 6) шнур электрический с вилкой и провода
соединительные, 7) стенная таблица 5 —«Фотоэлемент».
Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с
устройством полупроводникового фотоэлемента по стенной таблице
«Фотоэлемент», где прибор изображен в разрезе (рис. 199).
,187

Селеновый фотоэлемент представляет
собой железную пластинку 2, покрытую
тонким слоем селена 3, обладающего
дырочной проводимостью. На поверхность
селена нанесен тонкий полупрозрачный слой
золота 4, В результате специальной
обработки часть атомов золота проникла в
селен и образовала в нем тонкий слой с
электронной проводимостью. На границе
двух слоев с различным типом
проводимости образовался электронно-дырочный
переход.
От железной пластинки и пленки
золота (на нее положено контактное кольцо /)
сделаны отводы к металлическим
зажимам 6. Фотоэлемент укреплен в круглом
пластмассовом корпусе 5".
Объясняя устройство вентильного фотоэлемента, следует
подчеркнуть его принципиальное сходство с устройством
полупроводникового диода: и тот и другой прибор имеют
электронно-дырочный переход. Для обнаружения этого перехода внача^
ле собирают цепь демонстрационного омметра, который
применялся раньше в опытах с диодом (см. рис. 184). Затем в цепь
омметра включают затемненный (его закрывают от света)
фотоэлемент: один раз— при одной полярности, второй раз —при
обратной (рис. 200).
По хорошо заметному изменению тока в цепи делают за-
ключение об односторонней проводимости фотоэлемента, т. е. о
наличии у него электронно-дырочного перехода.
После этого демонстрируют действие фотоэлемента.
Собирают установку по рисунку 201 и при дневном освещении обиа-
Рис. 199. Конструкция
селенового
фотоэлемента.
Рис. 200. Демонстрация электронно-дырочного перехода у
полупроводникового фотоэлемента.
188
Рис. 201. Демонстрация действия полупроводникового
фотоэлемента.
руживают по гальванометру появление слабого тока в цепи.
Затем фотоэлемент освещают электрической лампой.
Наблюдают, как по мере приближения лампы к фотоэлементу ток в
цепи увеличивается и стрелка гальванометра отклоняется на
всю шкалу. При затемнении фотоэлемента ток почти,
прекращается. Таким образом убеждаются, что полупроводниковый
фотоэлемент представляет собой источник тока, в котором энергия
света преобразуется непосредственно в электрическую.
Процесс возникновения фотоэлектродвижущей силы
объясняют по схеме (рис. 202), представленной на стенной таблице 5.
Под действием света в электронном полупроводнике происходит
интенсивное образование свободных носителей заряда, т. е.
электронов и дырок, которые, участвуя в тепловом движении,
перемещаются в различных направлениях,
в том числе и по направлению к
электронно-дырочному переходу.
Здесь под действием электрического
поля электронно-дырочного перехода
происходит разделение диффундирующих к
нему зарядов. Дырки, образующиеся в
электронном полупроводнике, переходят через
запирающий слой в дырочный
полупроводник и скапливаются в нем, электроны же
остаются в электронном полупроводнике и
заряжают его отрицательно.
Таким образом, образовавшиеся под
действием света пары разделяются:
электроны накапливаются в электронном
полупроводнике, а дырки — в дырочном.
Одновременно под действием
электрического поля электронно-дырочного
перехода из дырочного полупроводника в элект«
Рнс. 202. Схема
действия
.полупроводникового фотоэлемента.
189

№00 гооо зооо то sooo
Рис. 203. Зависимость э. д. с.
селенового фотоэлемента от
освещенности.
ронный полупроводник движутся
электроны. В результате наступает
динамическое равновесие между по-*
током дырок и электронов, В этот
момент между электродами
устанавливается некоторая разность
потенциалов, которая и представляет
собой фотоэлектродвижущую силу
фотоэлемента.
Само собой разумеется, что
величина фотозлектродвижущей
силы никогда не может быть больше
разности потенциалов
электрического поля электронно-дырочного
перехода. Поэтому при увеличении
освещенности фотоэлемента его э.д. с. вначале возрастает, а
затем достигает состояния насыщения. График этой зависимости
показан на рисунке 203.
Далее показывают работу фотоэлемента в фотодиодном
режиме с помощью установки, показанной на рисунке 200.
В цепь демонстрационного омметра включают
затемненный селеновый фотоэлемент так, чтобы на его
электронно-дырочный переход было подано обратное напряжение (не более
0,2 в). Демонстрационный гальванометр обнаруживает слабый
ток, обусловленный движением через электронно-дырочный
переход неосновных носителей звряда. Затем освещают
фотоэлемент и наблюдают резкое возрастание тока. Величина тока
зависит от интенсивности освещения.
Возрастание тока ъ цепи объясняют явлением
фотопроводимости, т. е. увеличением концентрации электронов и дырок. При
затемнении фотоэлемента ток в цепи почти прекращается: все
образовавшиеся дополнительные носители заряда рекомбиниру-
ются. Фотоэлемент, работающий в таком режиме, называют
фотодиодом. Как показывает опыт, чувствительность фотодиода
очень высока. Она значительно больше, чем у фотоэлемента.
Следует обратить внимание на то, что фотоэлемент,
работающий в фотодиодном режиме, не является уже генератором тока,
а ведет себя подобно фоторезистору, но в сравнении с ним
обладает значительно большей чувствительностью к свету.
Чувствительность фотодиода, как и фоторезистора, зависит от
величины приложенного напряжения.
ОПЫТ Электронно-дырочные переходы
68 транзистора
Оборудование: 1) транзистор на подставке, 2) гальванометр
демонстрационный от амперметра, 3) батарея аккумуляторов, 4) реостат на
30000 ом и 0,3'а, 5) провода соединительные, 6) стенная таблица 6
—«Транзистор».
190
Устройство
транзистора изучается по стенной
таблице, где прибор
показан в разрезе, а основ*
ные детали изображены
дополнительно крупным
планом (рис. 204).
Транзистор состоит
из тонкой
монокристаллической Шластинки
электронного германия
7, в которую с
противоположных сторон
вплавлены две капли индия 4
и 5 (пластинка
германия С двумя каплями ин- Рис- т- Конструкция транзистора П14.
дия изображена
дополнительно крупным планом).
Атомы индия проникли в электронный германий и изменили
вид его проводимости. В пластинке возникли три резко
разграниченные области с чередующейся проводимостью: две крайние
области (эмиттер и коллектор) имеют дырочную проводимость,
а средняя (база) —электронную проводимость. На границе этих
областей образовались два электронно-дырочных перехода:
эмиттерный и коллекторный. Каждый переход в отдельности
ведет себя как обычный полупроводниковый диод.
Пластинка германия припаяна оловом 3 к кристаллодер-
жателю 2. Вся конструкция заключена в металлический
корпус /. От каждой области германиевой пластинки-сделаны
выводы. Выводы от эмиттера 9 н коллектора 6 проходят в
стеклянных изоляторах 10, а вывод от базы 8 приварен к
корпусу транзистора. Последний вывод соединяется с областью ба- .
зы через кристаллодержатель, приваренный к корпусу
транзистора.
Таким образом, транзистор состоит из трех слоев
полупроводников, обладающих различным видом проводимости, причем два
слоя с одинаковой проводимостью всегда разделяются слоем с
другим видом проводимости.
Учащимся сообщают, что в зависимости от чередования
слоев транзисторы разделяются на два вида: р-п-р и п-р-п.
Далее показывают наличие в транзисторе типа р-п-р двух
электронно-дырочных переходов с помощью демонстрационного
омметра, собранного по указанной ранее схеме (см. рис. 184).
Общий вид установки представлен на рисунке 205.
Вначале в цепь демонстрационного омметра включают
эмиттерный переход. Положительный полюс источника тока
омметра соединяют с эмиттером, а отрицательный полюс —с базой'
(рис. 206,а). Стрелка гальванометра отклоняется почти на пол-
191

Рис. 205. Демонстрация электронно-дырочных
транзистора.
переходов
ную шкалу. Это указывает на малую величину сопротивления
перехода.
Затем полярность включения перехода изменяют на
обратную. Гальванометр не обнаруживает тока в цепи, что указывает
на одностороннюю электропроводность перехода. При этом
важно обратить внимание учащихся на полярность напряжения.
Далее в цепь омметра включают коллекторный переход
транзистора (рис. 206^ б) и, меняя полярность включения,
обнаруживают одностороннюю электропроводность коллекторного
перехода.
Когда базу транзистора соединяют с отрицательным
полюсом источника омметра, а коллектор — с положительным, то
коллекторный переход
включается в
пропускном направлении. При
обратной полярности
напряжения переход
включается в задирающем
направлении.
Показанный опыт
позволяет сделать вывод
о наличии у транзистора
двух
электронно-дырочных переходов. Для
обоих переходов
транзистора типа р-п-р
пропускным направлением
п ппс- г является такое, при ко-
Рис. 20о. Схема включения nenexnnnR *
транзистора в цепь демонстрационного ом Т0Р0М К ба3е„ поДкл1°че"
метра: отрицательный полюс ис-
о — эмяттерного; б -, коллекторного. ТОЧНИКа ТОКЭ, а К ЭМИТ-
192
геру и коллектору — положительный полюс. Транзистор
представляет собой как бы два диода, имеющих одну общую
область.
В этих выводах следует предостеречь учащихся от ошибки
представлять себе транзистор как простую совокупность двух
обычных полупроводниковых диодов, включенных
последовательно. Дело в том, что у транзистора ток коллекторного
перехода находится в прямой зависимости от величины тока,
протекающего через эмиттерный переход. У двух же отдельных
диодов при любой схеме их соединения ток в каждом из них
зависит только от величины и полярности приложенного к нему
напряжения и совсем не зависит от электрического состояния
другого диода.
ОПЫТ -Усилитель постоянного тока
69 на транзисторе
Оборудование: 1) транзистор на подставке, 2) лабораторный
прибор с транзистором, 3) фотоэлемент селеновый на подставке, 4) батарея
аккумуляторов, 5) лампа электрическая на подставке, 6) гальванометры
демонстрационные от амперметра — 2 шт., 7) провода соединительные,
8) стенная таблица б—«Транзистор».
Собирают установку по рисунку 207. Транзистор включают
в цепь по схеме с общим эмиттером. При таком способе
включения получают большое усиление по току, а схема является
аналогом схемы с электронной лампой.
ти
Рис. 207. Установка и схема включения транзистора для
демонстрации его усилительных свойств.
13 Заказ № 6047
193

Усиливаемый ток берут от полупроводникового
фотоэлемента. Его включают между эмиттером и базой транзистора:
положительный полюс соединяют с эмиттером, а отрицательный —
через демонстрационный гальванометр с базой транзистора.
При этом эмиттерный переход включается в проходном
направлении, и потому он оказывает небольшое сопротивление
току фотоэлемента.
Обратное напряжение на коллекторный переход транзистора
в схеме с общим эмиттером подается через эмиттерный переход.
Поэтому положительный полюс источника тока соединяют с
ямиттером, а отрицательный полюс подключают через второй
демонстрационный гальванометр к коллектору транзистора.
Сопротивление коллекторного перехода в режиме обратного
тока в тысячи раз больше сопротивления эмиттерного перехода,
включенного в пропускном направлении. Поэтому все
приложенное напряжение падает практически на высокоомном
коллекторном переходе транзистора.
Закончив сборку цепи, зажигают электрическую лампу и
пост епенно приближают ее к фотоэлементу. При едва заметных
отклонениях стрелки первого гальванометра наблюдают
отклонения стрелки второго гальванометра почти на всю шкалу.
Таким образом, опыт показывает, что коллекторный ток
транзистора управляется током базы и находится в прямой
зависимости от его величины. Изменение тока в цепи коллектора в
десятки раз превышает изменение тока в цепи базы.
Учащимся сообщают, что отношение изменения тока
коллектора к изменению тока базы при постоянном напряжении на
коллекторе представляет собой коэффициент усиления
транзистора по току ъ схеме с
общим эмиттером.
Объяснение физических
явлений, имеющих место при
работе транзистора, дают по
рисунку 208, изображенному
на стенной таблице.
Когда нет входного
сигнала (фотоэлемент не т)свеща«
ется), то начальный ток
коллектора очень мал. Это обь-
ясняется тем, что
коллекторный переход транзистора
включен в запирающем
направлении и его сопротивле-
иие велико.
При освещении
фотоэлемента на эмиттерный переход
подается прямое напряжение
Рис. 208. Схема действия транзистора, и в цепи эмиттер-база возника-
194
ет электрический ток. Этот ток называют током эмиттера и
обозначают /а. Он в основном состоит из дырок (восемь
кружочков со знаками плюс и стрелками вверх), переходящих из
эмиттера в базу, и небольшого количества электронов (три кружочка со
знаками минус и стрелками вниз), Движущихся в обратном
направлении— из базы в эмиттер. Такое распределение со
значительным преобладанием дырок объясняется тем, что эмиттер
имеет во много раз большее количество дырок, чем база
электронов.
Одновременно с инжекцией дырок в базу во внешнюю цепь
из эмиттера уходит соответствующее количество электронов
(восемь кружочков со знаком минус и стрелками вниз). Уход
электронов приводит к образованию в эмиттере новых, дырок и
потому количество их не убывает.
Впрыснутые же в базу дырки движутся далее к
коллекторному переходу. Это движение происходит главным образом в
результате избытка их около эмиттерного перехода, а также
под действием слабого электрического поля между эмиттером
и коллектором транзистора.
За время движения в области базы (тысячные доли секунды)
часть дырок успевает рекомбинироваться с электронами базы
(рекомбинация показана тремя крестиками). Частичная убыль
электронов в базе пополняется притоком их из внешней цепи,
т. е. со стороны фотоэлемента, что создает ток, который
называют током базы и обозначают /б. Благодаря малой толщине
базы (меньше длины диффузионного смещения носителей
заряда) и небольшой концентрации в ней свободных электронов
большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и
под действием электрического поля этого перехода втягивается
в область коллектора. Здесь дырки рекомбинируются со
свободными электронами, приходящими из внешней цепи
(рекомбинация показана пятью крестиками). Движение этих электронов
есть ток коллектора /к.
Таким образом, если до подачи импульса сопротивление
коллекторного перехода, включенного в запирающем направлении-,
было велико, то, после того как в зону этого перехода
проникают впрыснутые эмиттером дырки, сопротивление перехода
резко снижается. Это и приводит к увеличению тока в цепи
коллектора.
Величина тока коллектора, как это следует из объяснения
действия транзистора, немного меньше тока эмиттера за счет
рекомбинации части дырок с электронами базы, но в то же
время ток коллектора значительно больше тока базы. Эти токи
связаны между собой следующей зависимостью:
После объяснения принципа действия транзистора учащимся
показывают зависимость коллекторного тока от величины на-
13* 195

Рис. 209.
Транзистор на панели
(лабораторный
прибор).
пряжения на коллекторе. С этой целью
изменяют напряжение источника питания,
включая одну, две и, наконец, три банки
аккумуляторов. При этом ток базы
поддерживают неизменным, регулируя
освещенность фотоэлемента. Изменение
напряжения на коллекторе, как показывает
опыт, почти не меняет величину тока
коллектора.
Для уточнения изучаемой зависимости
и подготовки учащихся к лабораторной
работе «Изучение полупроводникового
триода» показывают лабораторный прибор
(рис. 209) и два графика (рис. 210) из стенной таблицы 6.
Графики показывают, что ток коллектора при постоянном
значении тока базы (0,05 ма и 0,1 ма) практически перестает
зависеть от напряжения на коллекторе, начиная с напряжения
0,5—1 в. В связи с этим отмечают, что транзистор может
работать при весьма низком напряжении питания,
непревышающем 1 в.
Пользуясь выходными характеристиками транзистора,
можно ознакомить учащихся с графическим методом определения
коэффициента усиления по току, когда транзистор включен по
схеме с общим эмиттером. При заданном напряжении на
коллекторе по графикам определяют значения коллекторных токов
при двух значениях тока базы, а затем берут отношение
разности значений токов коллектора к разности значений токов
базы и получают коэффициент усиления по току.
На указанной выше таблице приведены еще два графика
(рис. 211), на которые также следует обратить внимание. Эти
графики выражают зависимость тока базы от напряжения на
базе при различных напряжениях на коллекторе (0 и 5 в) н
М
Us. 8
5 -В
0,05 -0.1 -0.15-0,20-0.25-0,3
Рис. 210. Выходные
характеристики транзистора П14.
Рис. 211. Входные характеристики
транзистора П14.
196
показывают, что ток базы при малых напряжениях теряет
линейную зависимость. Это позволяет сделать важный
практический вывод: для получения неискаженного усиления на базу
транзистора необходимо подавать постоянное напряжение
смещения порядка 0,15—0,25 в. Дополнительное смещение
увеличивает коэффициент усиления транзистора.
В заключение отмечают достоинства транзисторов: высокий
коэффициент полезного действия (до 50%, в то время как у
вакуумных ламп он меньше 1%), низкие напряжения питания,
отсутствие накальных цепей, малые размеры, большая
механическая прочность, надежность в работе, большой срок службы.
ОПЫТ Генератор звуковой частоты
70 на транзисторе
Оборудование: 1) транзистор на подставке, 2) трансформатор
универсальный с катушками на 220 в и 12 в, 3) конденсатор постоянной
емкости 0,5—1 мкф, 4) батарея аккумуляторов, 5) фотоэлемент селеновый,
8) лампа электрическая мощностью до 100 вт, 7) реостат на 3000 ом и 0,3 а,
8) выключатель демонстрационный, 9) громкоговоритель трансляционный
мощностью 0,25 вт, 10) провода соединительные.
Для демонстрации опыта подготавливают установку,
показанную на рисунке 212.
Из методических соображений генератор собирают с
индуктивной обратной связью, причем колебательный контур
включают в цепь коллектора, а катушку обратной связи в цепь базы
транзистора. При таком включении схема генератора на
транзисторе аналогична схеме лампового генератора, с которым уча.
щихся обычно знакомят в курсе физики 1.
Колебательный контур собирают из катушки
трансформатора на 220 в и конденсатора емкостью 0,5—1 мкф2. Вторичная
катушка трансформатора на 12 в (6+6) служит катушкой
обратной связи. Ее включают в цепь эмиттер-база транзистора
и индуктивно связывают с контурной катушкой посредством
сердечника трансформатора. Параллельно колебательному
контуру включают трансляционный громкоговоритель с
трансформатором.
Питают генератор от источника постоянного тока
напряжением 4—5 в. Для нормальной работы генератора на базу
транзистора подают (через катушку обратной связи) напряжение
смещения с помощью потенциометра.
Объяснив подготовленную установку, приступают к
демонстрации действия генератора. Ползунок реостата ставят в-край-
1 Если учащиеся недостаточно подготовлены, то этот опыт переносится
в тему «Электромагнитные колебания. Переменный ток».
2 Генератор может 'работать н без конденсатора за счет собственной
емкости катушки контура!
-197

Рис. 212. Установка и схема звукового генератора.
нее положение (ближе к положительному полюсу источника
тока) и замыкают цепь. Затем ползунок немного сдвигают влево
и наблюдают возникновение звуковых колебаний'. Плавным
изменением смещения на базе удается получить колебания в
некотором диапазоне звуковых частот.
Далее показывают зависимость частоты колебаний от
индуктивности катушки контура. Для этого перемещают
перемычку сердечника трансформатора и наблюдают изменение высоты
тона.
Объясняют учащимся принцип работы генератора. При
замыкании цепи возникает коллекторный ток транзистора,
который заряжает конденсатор колебательного контура. От первого
толчка тока в контуре начинаются свободные электрические
колебания.
Переменный ток, проходящий через катушку контура,
индуцирует переменный ток в катушке обратной связи, который
течет через эмиттерный переход транзистора.
В первый полупериод колебания, когда эмиттерный переход
включается в проходном направлении, в коллекторной цепи
транзистора течет ток. Этот ток совпадает по направлению с
током в катушке контура. В результате ток в катушке
увеличивается и конденсатор подзаряжается, т. е. компенсируются
потери энергии в контуре.
В следующий полупериод, когда ток в контуре изменит
направление, эмиттерный переход включается в непроходном
направлении, что приводит к исчезновению тока в коллекторе, т. е.
запиранию транзистора. Колебательный контур в течение по-
1 При отсутствии самовозбуждения генератора необходимо поменять
концы проводов, идущих к катушке обратной связи.
198
лупериода отключается от источника тока. В следующий полу-,
период процесс повторяется.
Для того чтобы колебания, возникшие в контуре после
замыкания коллекторной цепи, превратились в незатухающие,
необходимо, чтобы коллекторный ток транзистора совпадал по фазе
с током свободных колебаний в контуре. В противном случае
колебания быстро затухнут и никакого самовозбуждения не
получится.
Принцип работы генератора с самовозбуждением
фактически мало отличается от принципа работы усилителя
переменного тока.
Колебания, возникшие в контуре, с помощью обратной связи
подаются на управляющий эмиттерный переход транзистора,
усиливаются транзистором и снова через обратную связь
подаются на вход транзистора, снова усиливаются и т. д. Амплитуда
колебаний возрастает, пока не дойдет до известного предела.
Как видно, генератор с самовозбуждением является
усилителем собственных колебаний.
Следует отметить, что генераторы на транзисторах обладают
высоким коэффициентом полезного действия и могут работать
от маломощных источников питания при чрезвычайно низких
напряжениях на коллекторе. В качестве примера учащимся
показывают работу генератора от одного селенового фотоэлемента.
Для этого фотоэлемент включают в цепь генератора вместо
батареи аккумуляторов и освещают электрической лампой с
расстояния 10—20 см. В громкоговорителе возникает звук,
высота тона которого зависит от степени освещенности
фотоэлемента. Ползунок реостата при этом должен находиться ближе
к концу, соединенному с отрицательным зажимом фотоэлемента.,
ОПЫТ Преобразование сигналов изменения
7<1 температуры и освещенности
в электрические колебания
Оборудование: "1) генератор звуковой частоты на транзисторе,
2) термистор ММТ-4 на подставке, 3) фоторезистор ФС-К1 иа подставке,
4) громкоговоритель типа 1ГД-5, 5) батарея аккумуляторов, 6) лампа
электрическая на подставке со шнуром и вилкой, 7) провода соединительные.
Для современного развития автоматики и телемеханики
характерным является широкое применение электрических
способов измерений неэлектрических величин (давления, скорости,
температуры и т. д.).
В таких измерениях неэлектрические величины
преобразуются в электрические при помощи различных преобразователей.
Среди них распространены и полупроводниковые приборы.
Для демонстрации опыта берут простейший звуковой
генератор на транзисторе П202, внешний вид и схема которого по-
199

казаны на рисунке 213. Трансформатор, включенный в
коллекторную цепь транзистора, имеет следующие данные: катушка
контура L] содержит 300 витков, катушка обратной связи
L2 — 250 витков и выходная катушка Ы—100 витков.
Катушки L] и L2 намотаны проводом ПЭЛ-0,15, катушка L3~
ПЭЛ-0,41. Сердечник трансформатора собран из железа типа
Ш-10, толщина набора— 10 мм.
С помощью переменного резистора /?£ производится плавное
изменение частоты генератора в диапазоне 100—3000 гц.
Постоянный резистор R\ служит для ограничения величины
отрицательного напряжения, подаваемого на базу транзистора.
Зажимы /, 2, 3, 4 служат для включения различных
датчиков: фотоэлемента (зажимы 1 п 2), термистора и
фоторезистора (зажимы 3 и 4), зажимы 5 и 8— для включения источника
питания на 4 в, зажимы 6 и 7 — для включения
громкоговорителя типа 1ГД-5. Зажимы 2 и 3 могут быть замкнуты
перемычкой, показанной на схеме пунктиром.
Все детали генератора смонтированы на панели, снабженной
стержнем, с помощью которого прибор устанавливается на
подставке.
Прибор может выполнять функции генератора, модулятора и
усилителя постоянного тока !.
^+48
Рис. 213. Звуковой генератор на паяели и его схема.
1 См.: В. А. Буров. Демонстрационный звуковой генератор. «Физика в
школе», 1965,- № 3, стр. 57—60.
200'
Рис. 214. Звуковой генератор с датчиком температуры.
Вначале учащимся демонстрируют работу генератора без
датчиков. Для этого замыкают цепь обратной связи перемычкой,
на выход включают электродинамический громкоговоритель и
подают питание от источника постоянного тока напряжением
около 4 в. Возникает достаточно громкий, хорошо слышимый для
всех учащихся звук определенного тона. Частоту генерируемых
колебаний изменяют с помощью переменного резистора и
демонстрируют звуки различного тона в довольно широких
пределах.
После этого в цепь обратной связи генератора включают
термистор, как показано на рисунке 214. Осторожно нагревают
термистор спичкой и демонстрируют хорошо заметное
изменение высоты тона звука.
Затем па вход генератора включают фоторезистор.
Изменяют его освещенность с помощью электрической лампы и снова
наблюдают изменение частоты звуковых колебаний.
Таким образом, оказывается, что об изменении температуры
или освещенности можно судить по изменению высоты тона
звука.
О П Ы Т
Принцип радиотелеметрии
Оборудование: 1) звуковой генератор на транзисторе, 2) генератор
УВЧ демонстрационный, 3) выпрямитель ВУП-1, 4) батарея аккумуляторов,
5) детекторный приемник к генератору УВЧ, 6) громкоговоритель
трансляционный мощностью 0,25 вт, 7) термистор ММТ-4 на подставке, 8)
фоторезистор ФС-К1 на подставке, 9) лампа электрическая на подставке со
шнуром и вилкой, 10) провода соединительные.
В современной автоматике и телемеханике получили широкое
применение радиотелеметрические методы наблюдений физиче-
261

Рис. 215. Установка для демонстрации принципа
радиотелеметрического измерения освещенности.
ских явлений и измерения различных физических величин.
В частности, такими методами осуществляется контроль
состояния управляющих систем искусственных спутников Земли,
космических ракет, а также передача с них на Землю
результатов различных научных измерений.
В школьных условиях простейшую демонстрацию по
радиотелеметрии можно осуществить с помощью генератора звуковой
частоты и генератора УВЧ.
0^$
Рис. 216. Схема соединения звукового генератора с генератором УВЧ.
202
Рис. 217. Детекторный радиоприемник.
На демонстрационном столе собирают установку, как
показано на рисунке 215. Выход звукового генератора, подробно
описанного в предыдущем опыте, соединяют с модуляционным
входом генератора УВЧ (рис. 216). Первый генератор питают
от источника постоянного тока Напряжением около 4 в, а
второй от универсального выпрямителя напряжением 300 е.
На вход звукового генератора включают датчик температуры
(термистор) или датчик освещенности (фоторезйстор). На
расстоянии нескольких метров от генератора, расположенного на
демонстрационном столе, устанавливают приемный диполь с
детектором и трансляционным громкоговорителем (рис. 217) и
настраивают приемник. При правильной настройке и ориентировке
антенн-диполей в громкоговорителе будет хорошо слышен звук
какого-либо одного тона.
Затем нагревают термистор спичкой (или изменяют
освещенность фоторезистора лампой) и на слух воспринимают
изменение звуковой частоты. Таким образом, о всяком изменении
температуры или освещенности можно судить по высоте тона звука
в приемнике.
Для объяснения опыта на доске вычерчивают блок-схему
системы радиотелеметрии (рис. 218) и поясняют назначение ее
отдельных элементов.
Изменение температуры или освещенности вызывает
изменение сопротивления датчика. Сигнал от датчика поступает на
преобразователь (звуковой генератор) и превращается в элект-
Датчик
W*>
^yipeoo~pa\Anepetam\-
юватель чин
■ЛПриеп-
ник

Преобразователь
У к аза -
тель
Рис. 218. Блок-схема системы радиотелеметрии.
203

рические колебания звуковой частоты, которые далее
поступают в передатчик и модулируют его высокочастотные колебания.
На приемном пункте сигналы принимаются антенной и
преобразуются детектором, выделяющим звуковую частоту, которая
затем воспроизводится громкоговорителем, выполняющим
согласно схеме роль указателя.
§ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
ОПЫТ Сравнение электропроводности воды
73 и растворов соли и кислоты
Оборудование: 1) панелька с двумя электродами, 2) стаканы
химические^ с дистиллированной водой —3 шт., 3) соль поваренная и песок
сахарный—5—10 г, 4) раствор серной кислоты в пробирке, 5) лампа
электрическая 15—25 ет, 127 в, иа подставке, 6) пипетка, 7) штатив
универсальный, 8) палочка стеклянная, 9) провода соединительные, 10) проводник
соединительный на изолирующей ручке.
Собирают установку по рисунку 219. Панельку с двумя
электродами из алюминиевой проволоки диаметром 4 мм зажимают
в лапке штатива. Электроды соединяют последовательно с
лампой накаливания и включают в сеть переменного тока с
напряжением 127 е.
Сначала помещают электроды в стакан с дистиллированной
водой и обнаруживают, что лампа не светится.
Дистиллированная вода не проводит электрический ток. Чтобы убедиться, что
на электродах имеется напряжение, соединяют их при помощи
проводника на изолирующей ручке. Лампа загорается.
Рис. 219. Сравнение электропроводности воды и растворов солн
и кислоты.
204
После этого растворяют в воде немного поваренной соли и
наблюдают появление свечения лампы, сначала слабое, а по
мере добавления соли более яркое.
Затем демонстрируют электропроводность раствора
кислоты. Для этого берут другой стакан с чистой дистиллированной,
водой и, добавляя по каплям из пипетки раствор серной
кислоты, демонстрируют, как постепенно лампа начинает
светиться все ярче. Опыт показывает, что с увеличением
концентрации раствора увеличивается число диссоциированных
молекул или ионов, т. е. растет число носителей электричества.
Однако не вес растворенные в воде вещества диссоциируют.
Чтобы убедиться в этом, в третьем стакане с дистиллированной
водой растворяют 1—2 чайные ложки сахара и наблюдают за
лампой, которая в продолжении всего опыта не загорается.
Наконец, демонстрируют слабую электропроводность
обычной питьевой воды, в которой всегда имеется небольшое
количество растворенных солей.
ОПЫТ
Движение ионов в электрическом поле
74
Оборудование: 1) пластинка стеклянная 120x150 мм на штативе,
2) два электрода с пружинящими зажимами, 3) выпрямитель ВУП-1, 4)
бумага фильтровальная, 5) электролиты: раствор поваренной соли в плоской
кювете и аммиачный раствор хромата меди в пробирке, 6) осветитель для
теневой проекции, 7) провода соединительные.
Опыт имеет целью показать одновременное движение как
положительно, так и отрицательно заряженных ионов в
электрическом поле. Для этого наиболее подходящим электролитом
является применяемый проф. Ю. В. Ходаковым аммиачный
раствор хромата меди [Си(ЫН3)4]Сг04'. В растворе эта
комплексная соль диссоциирует на положительно заряженные ионы меди
Cu(NH3)4++ темно-синего цвета и отрицательно заряженные
ионы кислотного остатка CrO-i""", имеющие желтую окраску.
Если хромата меди нет, то можно приготовить раствор этой
соли, как указывает проф. В. Н. Верховский 2. К насыщенному
раствору хлорной меди приливают насыщенный раствор
хромата калия. Выпадающий осадок растворяют в 25-процентном
растворе аммиака, прибавляя его небольшими порциями до
исчезновения осадка.
1 См.: Ю. В. Хода ков. Общая и неорганическая химия. М., Учпедгиз,
1959.
* См.: В. Н. Верховский. Техника и методика химического
эксперимента в школе, т. П, М., Учпедгиз, 1960.
209

Ill
Р»й 220. Движение ионов в
электрическом поле.
Для демонстрации опы«
та собирают установку по
рисунку 220. На
стеклянную пластинку /, укреплен*
ную в лапке штатива,
накладывают
фильтровальную бумагу 2, смоченную
в растворе поваренной
соли. Затем берут узкую
полоску фильтровальной
бумаги (лучше в несколько
слоев) и, смочив ее в
растворе комплексной соли,по<
мещают посередине фильт«
ровальной бумаги 3.
Справа и слева на
бумаге закрепляют электроды
4 с пружинящими зажимами, которые соединяют с
универсальным выпрямителем (зажимы ±250 б).
Включив выпрямитель и установив с помощью ручки
потенциометра почти полное напряжение 250 в, обращают
внимание учащихся, как от средней полоски, имеющей зеленую
окраску, постепенно начинает распространяться в сторону анода
желтой полосой отрицательно заряженные ионы СгСЦ—, а в сторону
катода — синим фронтом положительно заряженные ионы
Cu(NH3)4++.
Менее выразительно описанный опыт можно
продемонстрировать на той же установке, воспользовавшись
распространенными в физических кабинетах растворами медного купороса
CuSCu и двухромовокислого калия К2СГ2О7. -В -этом случае-^а
фильтровальную бумагу, пропитанную раствором поваленной
^соли, наклад'ывают две узкие"полоскй~фильтр"овальной бумаги,"
'одну, смоченную в растворе CuSO*, а другую —в растворе
К2СГ2О7. Эти полоски поджимают под электроды: с медным ку-
> "поросом —^"анбда, а' с^дву^ромовокислым калием — у катода,
' TTpji Ш^^чещй2]нЗапряжеййя"_ уж^'через,* несколько секунд
наблюдается перемещение хорошо заметной желтой^ п8лосы _дт к.а-
^рр^ЛЖШГ^Ш^ТШй^^Ц'0^ синей —"от анода к,катоду,
"" Обращают внимание учащихся, что ширина окрашйшь1х'по-
лос,"~^об£а1овавйшсся" за определенное время наб^людйшя,' "не
одинаковая; это позббляёт сделать заключение о разной
скорости движения различных ионов.
"1' »&шбьц улучшить условия наблюдения за распространением
цветных. полоспгпти^Шё^ТртУлТйзё, no?iefM'TM04eHHyio бумагу на
стеклянной пластинке * подсветить, воспользовавшись
осветителем для теневой проекцШДр.ис. 220)Г.Еа-можно укр.епить на
."штативе, ншж^б Тбоку" и снизу, чтобы .прямой свет не попадал
в глаза учащихся.
V
206
ОПЫТ Изменение сопротивления электролитов
75 при нагревании
Оборудование: 1) панелька с двумя электродами из алюминиевой
проволоки, 2) стаканчик химический с подкисленной водой, 3) лампа
электрическая 15—25 вт, 127 в на подставке, 4) штатив универсальный, 5)
газовая горелка или спиртовка, 6) провода соединительные.
Собирают установку, как изображено на рисунке 219, и
включают ток. Воду в стакане заранее подкисляют (пускают
несколько капель серной кислоты) так, чтобы при погружении в нее
электродов волосок лампы слегка накаливался.
После этого подставляют под стакан зажженную газовую
горелку или спиртовку (при небольшом стаканчике) и
наблюдают, как по мере нагревания электролита лампа начинает все
ярче светиться.
Таким образом, опыт показывает, что сопротивление
электролита с повышением температуры уменьшается
(электропроводность увеличивается). Объясняют наблюдаемое явление
усилением при нагревании процесса диссоциации и увеличением
подвижности 'ионов вследствие уменьшения вязкости жидкости.
ОПЫТ Электропроводность стекла
75 при нагревании
Оборудование: 1) стеклянная палочка или трубка длиной 10 —
!5 см, диаметром 5—7 мм, 2) лампа электрическая 100—150 вт, 127 в на
подставке, 3) штатив универсальный, 4) горелка газовая нли спиртовка,
5) два куска медной проволоки диаметром 1—1,5 мм, 6) провода
соединительные.
Чтобы продемонстрировать электропроводность стекла
(твердый электролит) при размягчении, собирают установку по
рисунку 221. На стеклянную палочку плотно навивают в двух
местах медную проволоку по 4—5 витков. Между спиралями
оставляют пространство „ в 10—15 мм. Свободные концы проволок
соединяют через лампу накаливания с осветительной' сетью и
обращают внимание учащихся, что лампа при этом не горит.
Стекло при обычной температуре является хорошим изолятором.
После этого постепенно прогревают стеклянную палочку в
промежутке между навитыми проволоками и доводят ее до
красного каления. Обращают внимание, что палочка
размягчается (она прогибается под действием собственной тяжести) и
лампа начинает светиться, указывая на электропроводность
стекла в таком состоянии.
Придерживая свободный конец стеклянной палочки рукой,
отставляют горелку. Однако стекло не остывает. Теперь оно
разогревается проходящим через него током. Аккуратно вытя^-
207

Рис. 221. Электропроводность стекла при его нагревании.
гивая или сжимая размягченную палочку, можно поддержизать
горение лампы в течение длительного времени.
Объясняют наблюдаемое явление ионной проводимостью
стекла при его расплавлении,
ОПЫТ Электролиз подкисленной воды.
77 Законы Фарадея
Оборудование: 1) газовый вольтаметр, 2) амперметр
демонстрационный с шунтом на 1 а, 3) часы, 4) соединительные провода, 5) метр
демонстрационный, 6) спички.
Газовый вольтаметр (прибор Гофмана), предназначенный
для электролиза воды, состоит из трех сообщающихся трубок
(рис. 222). Две из них имеют вверху притертые краны /, а
третья — воронку шарообразной формы 2. Электроды 3 из
платинита впаяны внизу трубок, предназначенных для собирания
газов. От электродов сделаны выводы к винтовым зажимам,
установленным на основании прибора для подключения к источнику
постоянного тока.
Через шарообразную воронку наливают в прибор при
открытых кранах подкисленную воду (10—15-процентный раствор
H2SO4) так, чтобы она заполнила обе трубки до кранов, после
чего краны закрывают и подключают прибор через амперметр к
источнику постоянного тока — выпрямителю
электрораспределительного щита. На этом заканчивается подготовка прибора.
Устанавливают величину тока приблизительно 0,4—0,5 а и
одновременно с включением электрической цепи замечают
время по часам. Когда на катоде соберется приблизительно
2/зтрубки водорода, ток выключают и отмечают время окончания опы-
208
Рис. 222.
Демонстрация электролиза
подкисленной воды.
та. Обращают внимание,
что кислорода на аноде
получается в два раза
меньше.
После этого
исследуют образовавшиеся
газы. Осторожно
приоткрывая кран, выпускают
водород в опрокинутую
над краном пробирку.
Затем подносят снизу
пробирки горящую
спичку и сжигают водород,
который в смеси с
кислородом воздуха
образует гремучий газ и
взрывается с резким
хлопком. Кислород
выпускают из крана слабой
струей на тлеющую лучинку;
она при этом ярко
вспыхивает.
После этого повторя-
ряют опыт при токе, в два раза меньшем, и убеждаются, что
за то же время выделившиеся количества газов уменьшились
пропорционально величине заряда, протекшего через
электролит m~q.
Сравнивая объемы водорода и кислорода, находят, что
выделившиеся массы их относятся как 1 :8, что пропорционально
их химическим эквивалентам
п
При работе с прибором следует иметь в виду, что для более
правильного количественного соотношения в объемах
получаемых газов необходимо в начале опыта пропустить через прибор
небольшой ток, чтобы вода была несколько насыщена
кислородом, привести прибор в начальное состояние и после этого
производить опыт. По окончании опыта измеряют объемы не
сразу, а выжидают некоторое время, чтобы пузырьки газов все
поднялись кверху.
ОПЫТ
78
Электролиз раствора медного купороса
Оборудование: 1) вольтаметр с двумя угольными и медными
электродами и раствором медного купороса, 2) батарея аккумуляторов
З-НК.Н-10, 3) ванна для проекции на стержне и вставка к ней с двумя
медными электродами, 4) проекционный аппарат, 5) выключатель
демонстрационный, 6) провода соединительные.
14 Заказ № 6047 < 209

Сначала показывают
учащимся два черных угольных
стержня, которые
погружаются в водный раствор
медного купороса
вольтаметра. Затем собирают
простую электрическую цепь
из вольтаметра, ключа и
батареи аккумуляторов
(рис. 223). При этом следят
за тем, чтобы хорошо было
видно присоединение поло-
Рис. 223. Демонстрация выделения меди ЖИТельного полюса ИСТОЧНИ-
xita угольном катоде. ка ТОКа К ОДНОМу угОЛЬНО-
»Ц му стержню, а
отрицательного—к другому.
Включают ток на 25—30 сек, после чего вынимают
электроды и показывают их учащимся. На катоде хорошо будет виден
розоватый налет меди.
Переменив местами электроды на вставке, вновь включают
ток: Через короткое время показывают, что электрод, ранее
покрытый медью, очистился, а второй покрылся медью.
Поясняют, что металл всегда выделяется на электроде,
соединенном с отрицательным полюсом источника тока, т. е. на
катоде.
После опыта угольный электрод, покрытый медью, включают
в цепь так, чтобы он служил анодом, а в качестве катода
вставляют медный электрод. Через некоторое-время после замыкания
рубильника угольный электрод полностью очищается от меди.
Как один из вариантов описанного опыта можно показать
электролиз медного купороса в проекции на экран. Для этого
перед конденсором' проекционного аппарата устанавливают
плоскопараллельную, кювету с вставкой, имеющей два медных
электрода в виде стержней. В кювету наливают раствор медного
купороса и при помощи объектива с оборотной призмой
получают на экране четкое прямое изображение электродов.
Затем подключают к электродам источник постоянного тока
(батарею аккумуляторов или выпрямитель от щита) и при
помощи реостата устанавливают ток порядка 0,5—1 а. Через
небольшое время на экране хорошо видно, как выделение меди
на катоде увеличивает его размеры. В то же время анод
делается тоньше, а образующийся возле него медный купорос,
растворяясь в воде, "стекает с электрода вниз тонкой синей
струйкой. При перемене полюсов наблюдается обратная
картина.
Очевидяо, описанным приемом можно показать электролиз
и других солей металлов, например уксуснокислого свинца.
Раствор приготовляют заранее, чтобы он отстоялся, или добав-
210
ляют в него для просветления несколько капель уксусной
кислоты. Электроды берут свинцовые.
Получив на экране отчетливое изображение электродов,
включают ток и наблюдают, как на катоде постепенно
нарастают кристаллы свинца в виде причудливого образования
(«сатурново дерево»).
ОПЫТ Принцип действия гальванического
79 элемента и аккумулятора
Оборудование: 1) набор по электролизу с цинковой, медной,
угольной и двумя свинцовыми пластинами. 2) монета для проекции с
цинковым н медным электродами, 3) раствор серной кислоты, 4) проекционный
аппарат, 5) амперметр демонстрационный, 6) выпрямитель ВС-6 илн машина
постоянного тока, 7) панелька с маловольтными лампочками, 8) звонок
электрический демонстрационный, 9) осветитель с лампочкой, 10) реостат, 11)
переключатель однополюсный, 12) крепкий раствор двухромовокислого калия,
13) воронка, 14) провода соединительные.
1. Сначала собирают простейший гальванический элемент
из цинковой и медной пластинок, опущенных в
10—15-процентный раствор серной кислоты, и демонстрируют его действие,
используя электрическую лампочку.
Заменив медный электрод угольным, повторяют опыт и
замечают, что лампочка горит немного ярче (э. д. с. полученного
элемента 1,4 в). Вместо лампочки в качестве индикатора тока
включают электрический звонок, который через
непродолжительное время прекращает работать. Чтобы возобновить работу
элемента, необходимо удалить с медного или угольного
электрода газовый слой. Для этого вынимают электрод, обмывают
его чистой водой и вытирают. Элемент снова начинает
действовать.
2. Для демонстрации действия химического деполяризатора,
например двухромовокислого калий (К2СГ2О7), подготавливают
плоскопараллельную кювету с простой вставкой, имеющей два
электрода в виде небольших пластинок из цинка и меди;
причем цинковую пластинку делают немного толще медной и
амальгамируют ее. Для этого цинк тщательно вычищают наждачной
бумагой и погружают на очень короткое время в слабый
раствор серной кислоты; затем с помощью чистой тряпочки или
щеточки растирают каплю ртути, чтобы нанести тонкий слой ее по
всей цинковой пластинке и получить блестящую поверхность 1.
. Кювету наполовину заполняют раствором серной кислоты,
располагают перед конденсором проекционного аппарата и при
помощи объектива с оборотной призмой получают на экрана
1 Необходимо соблюдать осторожность при работе с ртутью; лучше
амальгамирование проводить в вытяжном шкафу кабинета химии или на
открытом воздухе.

Рис. 224. К опыту с гальваническим элементом.
отчетливое изображение обоих электродов, опущенных
наполовину в электролит (рис. 224, а).
При помощи соединительного проводника замыкают
электроды элемента, включая тем самым нагрузку, и наблюдают, что
теперь на медном электроде выделяются пузырьки водорода
(рис. 224, б).
После этого осторожно через воронку, опущенную до дна
кюветы, наливают в кювету крепкий раствор двухромовокислого
калия (сильный окислитель) так, чтобы светлый электролит
оказался сверху. Опять соединяют проводником электроды и
наблюдают на экране, что теперь образование пузырьков газа
происходит только в верхней части, т. е. там, где нет
деполяризатора (рис. 224, в).
3. Для демонстрации принципа действия аккумулятора
собирают его модель. Закрепляют в специальной вставке два
одинаковых свинцовых электрода и опускают их в раствор серной
кислоты, налитый в батарейный стакан.
Обращают внимание учащихся на то, что данное устройство
пока не может служить источником тока, так как оба электрода
в нем одинаковы. Подтверждают это опытом: присоединяют к
зажимам электродов лампочку и убеждаются, что она не горит '.
После этого собирают установку, изображенную на рисунке
225. Амперметр берут с шунтом на 3 а и шкалой .с. нулем
посередине. На панели оставляют две лампочки.
Включают цепь на зарядку и обращают внимание, в какую
сторону отклоняется стрелка амперметра при зарядке.
Величину зарядного тока регулируют при помощи реостата
(устанавливают ее наибольшей). Через 1—2 мин ток выключают и,
вынув электроды, обращают внимание учащихся на изменение их
окраски: электрод, который был присоединен к плюсу
источника, теперь имеет шоколадный оттенок, а второй электрод,
присоединенный к минусу,— светло-серый.
1 Разумеется, что в этом случае пользоваться гальванометром нельзя,
так как электроды обычно не вполне однородны и чувствительный
гальванометр обнаружит наличие тока.
212
Снова погружают электроды в раствор кислоты и
замыкают цепь разрядки. Наблюдают свечение лампочек и отклонение
стрелки амперметра в обратную сторону. Так как ток
разрядки продолжается короткое время, то весь опыт повторяют
еще раз.
После полной разрядки модели аккумулятора (для этого ее
замыкают на некоторое время накоротко) пластины почти
восстанавливают свой прежний цвет.
Описанные опыты полезно сопровождать показом
гальванических элементов и аккумуляторов в разобранном виде и
действующих. Надо напомнить учащимся правила ухода за
источниками тока и обращения с ними.
ОПЫТ
Определение полярности источника тока
80
Оборудование: 1) кювета для проекции со слабым раствором
серной кислоты. 2) проекционный аппарат, 3) стакан химический с раствором
поваренной соли и несколькими каплями фенолфталеина, 4) батарея
аккумуляторов З-НКН-10 или выпрямитель, 5) провода соединительные.
Электрохимический способ определения полюсов источника
тока, например аккумулятора или выпрямителя, можно
продемонстрировать простым и наглядным приемом. Изолированные
медные провода, оголенные у самого конца, соединяют с источ_-
ником тока и опускают в кювету со слабым раствором серной
кислоты. Кювету предварительно устанавливают перед
конденсором проекционного аппарата и при помощи объектива собо-
213

ротной призмой получают отчетливое
изображение опущенных проводов.
На экране будет видно, как на катоде
выделяются пузырьки водорода, которые
постепенно поднимаются вверх (рис. 226).
Следует указать, что кислород,
образующийся на аноде, вступает в соединение с
медью, поэтому выделение его незаметно.
Рис 226 Опседе- Вместо раствора серной кислоты можно
ление полюсов ис- воспользоваться раствором поваренной со-
точника тока. ли, в который добавлен фенолфталеин. При
опускании проводов, соединенных с
источником постоянного тока, наблюдают около катода не только
выделение пузырьков водорода, но и ярко-красное окрашивание
раствора.
ОПЫТ
g. Технические применения электролиза
Оборудование: 1) кинофильм «Электролиз и его применение»,
2) кинопроектор.
Для показа технических применений электролиза
демонстрируют учебный кинофильм «Электролиз и его применение».
Демонстрация занимает сравнительно немного времени (18 мин)
и в особых пояснениях не нуждается.
§ 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ГАЗАХ
ОПЫТ
82 Ионизация газов
Оборудование: 1) разборный конденсатор на изолирующих
штативах, 2) электрометр, 3) выпрямитель высоковольтный или электрофорная
машина, 4) эбонитовая и стеклянная палочки с куском меха, 5)
воздуходувка с универсальным электродвигателем, 6) соединительные провода, 7)
спиртовка, 8) два острия из комплекта демонстрационных электрометров.
В начале опыта напоминают учащимся, что газы в
естественном состоянии не проводят электричества. Для этого
пластины раздвижного конденсатора соединяют с электрометром и
заряжают его. Наблюдают, что заряд электрометра длительное
время, сохраняется неизменным.
После этого вносят в газовый промежуток между
пластинами конденсатора пламя спички или спиртовки (рис. 227).
Электрометр быстро разряжается. В продуктах сгорания
образуется большое количество ионов, которые вызывают
электропроводность воздуха.
214
Рнс. 227. Разрядка
электрометра пламенем.
В качестве другого ионизатора можно воспользоваться
электрическим разрядом с острия при высоком напряжении.
Для этого собирают установку по рисунку 228. На кондукторах
высоковольтного выпрямителя или электрофсрной машины
укрепляют два острия, которые располагают иа расстоянии 30—
40 мм одно от другого. Высоту расположения приборов
подбирают так, чтобы струя воздуха, направляемая на острия из
воздуходувки, попадала в воздушный промежуток между
пластинами конденсатора, отстоящего от выпрямителя на
расстоянии 20—30 см.
Зарядив электрометр, например от эбонитовой палочки
отрицательно, включают воздуходувку и получают, не слишком
сильную струю. Обращают внимание, что электрометр при этом
сохраняет заряд. Затем подают постепенно напряжение на
высоковольтный выпрямитель (или приводят в медленное
вращение диски электрофорной машины) и наблюдают, как
электрометр начинает разряжаться. Если выключить выпрямитель, то
разряжение электрометра прекращается; вновь включить —
разряжение продолжится.
Рис. 228. Установка для демонстрации ионизации воздуха
электрическим разрядом с острия.
215

Повторяют опыт, зарядив электрометр положительно от
стеклянной палочки.
Объясняют учащимся, что вблизи остриев под действием
высокого напряжения образуется большое число ионов,
которые, увлекаясь воздушным потоком, попадают между пластинами
конденсатора. Электропроводность воздуха увеличивается, и
электрометр разряжается.
Процесс ионизации всегда сопровождается обратным ему
процессом — рекомбинацией ионов. На этой же установке
удобно продемонстрировать, что ионы имеют определенное время
существования. Уменьшая скорость воздушного потока (или
увеличивая расстояние между ионизатором и пластинами
конденсатора), наблюдают, что разрядка электрометра замедляется
или прекращается совсем. Это показывает, что количество ионов
в газе постепенно уменьшается и в конце концов они рекомби-
нируют полностью.
Далее полезно . продемонстрировать изменение характера
электропроводности воздуха в зависимости от преобладания
положительных или отрицательных ионов. С этой целью
оставляют на высоковольтном выпрямителе одно острие, например,
на отрицательном кондукторе и, зарядив электрометр тоже
отрицательно, направляют струю воздуха между пластинами
конденсатора. Электрометр не разряжается.
Заряжают электрометр положительно и наблюдают быстрое
падение стрелки вследствие нейтрализации положительного
заряда отрицательными ионами, которые доставляются
воздушным потоком от острия.
Опыт повторяют с потоком положительных ионов, переставив
острие на другой кондуктор, соединенный с положительным
полюсом.
ОПЫТ Несамостоятельная проводимость
83 воздуха
Оборудование: 1) конденсатор разборный на изолирующих
штативах, 2) выпрямитель высоковольтный, 3) лампа неоновая ТН-20 на
подставке с зажимами,1 4) кольцо и муфта от штатива, 5) спиртовка, 6) ду-
ювая лампа или осветитель для теневой проекции.
Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то
наряду с беспорядочным тепловым движением возникает
направленное, упорядоченное движение ионов, т. е. электрический
ток. При этом положительные ионы движутся в направлении
поля, а отрицательные—в противоположную сторону.
1 Старое обозначение лампы СН-1.
216
Рис. 229. Обнаружение несамостоятельной проводимости
воздуха.
Для обнаружения электрическогр тока в ионизированном
воздухе собирают установку по рисунку 229. Пластины
разборного конденсатора устанавливают на расстоянии
приблизительно 10 см друг от друга и к ним через неоновую лампу на
подставке подключают высоковольтный выпрямитель.
В начале опыта постепенно подают такое напряжение на
пластины конденсатора, чтобы образовалось очень слабое
свечение неоновой лампы, заметное лишь учителю. Обращают
внимание учащихся, что ток в цепи лампой не
обнаруживается.
Затем осторожно подносят снизу между пластинами
конденсатора зажженную спиртовку и наблюдают, как неоновая
лампа начинает светиться.
Увеличивают пламя спиртовки (это удобнее сделать с
газовой горелкой) и обнаруживают более яркое свечение лампы.
Особенно хорошо заметно свечение, если опыт проводить в
полузатемненном классе.
После этого выключают из цепи неоновую лампу, а
пластины конденсатора соединяют непосредственно с
высоковольтным выпрямителем. На одном из изолирующих штативов
укрепляют с помощью муфты малое кольцо от штатива •.
Кольцо закрепляют на такой высоте, чтобы верхняя часть пламени
спиртовки заходила в воздушный промежуток конденсатора.
Затем устанавливают электрическую дуговую лампу или
осветитель для теневой проекции и получают на экране
отчетливое изображение пламени спиртовки и восходящих потоков
горячих газов (рис. 230, а).
1 Чтобы ие испортить стойку штатива, ее обертывают бумагой в 3 4
слоя.
217

Рис. 230. Расщепление пламени
спиртовки в электрическом поле.
После этого подают постепенно напряжение на пластины
и наблюдают, как пламя и горячие потоки газов
расщепляются в направлении к электродам (рис. 230, б), обнаруживая
наличие носителей положительных и отрицательных зарядов.
ОПЫТ Зависимость величины тока от напряжения
34 при несамостоятельной проводимости
воздуха
Оборудование:!) конденсатор разборный на изолирующих
штативах, 2) выпрямитель высоковольтный, 3) гальванометр демонстрационный
зеркальный, 4) вольтметр демонстрационный, 5) спиртовка или газовая
горелка, 6) кольцо и муфта от штатива, 7) сопротивление ограничительное
50 Мом.
Собирают установку по рисунку 231. Пластины
конденсатора располагают на расстоянии 5—10 см друг от друга, а
спиртовку устанавливают на кольцо, закрепленное на одном
из штативов, как было описано в предыдущем опыте. Для
измерения тока последовательно в цепь с конденсатором вклю-
Рис. 231. Установка для демонстрации зависимости тока от напряжения при
несамостоятельной проводимости воздуха.
218
чают чувствительный демонстрационный
зеркальный гальванометр (через
ограничительное сопротивление), световой
указатель которого устанавливают на
нулевое деление (начало горизонтального
участка шкалы).
Для наблюдения за величиной
высокого напряжения, подаваемого на
пластины конденсатора, включают демонст- Рис 232 График за
рационный вольтметр в первичную цепь ВИСимости величины
трансформатора высоковольтного выпря- тока от напряжения
мителя. Зная коэффициент трансформа- в ионизированном
ции, который равен 50, и показания вольт- газе-
метра, определяют напряжение,
подаваемое на пластины конденсатора. Однако в процессе опыта
можно не делать этого пересчета, а ограничиться наблюдением за
показаниями вольтметра в первичной цепи.
После того как установка собрана, зажигают спиртовку и
постепенно подают напряжение на пластины. При этом
наблюдают, что сначала с ростом напряжения пропорционально
увеличивается и величина тока (участок ОА на рисунке 232,
который по мере выполнения опыта воспроизводят на классной
доске).
Однако при дальнейшем увеличении напряжения
начинается заметное отставание роста тока. Наконец, ток перестает
увеличиваться, хотя напряжение еще растет, т. е. наблюдается
явление насыщения (участок АВ на графике) при данном
ионизаторе.
Если после этого увеличить ионизирующее действие
пламени и опять определить ток насыщения, то можно видеть, что
он возрастает.
На этом можно и закончить опыт. Однако если очень
осторожно продолжать увеличивать напряжение до проскакивания
1—2 искр, то можно наблюдать резкое возрастание тока
(участок ВС) за счет ионизацци атомов при столкновении с
электронами.
опыт
g. Коронный разряд и электрофильтр
Оборудование: 1) выпрямитель высоковольтный или электрофор-
ная машина, 2) гальванометр демонстрационный зеркальный, 3)
изолирующая скамья, 4) изолирующие штативы, 5) штатив универсальный, 6) трубка
стеклянная или металлическая длиной 30—40 см, диаметром около 6 см,
7) дымарь с резиновой грушей, 8) спиртовка, 9) проволока медная без изо- /
ляцин диаметром 0,1—0,2 мм, 10) разрядник на изолирующей ручке.
1. Между изолирующими штативами, установленными на
расстоянии приблизительно 40 см друг от друга, натягивают
219

Рис. 233. Наблюдение коронного разряда.
две тонкие медные проволоки, не соединенные между собой
(модель линии высоковольтной передачи). Одну из проволок
соединяют через гальванометр с одним кондуктором
высоковольтного выпрямителя, а другую —с другим. Гальванометр
устанавливают на изолирующую подставку (рис. 233).
Постепенно увеличивают напряжение и наблюдают, что с
некоторого момента гальванометр начинает показывать
наличие тока утечки и, чем больше напряжение, тем больше ток.
Затем затемняют класс и наблюдают свечение вокруг
проводов (коронирование). При этом обращают внимание на
различный характер свечения у положительного и
отрицательного проводов.
Объясняют, что вблизи тонких проволок создается слишком
большая неоднородность электрического поля и разряд
возникает вследствие ионизации. По мере же удаления отпроволоки
напряженность поля уменьшается и разряд не возникает.
Далее показывают, что коронный разряд уменьшается с
увеличением толщины проволоки. Для этого параллельно одной
из проволок присоединяют разрядник на изолирующей ручке;
ток утечки уменьшается. Опыт может служить введением к
объяснению роли расщепления фазы, применяемого в технике
высоковольтной передачи электроэнергии.
2. Для демонстрации электрофильтра собирают установку
по рисунку 234. Внутри стеклянной трубки приклеивают 2—
3 полоски станиоля по всей ее длине. Эти полоски служат од-*
ним электродом. В качестве второго электрода подвешивают
по оси трубки тонкую проволоку с шариком на конце.
Нижний край трубы должен быть приподнят над
выходным патрубком дымаря, чтобы снизу было видно, как дым
поступает в трубу. При помощи резиновой груши равномерно
подают дым и наблюдают, как он выходит из верхнего конца
трубы. Чтобы увеличить тягу, полезно под трубой поместить
зажженную спиртовку.
• Затем включают высокое напряжение. Выход дыма из
трубы моментально прекращается, хотя снизу внутрь трубы он про-
220
Рис. 234.
Демонстрация устройства и
принципа действия
электрофильтра.
должает поступать из дымаря. Выключают ток, и выход дыма
восстанавливается.
Объясняют действие электрофильтра. При включении
высокого напряжения внутри трубы возникает коронный разряд и
воздух сильно ионизируется. Газовые ионы, сталкиваясь с
частицами дыма, заряжают их. Под действием сильного
электрического поля заряженные частицы дыма движутся внутри
трубы к электродам, где и оседают.
ОПЫТ Электрическая дуга и ее применение
35 Для сварки металлов
Оборудование: 1) угли для электрической дуги диаметром 5 мм —
2 шт., 2) штативы изолирующие — 2 шт., 3) дуговая лампа на штативе,
4) объектив от проекционного аппарата на штативе, 5) реостат 20 ом, 10 а,
6) фильтр темный на проволочном держателе, 7) провода соединительные,
8) два куска проволоки диаметром 0,3—0,5 мм, длиной по 15—20 см,
9) настенная таблица «Электросварка металлов», 10) кинофильм
«Электрическая сварка металлов», 11) кинопроектор.
Простая установка для первоначального ознакомления
учащихся с явлением образования электрической дуги собирается
по рисунку 235. Угли с помощью двух самодельных
держателей из медной проволоки диаметром 2 мм (держатель на
рисунке показан отдельно) укрепляются На изолирующих
штативах. Чтобы устранить нагревание в месте контакта
держателей с углями, концы последних предварительно омедняют
электролитическим способом.
221

Рис. 235. Простая установка для демонстрации
электрической дуги.
Соединения с реостатом и подводка тока от
распределительного щита выполняется сравнительно толстыми
проводниками, так как для питания дуги требуется ток 4—6 а.
Перед тем как включить ток, ползун реостата
устанавливают так, чтобы в цепь было введено сопротивление
приблизительно 10 ом и сближают угли до соприкосновения. Затем
закрывают угли фильтром, включают ток (50—60 в) и слегка
раздвигают изолирующие штативы '. При этом между концами
углей возникает электрическая дуга. Для более интенсивного
горения сопротивление реостата можно постепенно уменьшить
до 7—8 ом.
Наилучший способ демонстрирования дуги — проекция ее
на экран. Для этого удобно воспользоваться дуговой лампой,
предназначенной для опытов с проекционным аппаратом
(рис. 16). Познакомив учащихся вкратце с основными
деталями прибора (два угля /, регулировочное устройство 2 для
одновременного перемещения углей), устанавливают дуговую
лампу и объектив от проекционного аппарата так, чтобы
получить изображение дуги на экране (рис. 236). При этом
дуговую лампу поворачивают к объективу боковым квадратным
окном, через которое и проецируют дугу на экран. В этом случае
угли оказываются более удобно расположенными для
наблюдения за образованием и горением дуги, чем при прямом
расположении прибора. Выходное отверстие, направленное в
сторону, закрывают непрозрачной шторкой с небольшим (6—8 мм)
отверстием 1 для введения в дугу свариваемых проволок.
1 Смотреть на электрическую дугу и демонстрировать ее учащимся без
защитного фильтра нельзя, так как ослепительный свет дуги, богатый
ультрафиолетовыми лучами, вредно действует на зрение.
222
Установив, как в первом случае, реостат на сопротивление
около 10 ом, включают ток. Затем, вращая ручку регулятора
по часовой стрелке, сближают угли до соприкосновения и сен-
час же медленно разводят их. Между концами углей
появляется электрическая дуга. Подбирают расстояние между углями
так, чтобы горение дуги было устойчивым. При этом
сопротивление реостата можно немного уменьшить. Перемещая
объектив, добиваются на экране отчетливого прямого изображения
электрической дуги (рис. 236, вверху).
Обращают внимание учащихся на раскаленные концы
углей, от которых и исходит преимущественно свет, а в
промежутке между углями образуется собственно «дуга», т. е. яркая
изогнутая полоска. Свет самой дуги слабее, чем свет,
исходящий от концов углей.
Угли дуги постепенно сгорают и их надо понемногу
сближать. При этом обращают внимание учащихся, что на угле,
соединенном с положительным полюсом источника постоянного
тока, образуется небольшое углубление — кратер (происходит
распыление вещества). При переменном токе угли сгорают
равномерно и кратеры образуются одновременно у обоих углей.
Затем показывают сварку в.пламени дуги двух проволок
(термопары). Для этого проволоки диаметром 0,3—0,5 мм
скручивают на одном конце вместе и через отверстие в
загораживающей ширме вносят осторожно в пламя дуги. При этом
через смотровое окно можно наблюдать за правильным
расположением проволок. На экране хорошо виден оплавляющийся
конец проволок и образование шарика.
Перед тем как перейти к ознакомлению учащихся с
техническими применениями электрической дуги, полезно
продемонстрировать горение дуги под водой. С этой целью собирают
Рис. 236. Проецирование электрической дуги на экран.
223

Рис. 237. Электрическая дуга под водой.
установку по рисунку 237. Два угля закрепляют на штативах
с помощью держателей для пробирок и опускают концами в
прозрачную ванну с водой. Чтобы яркий свет дуги не мешал
наблюдению, на передней стенке ванны укрепляют с
помощью пластилина красный светофильтр (на рисунке
обозначен пунктиром).
Сближая и удаляя один из углей и регулируя величину тока
реостатом, добиваются равномерного горения дуги.
Техническое применение электрической дуги для сварки
металлов объясняют, пользуясь стенной таблицей
«Электросварка»1. Демонстрируют также кинофильм «Электрическая
сварка металлов» (10 мин). В кинофильме показывается способ
электросварки, изобретенный Н. Н. Бенардосом; способ сварки,
предложенный Н. Г. Славяновым; контактная сварка,
электросварка под водой и различные сварочные машины.
ОПЫТ Искровой разряд и электроискровая
87 обработка металлов
Оборудование: 1) электрофорная машина или высоковольтный
выпрямитель, 2) электродвигатель универсальный с картонным кругом с 32
белыми н черными секторами, 3) прибор для демонстрации электроискровой
обработки металла, 4) проекционный аппарат, 5) батарея конденсаторов
демонстрационная, 6) реостат на 200 ом, 7) провода соединительные.
1. Искровой разряд учащиеся наблюдали неоднократно.
Однако, приступая к его изучению, следует воспроизвести это
явление с электрофориой машиной или высоковольтным
выпрямителем и обратить внимание на его характерные
особенности. Чтобы увеличить интенсивность искры и производимые ею
эффекты, полезно увеличить емкость в искровом промежутке,
1 См.: М. А, Ушаков. Таблицы по физике, вып. П. Электросварка.
М., «Просвещение», 1964.
224
подключив между электродами высоковольтного выпрямителя
конденсатор, например, 390 пф, 15 кв.
С искрой можно показать общеизвестные опыты:
пробивание отверстий в бумаге, воспламенение ваты, смоченной
эфиром, воспламенение горючей смеси (опыт 167, том -1).
Чтобы показать очень малую продолжительность искрового
разряда (0,00001—0,000001 сек), демонстрируют следующий
опыт. Приводят с помощью электродвигателя в быстрое
вращение картонный круг, разделенный на 32 равных черно-белых
сектора. При обычном освещении вращающийся диск кажется
учащимся серым. Затем в затемненном классе наблюдают
вращающийся круг при освещении искрами от электрофориой
машины. За непродолжительное время искрового разряда
каждый сектор не успевает повернуться на заметный для глаза
угол и круг кажется неподвижным, с резкими границами
секторов.
2. Демонстрацию электроискровой обработки металла
проводят на простом приборе, проецируя его на экран (рис. 238).
Прибор представляет собой колодку из пластмассы / с двумя
латунными электродами 2—3, которая вставляется в кювету 4.
Электрод 2 служит анодом; он сверху имеет клемму, а внизу—
зажим для закрепления обрабатываемого изделия — лезвие
безопасной бритвы. Электрод 3 (катод) расположен посередине;
он имеет форму круглого стержня с резьбой и головкой на
верхнем конце. Этот электрод присоединен ко второй клемме и
выполняет роль инструмента при обработке изделия.
Перед опытом лезвие безопасной бритвы, известное
учащимся своею твердостью, ломают вдоль на две половины. Одну из
Рис. 238. Установка для демонстрации электроискровой обработки металлов.
15 Заказ Кя 6047

них закрепляют винтом в зажиме бокового электрода. Лезвие
располагают горизонтально, заточенным краем вверх так,
чтобы оно помещалось под вторым электродом.
В кювету наливают спирт, керосин, машинное масло или
дистиллированную воду и вставляют в нее колодку прибора.
При этом оба электрода должны быть погружены в жидкость.
Кювету устанавливают в рейтере проекционного аппарата
перед конденсором и с помощью объектива с оборотной
призмой получают на экране резкое прямое изображение
лезвия.
Включают напряжение. Наиболее благоприятные условия
для опыта создаются при 60—100 в постоянного тока и емкости
60 мкф. Реостат в работе прибора не играет существенной
роли. Он необходим для ограничения тока в моменты
соприкосновения электродов.
Вращают головку катода по часовой стрелке до соединения
его с верхним краем лезвия, после чего поворачивают ее в
обратном направлении. При этом между электродами
проскакивает искра. Посредством легких поворотов головки катода то
в одну, то в другую сторону добиваются частых искровых
разрядов, сопровождаемых громким треском. Катод постепенно
погружается в лезвие, образуя углубление, и наконец
перерезает его.
Если во время опыта погасить ненадолго лампу в
проекционном аппарате, то в полной темноте на экране будут
отчетливо видны голубоватые искры в месте соединения электродов и,
кроме того, выбрасывание мелких частичек металла из анода;
эти частички с течением времени вызывают помутнение
жидкости.
При отсутствии источника постоянного тока можно
воспользоваться током переменным. Следует только иметь в виду, что
в этом случае будет довольно быстро разрушаться и катод.
ОПЫТ Прохождение электрического тока через
33 воздух при постепенном его разрежении
Оборудование: 1) двухзлектродная трубка для демонстрации
электрического разряда, 2) вакуум-насос ротационный или Комовского,
3) выпрямитель высоковольтный, 4) гальванометр демонстрационный от
амперметра, 5) резиновый шланг толстостенный, 6) резистор ограничительный
порядка 2—3 Мом, 7) провода соединительные.
Двухэлектродную трубку с присоединенным резиновым
шлангом от вакуум-насоса укрепляют в лапке штатива.
Последовательно с трубкой включают в цепь через ограничительный
резистор 2—3 Мом гальванометр, установленный на изолирую-
226
Рис. 239. Демонстрация электропроводности воздуха при его разрежении.
щей подставке. Источником тока служит высоковольтный
выпрямитель (рис. 239).
Сначала показывают, что воздух при нормальном давлении
не проводит электрического тока. Для этого включают
высоковольтный выпрямитель и постепенно увеличивают напряжение
на электродах трубки до максимального, которое дает
выпрямитель. Гальванометр не обнаруживает тока.
Затем уменьшают напряжение приблизительно наполовину
и включают насос. При этом внимательно наблюдают за
показаниями гальванометра. Начиная с некоторого момента
гальванометр показывает наличие тока в цепи, а далее, в
затемненном классе становится заметным и возникающее свечение в
трубке. Сначала разряд имеет форму тонких фиолетовых
перебегающих светящихся нитей, затем — шнура
малинового цвета, соединяющего оба электрода. При дальнейшем
понижении давления светящийся шнур бледнеет,
расширяется, занимая почти всю трубку. Постепенно впуская
воздух в трубку, полезно повторить этот процесс в обратном
порядке.
При работе с хорошим ротационным вакуум-насосом можно
проследить и дальнейшие стадии разряда, т. е. хорошо заметное
темное катодное пространство и положительный анодный столб,
а потом и образование отдельных слоев — страт. Если же
применяется насос Комовского, то в ряде случаев удается достичь
лишь такого разрежения, когда появляется свечение,
занимающее почти всю трубку — тлеющий разряд. р t
Объясняют учащимся наблюдаемое явление. Разряд в
трубке возникает вследствие того, что в разреженном воздухе
увеличивается длина свободного пробега электронов. Разгоняясь,
электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации,
нейтральных, молекул. Источником электронов является катод,
который бомбардируется положительными ионами. Эти ионы
и выбивают из катода электроны (вторичная электронная
эмиссия).
15*
«27

ОПЫТ Свечение разреженного воздуха
89 и разреженных газов
Оборудование: 1) «шкала пустот», 2) выпрямитель
высоковольтный или индуктор ИВ-50 с аккумуляторной батареей, 3) выпрямитель
универсальный, 4) неоновая лампа ТН-30 на подставке, 5) вольтметр
демонстрационный с дополнительным сопротивлением 22 ком, 6) набор тазосветных
трубок, 7) провода соединительные.
Для демонстрации явлений, связанных с прохождением
электрического тока через воздух при разной степени
разрежения, можно воспользоваться прибором, получившим
название «шкала пустот» (рис. 240). Прибор состоит из 6 трубок
с разреженным воздухом. Каждая трубка имеет по 2
электрода в виде стерженька и диска. Снаружи электроды
оканчиваются металлическими колпачками, приклеенными к концам
трубок. Все трубки занумерованы и укреплены на раме-стойке
при помощи нижних гнезд и пружинящих контактов вверху.
Давление воздуха в трубках по порядку номеров следующее:
30, 10, 4; 0,5; 0,2—0,1; 0,03—0,02 мм рт. ст.
В нижней части стойки смонтирован переключатель,
состоящий из рычага с изолирующей ручкой и шести контактов,
соединенных поочередно с нижними гнездами для трубок. Сзади
стенки выведены два зажима для подключения источника
высокого напряжения. Один из зажимов соединен с рычагом
переключателя, а другой — с верхними контактами всех трубок.
Таким образом, переключатель дает возможность включать в
цепь источника тока любую из трубок.
Подключив к зажимам высоковольтный выпрямитель (или
индуктор ИВ-50), демонстрируют последовательно разряды
во всех трубках, начиная с
первой:
/ — разряд имеет вид
тонкого перебегающего
светящегося шнура;
2 — разряд бледнеет и
занимает почти всю
ширину трубки, намечается
темное катодное пространство;
3 — явно видно темное
катодное пространство и
положительный анодный столб;
4 — наблюдаются
страты, т. е. положительный
анодный столб разбивается
на отдельные слои;
5 — катодное темное
пространство занимает
Рис. 240. Трубки с различной
степенью разрежения иа стойке и схема
их включения.
228
большую часть трубки, страты становятся более широкими и
расплывчатыми. Цвет свечения становится более бледным и
наблюдается зеленоватое свечение стекла;
6 — положительное свечение исчезает совсем, стенки трубки
лежащие против катода, светятся зеленым светом, а возле
катода появляется слабое голубоватое свечение.
Обращают внимание учащихся, что зависимость формы
разряда от давления в трубке может быть использована для
приблизительного определения степени разрежения при
откачивании воздуха вакуум-насосом.
После этого демонстрируют свечение газоразрядных трубок,
наполненных различными разреженными газами'.
Подключение трубок к кондукторам высоковольтного выпрямителя или
индуктора ИВ-50 осуществляют мягкими гибкими
проводниками, так чтобы они не касались металлических предметов и
не мешали во время демонстрации, так как опыты проводятся
в затемненном помещении.
Особое место среди вакуумных приборов занимают
неоновые лампы, представляющие собой разрядную трубку
с'холодным катодом, где используется тлеющий разряд. Эти лампы
находят разнообразное применение в школьной практике.
Поэтому при изучении тока в газах необходимо
продемонстрировать свечение неоновой лампы на постоянном и переменном
токе, показать различную величину напряжения для
зажигания и гашения лампы; а также показать зажигание лампы под
действием внешнего ионизатора. Для опытов могут быть
применены любые неоновые лампы, но лучше взять лампы типа
ТН-30 (сигнальная лампа на 127 в)2.
Рис. 241. Измерение порога зажигания и гашения неоновой
лампы.
1 Такие трубки выпускаются промышленностью под названием
спектральных трубок.
2 У этой лампы ограничительное (балластное) сопротивление
вмонтировано внутри цоколя. Если применяется тип лампы без ограничительного
сопротивления, то .в цепь последовательно с такой лампой надо включить
дополнительное сопротивление ,1—5 ком, чтобы сила тока не превосходила
величину, указанную для Данной лампы.
229

Собирают установку с неоновой лампой (рис. 241) и
сначала без вольтметра демонстрируют свечение неоновой лампы от
постоянного (свечение только у анода), а затем от переменного
тока (свечение у обоих электродов).
Подключив вольтметр, демонстрируют разную величину
напряжения для зажигания неоновой лампы и.ее гашения.
С этой целью постепенно увеличивают напряжение, подаваемое
к лампе от универсального выпрямителя, и замечают возможно
тщательнее напряжение, при котором лампа загорается. Затем
постепенно уменьшают напряжение и ■ опять отмечают его
величину при гашении лампы. Обращают внимание, что
гашение происходит при напряжении, меньшем на 8—10 в.
После этого можно продемонстрировать зажигание
неоновой лампы под действием внешнего ионизатора (яркое
освещение, рентгеновские лучи, ионизация искрой). Для этого
устанавливают напряжение большее, чем напряжение гашения
лампы, но меньшее, чем напряжение, при котором лампа
загорается. Затем освещают электроды лампы или ярким
источником света, например, от проекционного аппарата, или
пучком рентгеновских лучей и наблюдают зажигание —
возникновение несамостоятельного разряда.
ГЛАВА IV
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
ОПЫТ
90
§ 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Явление электромагнитной индукции
Оборудование: 1)- гальванометр от демонстрационного вольтметра,
2) амперметр демонстрационный, 3) магнит дугообразный, 4) магнит
прямой, 5) трансформатор универсальный, 6) реостат на 50 ом, 7) выключатель
демонстрационный, 8) штатив универсальный, 9) батарея аккумуляторов,
10) провода соединительные, 11) ящик-подставка.
Изучение электромагнитной индукции следует начать с;
вводных опытов. С одной стороны, они должны напомнить
учащимся различные случаи электромагнитной индукции, с
которыми они ознакомились на первой ступени обучения, а с
другой— послужить достаточным основанием для понимания
основного закона электромагнитной индукции и введения
правила Ленца. Эти опыты удобно демонстрировать на немногих
постепенно перестраивающихся установках.
Перед демонстрацией опытов необходимо провести
некоторую подготовку. Сначала надо показать, в каком направлении
отклоняется стрелка гальванометра, когда его
левый зажим присоединен к минусу источника
тока, а правый — к плюсу. Для этого можно
присоединить проводником минус аккумулятора
к левому зажиму гальванометра и, взявшись
одной рукой за положительный зажим
аккумулятора, коснуться пальцем другой руки право- «~ q О +
го зажима гальванометра. Результат можно за- _
фиксировать на доске, например, так, как пока- „релка 'откло"
зано на рисунке 242, Далее следует обозначить Ияется вправо,
на катушках мелом (или другим способом), с то направление
какой стороны провод обмотки подведен к за- То1са *"у1^.и
1 ' гальва яомет
жимам катушки. ра —от право-
1. К зажимам демонстрационного гальвано- го зажима к
метра с малым сопротивлением присоединяют левому.
231

Рис. 243. Индукция при движении
проводника в магнитном поле.
длинный отрезок гибкого
изолированного провода
(рис. 243) и двигают его
вниз и вверх между
ветвями дугообразного
магнита.
По слабому,но
заметному отклонению стрелки
гальванометра
обнаруживают возникновение
индукционного тока в
замкнутой цепи и
определяют его направление.
Затем, основываясь на
полученных результатах,
устанавливают правило
правой руки.
Обращают внимание,
что в данной установке
некоторая часть магнитного потока постоянного магнита
охвачена замкнутым контуром, состоящим из провода и
гальванометра. Эта часть потока увеличивается при опускании
провода и уменьшается, когда провод поднимают вверх.
2. Провод сворачивают в петлю и, то надевая петлю на
полюс магнита, то поднимая ее, замечают, что стрелка
гальванометра отклоняется сильнее. Повторяют опыт, постепенно
увеличивая число витков.
3. К гальванометру присоединяют катушку на 220 в от
универсального трансформатора и возбуждают в ней
индукционный ток движением
прямого магнита (рис. 244).
Показывают, что при
медленном движении
магнита отклонение стрелки
незначительно, а при
быстром— стрелка
отклоняется сильнее.
Складывают вместе одноименными
полюсами два магнита и
получают при прежней
скорости их движения
более сильный
индукционный ток. Определяют
направление магнитного
поля индукционного тока в
катушке и сравнивают п Ьл, п
„ л - ^„г,„„,,.,„.. Рис. 244. Величина индукционного тока
его С направлением поля зависит от быстроты изменения магнитно-
магнита, когда послед- го потока внутри катушки.
232
Рис. 245. Установка для демонстрации электромагнитной индукции при
замыкании и размыкании цепи, усилении и ослаблении тока.
ний вводят и удаляют из катушки...Результат такого
исследования приводит к установлению правила Ленца. Последние два
опыта могут также служить основанием для введения фор-
МУЛЫ
„ АФ
Е——п —.
4. Собирают установку, изображенную на рисунке 245.
Катушки на 220 и 120 в ставят рядом (без сердечника) и с
помощью реостата доводят ток в правой катушке
приблизительно до 2а. Включая и выключая ток, наблюдают
возникновение в левой катушке кратковременного слабого индукционного
тока. В этих опытах определяют направление токов и
магнитных полей, связывая результаты исследования с правилом
Ленца.
5. Выключают ток. Увеличивают сопротивление реостата «о
50 ом, насаживают катушки на сердечник и замыкают его
ярмом. При включении и выключении тока стрелка
гальванометра отклоняется почти па всю шкалу.
6. Включают ток. Медленно и по возможности равномерно
увеличивают его до 2а. В течение этого времени
гальванометр показывает наличие более или менее постоянного
индукционного тока. Затем так же уменьшают ток до минимума и
наблюдают индукционный ток противоположного направления.
ОПЫТ Получение постоянного
9i индукционного тока
Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного вольтметра,
2) магнит духеобразный, 3) магниты линейные с кольцом и обойм&й; 4)
стержень проволочный, 5) сирена дисковая, %) машина центробежная, 7) штатив
универсальный, 8) провода соединительные.
433

Полезно продемонстрировать особые случаи получения
длительного постоянного индукционного тока в движущихся
проводниках '.
1. Одну из моделей такого генератора легко собрать по
рисунку 246. Металлический диск (сирена Оппельта),
приводимый во вращение центробежной машиной, охвачен полюсами
дугообразного магнита. Свободные электроны в диске,
двигаясь вместе с диском перпендикулярно вектору индукции
магнитного поля, испытывают действие силы Лоренца и
отклоняются по радиусу диска. В результате между осью и
периферией диска создается разность потенциалов. Если к гайке,
закрепляющей магнит на стержне, прикрепить плоскую
контактную пружину так, чтобы она скользила по ободу диска, и
соединить ее через гальванометр с осью диска, то при
равномерном вращении диска гальванометр будет показывать
постоянный индукционный ток все время, пока вращается диск.
Технически эта установка, конечно, очень несовершенна:
электрическое поле индуцируется в небольшом участке диска
и вызываемый им ток замыкается не только гальванометром,
но и всей остальной частью диска.
2. Длительный постоянный ток можно было бы получить
с помощью прибора, описанного в опыте 26. Для этого надо
было бы источник тока в описанной установке заменить
гальванометром и быстро вращать стержень вокруг магнита. Можно
было бы поступить и наоборот: оставить стержень
неподвижным и вращать магнит вокруг вертикальной оси. И в том и в
другом случае можно было бы с помощью гальванометра
обнаружить наличие в цепи постоянного индукционного тока.
Однако очевидно, что стержень на магнитном подвесе и
контакт стержня с кольцом не приспособлены для проведения гго-
Рнс. 246. Модель
униполярного генератора.
т- J £м : Ci Г к а л а * н и к о в . Электричество. М., ГИТТЛ, 1956, стр. 348
Г. Ь. 3 и л ь б е р м а н. Электричество и магнетизм. М., «Наука», 1970, стр. 337!
234
Рис. 247. Получение
постоянного индукционного
тока.
добного опыта. Аналогичная, но более удобная установка
изображена на рисунке 247. В этой установке медный стержень,
закрепленный горизонтально, слегка прижимается к
контактному кольцу магнита. Магнит, установленный вертикально в
патроне центробежной машины, вращается вокруг своей оси. При
движении стержня в поле магнита в системе отсчета,
связанной со стержнем, возникает электрическое поле, приводящее
в движение электроны проводимости, В замкнутой цепи
циркулирует постоянный ток, который обнаруживается
гальванометром. Чтобы изменить направление тока, достаточно изменить
направление вращения. Направление тока определяют по
правилу правой руки.
ОПЫТ
92
Правило Ленца
Оборудование: 1) прибор для демонстрации правила Ленца,
2) магниты прямые, 3) трансформатор универсальный с дроссельной катуш-
кой, 4) кольцо алюминиевое, 5) машина магнитоэлектрическая, 6) панель с.
тремя лампами, 7) ключ телеграфный, 8) выключатель демонстрационный,
9) штатив универсальный, 10) груз разборный на 2 кГ, 11) струбцинка,
12) провода соединительные, 13) ящик-подставка.
При изучении правила Ленца обычно проводят большое
количество упражнений на применение правила. Вместе с тем
полезно продемонстрировать два-три опыта, в которых
изменение магнитного потока внутри замкнутого контура
обусловлено в одном случае относительным механическим движением.,
а в другом — изменением тока в соседнем контуре.
1. Для проведения первого опыта применяют прибор,
состоящий из двух колец, скрепленных легкой планкой и
уравновешенных на острие. Размеры и вес обоих колец одинаковы,
но одно из них разрезано. Установив прибор на подставке,
1
235

s—: складывают вместе два
^^^. сильных прямых магни-
WSSS^m0*w*:)'~ та' °братив их одноимен-
kJ^/s ными полюсами в одну
^ сторону, и быстро вводят
внутрь целого кольца
(рис. 248). Наблюдают,
что кольцо при этом от-
Рис. 248. Взаимодействие кольца н маг- талкивается от магнита.
нита- Когда магнит из кольца
вынимают, последнее
двигается вслед за магнитом.
Затем опыт повторяют с разрезанным кольцом и
показывают, что при любом движении магнита кольцо остается
неподвижным.
Можно по-разному объяснять наблюдаемые результаты,
подтверждающие правило Ленца. Например, причиной
возникновения индукционного тока в одном случае является
приближение магнита к кольцу, а в другом — удаление. Как
показывает опыт, магнитное поле индукционного тока
противодействует как одному, так и другому движению. Более подробное
объяснение будет состоять в определении направления
нарастающего или уменьшающегося магнитного потока, затем в
определении направления индукционного тока, и наконец, в
определении образующихся у кольца полюсов и их
взаимодействия с полюсами магнита.
Необходимо иметь в виду, что эффект опыта зависит от
качества магнита. Перед опытом магниты надо сильно
намагнитить. Можно воспользоваться дугообразным магнитом.
Наилучшие результаты дают магниты из специального сплава.
В этом случае при одном только приближении магнита кольцо
удаляется от него и тотчас же останавливается, как только
остановится магнит. При удалении магнита кольцо движется
вслед за ним.
Если пользоваться сильным широким и коротким магнитом
(например, кольцевым магнитом, надетым на деревянную
ручку), то при введении его внутрь разрезанного кольца оно
заметно отклоняется. Наблюдаемое движение разрезанного
кольца объясняется возникновением в его стенках вихревых токов
Фуко. Таких побочных явлений в данном опыте допускать не
следует. Чтобы их избежать, лучше всего применять
достаточно длинные магниты 1,
2. Для проведения второго опыта в дроссельную катушку
вставляют ярмо от сердечника универсального трансформатора
1 Более подробное разъяснение этого эффекта приэедено в журнале
«Физика в школе», 1967, № 5, стр. 103.
I
236
Рис. 249. Взаимодействие
кольца с катушкой при включении
и выключении тока.
так, чтобы его конец выступал из
катушки на 4—5 см (рис. 249).
Чтобы ярмо при включении тока
не втягивалось в катушку, его
заклинивают плотно вдвинутой
поверх ярма деревянной планкой
(можно использовать
деревянную линейку). На выступающий
конец ярма вплотную к катушке
надевают алюминиевое кольцо '.
Получив на выпрямителе
напряжение 110—120 в,
включают ток и наблюдают резкое
сдвигание кольца к концу ярма. При
выключении тока кольцо
возвращается к катушке. Наблюдаемое отталкивание и притяжение
"кольца объясняется тем, что при включении тока в сердечнике
катушки возникает магнитное поле, вследствие чего в кольце
возникает индукционный
ток. По правилу Ленца
магнитное поле
возникшего индукционного
тока должно быть
направлено против
нарастающего поля катушки.
Следовательно, ток в катушке
и индуцированный ток
в кольце направлены в
противоположные
стороны. Как было выяснено
раньше в опыте, токи
противоположного
направления
отталкиваются, что и наблюдается на
опыте при включении
тока. Аналогично
объясняется и притяжение
кольца к катушке при
выключении тока.
3. Панель с тремя
маловольтными лампами
через ключ соединяют с
магнитоэлектрической
машиной и с . помощью
Рис. 250. Торможение генератора при
включении лампочек.
струбцинки прижимают
1 Размеры кольца: внутренний диаметр 60' мм, толщина 3—4 мм,
ширина 25 мм.
237

основание машины к краю демонстрационного стола. В
отверстие струбцинки вставляют два свинченных вместе
стержня универсального штатива с блоком у верхнего конца. К
шкиву машины прикрепляют прочную нить, перекидывают ее
через блок и подвешивают разборный груз (рис. 250). Вращая
шкив, наматывают нить, пока груз не достигнет блока, и
отпускают шкив. Ротор машины начинает вращаться под
действием опускающегося груза, быстро увеличивая скорость. При
нажатии на ключ лампочки загораются, а движение груза
резко замедляется и продолжается с небольшой скоростью. При
отпускании ключа скорость вновь нарастает и вновь
происходит торможение при включении тока.
Опыт служит иллюстрацией правила Ленца: в обмотке
якоря при замыкании цепи возникает индукционный ток.
Магнитное поле индукционного тока направлено так, что при
вращении якоря взаимодействие полюсов магнита и якоря вызываег
торможение. Объяснение сопровождают рисунком на доске
(рис. 250 вверху).
Для получения наилучшего эффекта необходимо: 1)
уменьшить нажим щеток на кольца в генераторе, 2) смазать
подшипники и слегка смазать кольца, 3) по возможности сильнее
намагнитить магниты, 4) подобрать на опыте наивыгоднейший
груз (около 1300 г) и число включенных ламп. В тщательно
подготовленной установке лампы при медленном . опускании
груза горят хорошо заметным накалом.
ОПЫТ
Индукция в сплошных проводниках
Оборудование: 1) трансформатор универсальный, 2) катушка
дроссельная, 3) диск для демонстрации вихревых токов, 4) магнит
дугообразный, 5) машина центробежная, 6) выключатель демонстрационный,
7) провода соединительные.
1. Из деталей универсального трансформатора и
дроссельной катушки собирают электромагнит с полюсными
наконечниками, повернутыми плоскими концами друг к другу. Под
гайку одного нз винтов зажимают стойку с маятником в виде
сплошной алюминиевой пластины (рис. 251). Положение
маятника и полюсных наконечников регулируют так, чтобы зазоры
между пластиной и наконечниками были как можно меньше.
Катушку через выключатель присоединяют к источнику
постоянного тока с напряжением 110—120 в.
Маятник, приведенный в движение, колеблется с ничтожно
малым затуханием. При включений тока (около 2а)
наблюдается почти мгновенная остановка маятника.
. Заменив в маятнике сплошную пластину другой, равной по
размерам, но имеющей прорези, повторяют опыт. При вклю-
238
чении тока наблюдается заметное торможение маятника,
однако он не сразу останавливается, а совершает несколько
затухающих колебаний.
Эффект действия вихревых токов в приборе с дроссельной
катушкой при указанном выше напряжении максимальный.
При уменьшении тока в катушке до 0,5 а сплошной маятник
совершает несколько быстро затухающих колебаний. Опыт
можно проводить и с любой из катушек от универсального
трансформатора, но для каждой из них должен быть подобран
определенный режим.
2. Специальный прибор для демонстрации вихревых токов
(рис. 252) представляет собой легкий алюминиевый диск, а,
вращающийся в подшипниках с очень малым трением. На
диске закреплена спиральная бронзовая пружина б. Внешний
свободный ее конец прикреплен к обойме. Для этого на обойме
имеется крючок. Чтобы вращение диска было заметно, на
диске красной краской с обеих сторон нанесена треугольная
метка.
Для демонстрации действия вихревых токов дугообразный
магнит закрепляют в шпинделе центробежной машины и к
полюсам магнита приставляют диск. Расстояние между диском
и полюсами магнита должно быть возможно меньшим.
Приводят магнит во вращение и наблюдают, что в ту же сторону
начинает вращаться и диск.
Чтобы устранить действие внутреннего трения в воздушном
промежутке, между диском и магнитом в специальный зажим
Рис. 251. Торможение Рис. 252. Установка для демонстрации
маятника вихревыми то- возникновения вихреиых токов и
правками, ципа действия тахометра.
239

на обойме диска вставляют
листок тонкого картона.
Учащиеся убеждаются, что
такое экранирование не
уменьшает эффекта.
Объясняя наблюдаемые явления,
надо обратить внимание
учащихся, что при любой
скорости вращения магнита
скорость диска всегда
остается меньше скорости
магнита, так как для
образования вихревых токов,
увлекающих диск, необходимо
относительное движение
магнита и диска.
3. Действие магнитного
тахометра и
автомобильного спидометра основано на
Рис. 253. Другая установка для де- образовании вихревых то-
монстрации возникновения вихревых ков диск для демонстрации
токов' вихревых токов легко
превращается в модель
тахометра, если свободный конец пружины, загнутый колечком,
насадить на крючок обоймы. Теперь вращение диска ограничено
пружиной и диск может совершать только крутильные
колебания.
Для демонстрации действия магнитного тахометра диск с
закрепленной пружиной приставляют к полюсам магнита, как и
в предыдущем опыте. Вращая магнит с небольшой скоростью,
следят за положением метки на диске и замечают, что диск
повернулся на небольшой угол. При увеличении скорости
вращения диск сильнее закручивает пружину и поворачивается
на больший угол. Таким образом, по углу поворота диска
можно судить о скорости вращения магнита. В спидометре
автомобиля магнит соединен гибким валом с колесами и увлекает
при своем движении алюминиевый цилиндр, соединенный со
стрелкой-указателем скорости.
Описанный здесь диск для демонстрации вихревых токов в
некоторых опытах может быть заменен алюминиевым стаканом
от калориметра. Последний насаживают вверх дном на острие
подставки для демонстрационной магнитной стрелки. Стакан
должен быть насажен точно по центру, это обычно легко
удается после нескольких проб. Над стаканом устанавливают
постоянный дугообразный магнит, закрепленный в шпинделе
центробежной машины, как показано на рисунке 253. При
вращении магнита вслед за ним в ту же сторону начинает
вращаться стакан.
240
ОПЫТ Самоиндукция при замыкании
94 и размыкании цепи
Оборудование: 1) трансформатор универсальный с дроссельной
катушкой, 2) реостат на 50 ом, 3) лампы маловольтные на подставках — 2 шт.,
4) лампа неоновая СН-2 на 127 в на подставке, 5) выключатель
демонстрационный, 6) провода соединительные, 7) ящики-подставки.
Из многочисленных известных установок для демонстрации
явления самоиндукции наиболее целесообразна установка,
изображенная на рисунке 254. Она проста, наглядна и дает
возможность демонстрировать явление самоиндукции как при
замыкании, так и при размыкании цепи.
Установка состоит из двух параллельных ветвей с
одинаковыми лампами на 3,5 в и 0,28 а. Последовательно с лампой в
верхней ветви включена дроссельная катушка из 3600 витков '
с замкнутым сердечником от универсального трансформатора,
а в другой ветви — реостат с сопротивлением не менее 50 ом.
К зажимам катушки присоединена неоновая лампа (например
СН-2 на 127 в). Для питания установки требуется источник
постоянного тока с напряжением 12—15 в (батарея
аккумуляторов или выпрямитель).
Рис. 254. Схема и установка для демонстрации явления самоиндукции.
1 При отсутствии дроссельной катушкн можно воспользоваться
катушкой на 220 в универсального трансформатора; это немного снизит эффект
опыта.
16 Заказ № 6047
241

U После сборки установки включают ток и подбирают
такое напряжение, чтобы лампа в верхней ветви горела
нормальным накалом. Яркость горения нижней лампы регулируют
реостатом, добиваясь, чтобы обе лампы горели одинаково.
Неоновую лампу отключают. На этом заканчивают подготовку
установки.
При' включении тока лампы загораются не одновременно:
нижняя загорается в момент включения, а верхняя — с
опозданием на 1 сек. Этим опытом показывают, что при замыкании
цепи вокруг сердечника индуцируется вихревое электрическое
поле, противодействующее нарастанию тока в катушке. Опыт
повторяют несколько раз.
Полезно показать, что при следующем друг за другом
включении и выключении тока верхняя лампа вовсе не загорается,
если частота включения достаточно велика. На этот опыт в
дальнейшем можно сослаться при введении понятия об
индуктивном сопротивлении.
2. При размыкании тока вокруг сердечника вновь
индуцируется вихревое электрическое поле, которое поддерживает
исчезающий ток. Однако в момент размыкания основной цепи
обе ветви образуют замкнутую цепь, которая мешает резкому
прекращению тока в катушке. Поэтому э. д. с. индукции в
катушке недостаточно велика и обнаружить ее трудно.
Чтобы показать явление самоиндукции при размыкании
цепи, надо отключить нижнюю ветвь (вывернуть из патрона
лампу) и к катушке присоединить неоновую лампу. Теперь при
размыкании цепи резкое прекращение тока в катушке индуцирует
настолько сильное вихревое поле, что неоновая лампа ярко
вспыхивает, хотя напряжение, необходимое для ее зажигания,
намного больше напряжения, подаваемого от источника тока,
питающего установку.
ОПЫТ Явление самоиндукции при измерениях
95 мостиком Уитстона
Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного
вольтметра, 2) магазин сопротивлений демонстрационный, 3) реохорд
демонстрационный, 4) трансформатор на подставке, 5) реостат из комплекта дли
фронтальных работ, 6) ключи телеграфные — 2 шт., 7) аккумуляторный элемент,
8) провода соединительные, 9) ящики-подставки.
Сначала учащимся показывают установку, на которой ранее
проводилось изучение мостика Уитстона (опыт 22, рис. 62).
Объектом измерения, как и тогда, служит небольшой реостат.
На этой установке вновь демонстрируют операцию нахождения
точки равного потенциала по отсутствию движения стрелки
гальванометра при замыкании и размыкании ключа. Затем
заменяют реостат низковольтной обмоткой демонстрационного
трансформатора (ее сопротивление около 2 ом) и, включив ток,
242
Рис. 255. Двойной ключ,
прилагаемый к
лабораторному реохорду
(схема).
отыскивают тако.е положение ползуна на реохорде, при
котором стрелка гальванометра устанавливается на нулевом
делении шкалы. Далее применяют уже известный прием проверки
установки, причем обнаруживается, что включение и
выключение тока резко отбрасывает стрелку то в одну, то в другую
сторону при любом положении ползуна на струне реохорда.
Дело в том, что проводник, сопротивление которого надо
определить, обладает заметной индуктивностью. Поэтому
указанный способ проверки установки на отсутствие тока
оказывается непригодным: в моменты замыкания и размыкания тока
в проводнике с индуктивностью возникает э. д. с. самоиндукции,
нарушающая равновесие моста. В этом случае добиться
неподвижности стрелки гальванометра невозможно.
Чтобы устранить вредное действие самоиндукции, применяют
специальный двойной ключ (рис. 255). При нажатии на
головку такого ключа сначала замыкаются контакты 1, включаемые
в цепь источника тока, а вслед за тем — контакты 2 в це«
пи гальванометра. Короткой паузы между этими моментами
достаточно для исчезновения э. д. с. самоиндукции, и в момент
включения гальванометра равновесие моста не нарушается.
Включив в цепь гальванометра второй ключ (рис. 256),
показывают, что при правильном положении ползуна на
реохорде и поочередном включении сначала первого, а затем второго
ключа никаких отбросов стрелки у гальванометра не
наблюдается. -
Рис. 256. Мостнк Уитстона с двумя ключами.
16* 243

ОПЫТ Использование самоиндукции для
95 зажигания люминесцентной лампы
Оборудование: 1) люминесцентная лампа на вертикальном щитке,
2) провода соединительные.
В современной люминесцентной лампе нашли себе
применение такие явления, как тепловое расширение тел, нагревание
проводника током, термоэлектронная эмиссия, самоиндукция,
электрический разряд в газах, ультрафиолетовое излучение,
люминесценция. Все эти явления изучаются в различных разделах
курса в разное время. Однако перечисленные явления так тесно
переплетены в этом приборе, что нельзя, например,
демонстрировать использование теплового расширения в стартере лампы,
пока учащиеся еще не знакомы с разрядом в газах или с
термоэлектронной эмиссией. Наиболее целесообразно впервые прибег,
нуть к изучению действия люминесцентной лампы при изучении
явления самоиндукции. К этому моменту учащиеся оказываются
уже подготовленными для того, чтобы понять процесс
возникновения газового разряда в лампе. В дальнейшем при изучении
явления люминесценции надо вновь вернуться к демонстрации
люминесцентной лампы, однако эти опыты будут иметь совсем
иной характер и на этом этапе уже нецелесообразно отвлекать
внимание учащихся па явления, используемые для зажигания
лампы1.
Люминесцентная лампа смонтирована для учебных целей на
вертикальной панели вместе с дросселем и пусковым
устройством (рис. 257). Лампа представляет собой стеклянную
трубку с двумя парами штырьков на концах для подведения тока к
электродам-спиралькам из активированной вольфрамовой про-
Рис. 257. Люминесцентная лампа с дросселем и
стартером.
1 Кроме указанных двух демонстраций, люминесцентная лампа
используется в качестве источника прерывистого света при демонстрации
стробоскопического метода определения числа оборотов (т. 1, опыт 39).
244
Рис. 258. Схема включения
люминесцентной лампы.
волоки. Баллон-лампы с
нанесенным на ее стенки люминофором
содержит пары ртути и аргон
при давлении в несколько
миллиметров ртутного столба. Для
включения в осветительную сеть
обе спирали лампы соединяют
последовательно с дросселем и
стартером, обеспечивающим
автоматическое зажигание лампы.
Схема включения показана на
рисунке 258. Стартер
представляет собой маленькую неоновую лампочку
(рис.259),заключенную в футляр из пластмассы или металла с небольшим
отверстием, через которое можно наблюдать свечение неона. С
помощью двух штырьков стартер вставляется в специальный
патрон.
Зажигание лампы происходит следующим образом. При
включении в-сеть возникает тлеющий разряд между электродами
стартера. Вследствие нагревания газовым разрядом
электроды, изготовленные из биметаллической пчастники,
изгибаются и касаются друг друга, замыкая цепь. Ток быстро
накаливает спирали, а в это время биметаллические электроды в
стартере успевают остыть и размыкают цепь. При разрыве цепи,
благодаря явлению самоиндукции, на концах дросселя
появляется значительный импульс напряжения, который и вызывает
ударную ионизацию и разряд в лампе. Возникновению разряда
способствует эмиссия электронов с нагретых спиралей. В
дальнейшем высокая температура спиралей поддерживается
током, проходящим через лампу.
Лампа не всегда зажигается с первого
импульса. Это объясняется тем, что момент
размыкания электродов в стартере не всегда
приходится на максимум тока, что было бы
наиболее благоприятным случаем. Если
размыкание произойдет в момент перемены
направления тока, то э. д. с. самоиндукции в
дросселе будет равна нулю и разряд не возникает.
В этом случае стартер будет снова повторять
все операции до тех пор, пока в лампе не
возникнет разряд. Во время горения лампы
дроссель выполняет роль сопротивления,
ограничивающего ток в лампе.
В этом опыте главное внимание уделяется
явлению самоиндукции. Поэтому перед
опытом надо удалить стартер и показать, что для
зажигания лампы достаточно замкнуть цепь
.имеющейся на колодке . стартера кнопкой-и
Рис. 259.
Устройство
стартера (снят
защитный
колпак).
245

разомкнуть ее, когда накалятся спирали. При этом, лампа
вспыхивает. Если лампа не зажигается после первого
замыкания кнопки, замыкание и размыкание повторяют, пока лампа
не вспыхнет. Объяснив действие дросселя, показывают и
объясняют автоматическое зажигание лампы с помощью стартера.
§ 2. АКТИВНОЕ И РЕАКТИВНОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА
Глубина изучения отдельных вопросов программы
оказывает большое влияние и на методику преподавания, и на
последовательность в расположении учебного материала. При
изучении переменного тока учащиеся должны получить понятие о
реактивном сопротивлении, о сдвигах фаз между колебаниями
тока и напряжения, о законе Ома для переменного тока. В эту
же тему необходимо включить и понятие об электрическом
колебательном контуре. Едва ли надо доказывать, что без него
невозможно понять явление электрического резонанса. С
колебательным контуром целесообразно ознакомить учащихся в
самом начале темы, связав затем свободные затухающие
колебания в колебательном контуре с вынужденными колебаниями в
цепях переменного тока. Именно в такой последовательности и
описаны ниже опыты по переменному току.
Свободные электрические колебания
Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного
амперметра, 2) батарея конденсаторов на 60 мкф, 3) катушка дроссельная с
сердечником, 4) переключатель однополюсный, 5) провода соединительные,
6) ящик-подставка.
При изучении механических колебаний обычно прибегают к
демонстрации такой механической колебательной системы
(маятник, груз на пружине), в которой колебания совершаются
с возможно большим периодом. В этом случае лучше
усваивается влияние массы и упругости на характер колебаний,
раздельно наблюдаются характерные моменты в процессе превращения
энергии. На этом же основании целесообразно для
аналогичного объяснения свободных электрических колебаний
пользоваться электрическим колебательным контуром с возможно меньшей
собственной частотой и наименьшим затуханием.
В условиях физического кабинета средней школы
наилучшие результаты можно получить от установки, изображенной
246
Рнс. 260. Электрический колебательный контур.
на рисунке 260. В ней колебательный контур составлен из
батареи конденсаторов с полной емкостью в 60 мкф и дроссель-
ной катушки из 3600 витков с замкнутым-сердечником от
универсального трансформатора. Посредством однополюсного
переключателя батарею можно поочередно переключать на заряд
от источника постоянного тока (100—120 в) и на разряд через
дроссельную катушку.
Индикатором колебаний служит гальванометр от
демонстрационного амперметра с внутренним сопротивлением 385 ом. С
катушкой колебательного контура он связан индуктивно
посредством небольшой однослойной обмотки, намотанной
поверх дроссельной катушки. Две части этой обмотки в 15 и 25
витков подведены к трем зажимам. Для связи пользуются всей
обмоткой из 40 витков.
Сначала заряжают конденсатор и, переключив его на ка»
тушку, показывают, что разряд конденсатора имеет
колебательный характер, так как стрелка гальванометра при этом
совершает несколько затухающих колебаний с частотой около
2 гц. Опыт повторяют несколько раз и объясняют наблюдаемое
явление, прибегая к механической аналогии (см. т. I, опыт 58).
При этом сопоставляют энергетические превращения в
электрическом контуре и в механической колебательной системе?
сравнивают роль индуктивности и массы, емкости и упругости,
электрического и механического сопротивления.
Далее показывают, что, поскольку колебания в контуре не
«навязываются» извне, а являются свободными, частота
колебаний зависит только от параметров самого контура и явля-
247

ется собственной частотой данного контура. Для этого
уменьшают сначала емкость батареи, затем количество витков
катушки в контуре и, возбуждая колебания, получают заметное
увеличение частоты колебаний стрелки.
Знакомство с колебательным контуром пока этим
ограничивают, с тем чтобы в конце темы дать более обстоятельные
сведения о зависимости собственной частоты колебательного
контура от его параметров, а в связи с изучением
незатухающих колебаний —о затухании (опыт 109).
При подготовке установки надо иметь в виду, что большое
значение для успешного проведения опыта имеет подбор
напряжения, подаваемого на конденсатор при его заряде, а
также выбор индикатора и связь его с колебательным контуром.
Для получения возможно большего количества колебаний
необходимо увеличить первоначальный запас энергии в
конденсаторе. Для этого надо увеличить напряжение источника.
Оказывается, однако, что при увеличении напряжения, подаваемого
на конденсатор, выше 130 в амплитуда колебаний такова, что
сердечник катушки приближается к насыщению.. Это приводит
к уменьшению индуктивности катушки, и частота колебаний
резко возрастает, что крайне нежелательно. Наилучшие
результаты получаются при напряжении около 120 в.
Естественно, что гальванометр, подключенный к
колебательному контуру, отбирает от него некоторую часть энергии
и тем самым увеличивает затухание. Поэтому наилучшим
индикатором будет гальванометр с наибольшей чувствительностью.
В зависимости от чувствительности и внутреннего
сопротивления гальванометра должно быть подобрано число витков
катушки связи. Для гальванометра сопротивлением 2,3 ом (от
демонстрационного вольтметра) обмотка, намотанная поверх
дроссельной катушки, слишком велика, но она хорошо
согласуется с данными гальванометра сопротивлением 385 ом (от
демонстрационного амперметра).
При наличии в физическом кабинете двух дроссельных
катушек период колебаний может быть заметно увеличен, если
обе катушки насадить на сердечник и согласованно их
соединить (рис. 261). Одна из обмоток связи в этом случае не
используется. Такое увеличение периода значительно усиливает
эффект опыта.
Рис. 261. Соединение двух
дроссельных катушек.
248
ОПЫТ
98
Однофазный переменный ток
Оборудование: 1) осциллограф электронный, 2) звуковой
генератор, 3) машина магнитоэлектрическая, 4) трансформатор на панели,
5) лампа 3,5 в на подставке, 6) провода соединительные.
В отличие от свободных колебаний вынужденные колебания
в электрической цепи возбуждаются постоянно действующим
источником э. д. с. Часто таким источником является
индукционный генератор переменного тока.
Приступая к более глубокому изучению свойств
переменного тока, с помощью осциллографа показывают, что график
переменного тока, питающего большую часть наших
промышленных установок и бытовых приборов, имеет синусоидальную
форму. Однако целесообразно продемонстрировать также
переменный ток, в котором изменения совершаются по другим
законам, и сравнить полученные осциллограммы.
Для сравнения осциллограмм их надо демонстрировать
одну за другой без перестройки осциллографа. Поэтому
желательно, чтобы частоты и амплитуды токов, подлежащих
сравнению, были по возможности одинаковыми. Такие токи можно-
получить от осветительной сети через трансформатор,
понижающий напряжение до 4 в, и от школьной
магнитоэлектрической машины, которая при нормальном вращении ручного
привода дает переменный ток частотой около 50 гц и так же
нормально накаливает лампу от карманного фонаря.
При демонстрации осциллограмм лампу все время
оставляют присоединенной к входным зажимам осциллографа, а
вторую пару проводов от нее присоединяют поочередно к каждому
из источников. На рисунке 262, а и б изображены
осциллограммы тока в лампе, полученного от осветительной сети и от
магнитоэлектрической машины. Если позволит время, полезно
показать еще одну осциллограмму (рис. 262, в); ее можно по-
Рис. 262. Осциллограммы, переменного тока: ;
о —от осветительной сети: б —от магнитоэлектрической маш!
в —от генератора, .из набора по трехфазному току.
249

лучить от одной из обмотбк генератора из набора по
трехфазному току. К сожалению, от этого прибора нельзя получить ток
такой же частоты, если пользоваться ручным приводом.
Поэтому частоту горизонтальной развертки осциллографа
придется уменьшить.
Для иллюстрации рассказа о частоте, периоде и амплитуде
переменного тока осциллограф и лампу присоединяют к
зажимам низкоомного. выхода звукового генератора,
настроенного предварительно на частоту 50 гц и минимум амплитуды.
Поворачивая регулятор амплитуды, доводят накал лампы до
нормального и включают громкоговоритель так, чтобы
звучание было не громким. При этих условиях на экране
осциллографа будет получена такая же синусоида, как и в
предыдущем опыте. Горение лампы теперь сопровождается звучанием
громкоговорителя. Поворачивая регулятор амплитуды,
наблюдают одновременное изменение яркости горения лампы и
громкости звука. Соответственно изменяется и амплитуда кривой
на экране осциллографа.
Затем поворачивают лимб настройки частоты. При этом
яркость лампы остается прежней, а высота тона изменяется.
Подстраивая частоту горизонтальной развертки осциллографа
для получения устойчивого изображения, демонстрируют
соответствующее увеличение числа воли синусоиды.
ОПЫТ Амплитудное и действующее значения
99 напряжения
Оборудование: 1) вольтметр ■ демонстрационный, 2) лампа
неоновая в патроне, 3) выпрямитель ВУП-1, 4) автотрансформатор РНШ,
5) ящик-подставка, 6) провода соединительные.
Описанный ниже опыт носит иллюстративный характер;
целью его проведения является экспериментальное
подтверждение выведенного теоретически соотношения между
амплитудным и действующим значениями переменного тока'.
U,
осоУ^таНОВКа ДЛЯ пР°веДения опыта изображена на рисунке
2Ь6. Она дает возможность измерить минимальное напряжение
которое необходимо для зажигания лампы при постоянном и
переменном токе. При первом измерении мы непосредственно
находим напряжение зажигания, а при втором вольтметр по-
',ЯМ;:, *Методика преподавания физики в средней школе», т. III, под
ред Б. М. Яворского. М„ изд-во АПН РСФСР, 1961, стр. 332-335;
О. Ю. Кацас. Связь между действующим и амплитудным значениями тока'
«Физика в школе», 1956, № 3, стр. 74.
250
Рис. 263. Сравнение эффективного и амплитудного значений
напряжения.
казывает действующее значение напряжения, когда амплитуда
напряжения Достигает уже измеренного ранее напряжения
зажигания. Разделив напряжение зажигания на действующее
напряжение переменного тока, находим, что последнее
приблизительно в 1,4 раза меньше амплитудного. Это является
экспериментальным подтверждением выведенного ранее
соотношения.
Наиболее удобна для опыта неоновая лампа типа СН-2'.
У нее нормальный цоколь, баллон и электроды большого
размера. Для измерения действующего и амплитудного
напряжений надо иметь вольтметр для постоянного и переменного тока
на 150 в. Школьный демонстрационный вольтметр имеет
пределы 15 в и 250 в для переменного тока и 5 в и 15 в для
постоянного, т. е. для данного опыта он не приспособлен. Чтобы
обойти это затруднение, можно воспользоваться шкалами на 15 в
и подобрать такие два добавочных сопротивления отдельно
для постоянного и переменного тока, чтобы при напряжении
150 в стрелка вольтметра отклонялась на всю шкалу. В
качестве добавочных сопротивлений лучше всего воспользоваться
переменными резисторами, а при их регулировке
руководствоваться показаниями какого-либо эталонного вольтметра.
Для успешного проведения опыта решающее значение имеет
качество фильтра выпрямителя. Испытания показывают, что
фильтр выпрямителя ВУП-1 сглаживает пульсацию достаточно
хорошо2.
1 Лампа СН-2 на 127 в (новое название ТН-30). Можно
воспользоваться и лампой СН-1 на 220 в (новое название ТН-20); однако напряжение
зажигания у нее приблизительно вдвое выше.
3 Наилучшим источником постоянного тока для данного опыта могла
бы служить батарея гальванических или аккумуляторных элементов,
например батарея БАС-60 и БАС-80.
251

Опыт проводят в такой последовательности. К неоновой
лампе присоединяют вольтметр, используя его зажимы для
постоянного тока. Устанавливают ручку потенциометра в
выпрямителе на нуль и к зажимам выпрямителя второй парой
проводов присоединяют лампу, следя за соответствием
обозначений полюсов на зажимах вольтметра и источника тока.
Медленно поворачивая ручку потенциометра, наблюдают за
стрелкой вольтметра, и в момент зажигания лампы замечают его
максимальное показание (зажигание происходит при
напряжении около 75 в, после чего сразу же немного уменьшается).
Далее присоединяют провода с выпрямителя на
автотрансформатор, поставив предварительно его ручку на нуль. С
правого зажима вольтметра провод переносят па левый зажим
(для переменного тока) и так же медленно поворачивают ручку
автотрансформатора. В момент зажигания лампы вольтметр
показывает действующее напряжение переменного тока
(приблизительно 55 в), при котором амплитуда напряжения
равна напряжению зажигания. На этом эксперимент
заканчивается.
ОПЫТ
Емкостное и индуктивное сопротивление
Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) батарея конденсатороь,
3) трансформатор универсальный, 4) реостат 6—10 ом, из набора для
фронтальных работ, 5) лампа маловольтная на подставке, 6)
громкоговоритель, 7) переключатель, 8) батарея аккумуляторов З-НКН-10, 9) проводники
соединительные, 10) ящики-подставки.
Этот опыт проводят для того, чтобы показать, какое
действие оказывают на лампу включенные последовательно с ней
реостат, конденсатор или катушка с железным сердечником
при питании цепи постоянным, а затем переменным током. На
основании полученных результатов вводится понятие о
емкостном и индуктивном сопротивлении; выясняется зависимость
величины сопротивления от емкости или индуктивности, а
также от частоты переменного тока.
Установка для проведения опыта и ее схема изображены па
рисунке 264. Последовательно с лампой па 3,5 в и 0,28 а
включен реостат на 6 ом. Источником тока в зависимости от
положения ^переключателя служит аккумуляторная батарея ши
звуковой генератор. Параллельно лампе и реостату
присоединен громкоговоритель, который служит звуковым индикатором
изменения частоты. Он должен иметь свой собственный
регулятор, при помощи которого громкость звучания снижают'до
минимума. В генераторе используется низкоомный выход
(5 ом).
252
Рис. 264. Схема и установка для демонстрации индуктивного
и емкостного сопротивлений в цепи переменного тока.
Перед демонстрацией опыта звуковой генератор
настраивают на частоту около 300 гц и устанавливают такую
амплитуду колебаний, чтобы при попеременном включении
аккумуляторов и звукового генератора лампа горела с одинаковой
яркостью. Изменяя в небольших пределах частоту переменного
тока, показывают, что при этом изменяется высота тона
громкоговорителя, но яркость горения лампы остается постоянной.
Затем изменяют сопротивление реостата и устанавливают, что
эффект от такого изменения при постоянном и переменном
токе одинаков.
Заменив реостат батареей конденсаторов емкостью ЪОмкф,
показывают, что конденсатор при любой емкости не
пропускает постоянного тока. При включении же переменного тока
лампа загорается и горит почти полным накалом. Уменьшение
емкости конденсатора вызывает ослабление накала лампы.
Следовательно, конденсатор оказывает сопротивление
переменному току тем меньше, чем больше емкость конденсатора.
Изменяя частоту переменного тока в пределах 200—2000 гц,
показывают, что с увеличением частоты при постоянной
емкости конденсатора яркость горения лампы увеличивается.
Таким образом, сопротивление конденсатора переменному току
уменьшается с увеличением частоты тока. На основании
результатов этого исследования вводят понятие о емкостном
сопротивлении и зависимости его величины от емкости и
частоты:
Аналогично демонстрируют индуктивное сопротивление и
его зависимость от индуктивности и частоты. Для этого вместо
реостата и конденсатора последовательно с лампочкой вклю-
253

чают катушку на 120 в от универсального трансформатора.
В этом случае при питании постоянным током лампа
накаливается так же, как и с реостатом, а при включении
переменного тока накал лампы оказывается заметно слабее. Внесение
внутрь катушки ярма от сердечника трансформатора, т. е.
увеличение индуктивности, совсем гасит лампу. Такое же
действие оказывает и увеличение частоты. Эти опыты раскрывают
понятие об индуктивном сопротивлении и служат основанием
для введения формулы:
RL=2icfL.
ОПЫТ Сдвиги фаз в цепи с емкостью
1д1 и индуктивностью
Оборудование: 1) осциллограф электронный, 2) коммутатор к
осциллографу, 3) батарея конденсаторов, 4) трансформатор универсальный,
5) реостат на 100 ом — 2 шт., 6) проводники соединительные.
В цепи переменного тока на участке, содержащем емкость
или индуктивность, колебания тока происходят не в одной
фазе с колебаниями напряжения. В первом случае колебания
тока опережают по фазе колебания напряжения, во втором —
отстают от них. И в том и в другом случае разность фаз может
принимать любые значения в пределах от 0 до -^- в
зависимости от соотношения между величинами активного и реактивного
сопротивлений данного участка.
Наилучшим инструментом для исследования такой цепи
является электронный осциллограф, который в соединении с
автоматическим коммутатором действует как двухлучевой. В
данном опыте предполагается применение осциллографа CI-!
(ЭО-7), но вполне возможна его замена школьным
осциллографом или другими приборами такого же типа. В настоящее
время опубликовано довольно много различных конструкций
коммутаторов электромеханических и электронных. Можно
воспользоваться любым из них при условии, что его два входа
разделены, т. е. не имеют общей точки. Такой коммутатор
дает возможность перевернуть фазу путем перестановки
проводов иа зажимах одного из входов, что для данного опыта
очень существенно.
Фазовые сдвиги для цепей с емкостью и индуктивностью
исследуют раздельно. Сначала собирают установку,
изображенную на рисунке 265 по схеме, помещенной иа том же
рисунке. Эта установка состоит из двух одинаковых реостатов
по 100 ом каждый и конденсаторной батареи с включенной
емкостью 8 мкф. На зажимах батареи предусмотрен короткий
проводничок, которым можно было бы при необходимости за-
254
1 А . **»
Рис. 265. Установка для демонстрации сдвига фаз в цепи с емкостью.
коротить зажимы конденсаторной батареи. Вся цепь питается
от источника переменного тока на 30—50 в.
Для получения на экране осциллографа кривой силы тока
в конденсаторе на вход I коммутатора подают напряжение с
зажимов первого реостата и полученную кривую напряжения
на реостате рассматривают как кривую силы тока в
конденсаторе. Это вполне допустимо, поскольку фазы колебания
силы тока на всех последовательных участках одинаковы, а на
реостате, имеющем чисто активное сопротивление, фазы
колебания силы тока и напряжения-совпадают.
На вход II подают напряжение с участка, состоящего из
второго реостата и конденсатора. На этом участке полученная
кривая напряжения не совпадает с кривой тока.
Чтобы получить правильное взаимное расположение
кривых, конденсатор закорачивают, соединив проводничком его
зажимы, а сопротивление соединенного с ним реостата
доводят до предела. Если после этого кривые совпадут по фазе
(рис. 266), значит, коммутатор включен правильно. Если фазы
их окажутся противоположными, надо провода на зажимах
одного из входов поменять местами. Чтобы различать кривые
тока и напряжения, поворачивают ручки потенциометров на
входах коммутатора так, чтобы амплитуды кривых заметно
отличались друг от друга (на приведенных рисунках
амплитуда тока). Это и будет первой операцией в данном опыте, ко'-
торую надо показать и объяснить учащимся. Результат этой
операции показывает, что кривые тока (а также и
напряжения) на двух участках, содержащих только активные
сопротивления, совпадают по фазе (рис. 266).
Далее уменьшают сопротивление второго реостата до нуля,
а закорачивающую перемычку с зажимов конденсатора
удаляют. В результате этого кривая напряжения на конденсаторе
' 265

Рис. 266. Кривые тока и на- Рис. 267. Кривая напряже-
пряжения совпадают по ния отстает от кривой тока,
фазе.
оказывается сдвинутой по фазе относительно кривой тока па
Y (рис. 267).
Важно показать, какая из двух кривых относится к току и
какая к напряжению и что именно кривая тока опережает
кривую напряжения. Для этого слегка поворачивают ручку /
входа коммутатора и по изменению вида осциллограммы
показывают, что это кривая тока: она идет впереди кривой
напряжения. Последняя оказывается сдвинутой вправо
относительно кривой тока.
Затем увеличивают сопротивление второго реостата и
наблюдают уменьшение сдвига фаз. Таким образом показывают,
что на участке с активным и реактивным сопротивлением сдвиг
фаз тем меньше, чем больше
активное и меньше реактивное
сопротивление.
После того как полученные на
экране осциллографа кривые
зарисованы на классной доске и в
тетрадях, батарею конденсаторов
вместе со вторым реостатом убирают и
на ее место включают катушку
«220» с сердечником и наполовину
сдвинутым ярмом 1. Теперь
наблюдаемая на экране кривая тока
сдвинута вправо но отношению к кри-
Рис. 268. Кривая напряже- вой напряжения. Следовательно, ко-
ния опережает кривую тока. лебания тока отстают по фазе от
колебаний напряжения (рис. 268).
1 При этом условии индуктивное сопротивление катушки близко по
величине к емкостному сопротивлению конденсатора и установка не потребует
слишком большого повторного регулирования.
256
Одновременно можно заметить, что сдвиг фаз в этом
случае меньше, чем —. Это объясняется тем, что катушка
обладает не только реактивным, но и небольшим активным
сопротивлением, устранить которое, конечно, невозможно. Наличие
этого сопротивления освобождает от необходимости включать
дополнительно реостат.
Полученные на экране осциллографа кривые тока и
напряжения вычерчивают на доске и в тетрадях и сравнивают с
кривыми, полученными для цепи с емкостью.
ОПЫТ Распределение напряжений в цепи
J02 переменного тока со смешанной нагрузкой
Оборудование: 1) вольтметр демонстрационный, 2) батарея
конденсаторов на 8 мкф, 3) катушка дроссельная с сердечником, 4) лампа на
подставке с зажимами, 5) пропода соединительные.
Для исследования распределения напряжений на
различных участках цепи переменного тока, содержащей активное,
емкостное и индуктивное сопротивления, соединяют
последовательно лампу накаливания (40 вт, 220 в), 2400 витков
дроссельной катушки с железным сердечником и батарею
конденсаторов емкостью 2 мкф. Сдвинув до половины ярмо
сердечника, собранную установку (рис. 269) включают в сеть
переменного тока 50 гц, 127 в. При этих условиях лампа горит
слабым накалом. Для измерения напряжений берут
демонстрационный вольтметр с добавочным сопротивлением и шкалой для
измерения напряжений до 250 в, присоединяют к нему
достаточно длинные провода и измеряют напряжение отдельно
на зажимах конденсатора, катушки и лампы. Затем измеряют
Рис. 269. Установка для демонстрации распределения напряжений
в цепи переменного тока со смешанной нагрузкой.
17 Заказ J6 6047
257

напряжение на концах всей установки и записывают
результаты измерений. Например:
С/с= 165в, Ui=70e, UR=60e, U=125e.
Обращают внимание учащихся, что общее напряжение не
равно сумме напряжений, измеренных на отдельных участках.
Далее закорачивают батарею конденсаторов и показывают,
что при этом лампа гаснет или накал ее уменьшается. К
такому же результату приводит и закорачивание катушки.
Таким образом оказывается, что при уменьшении емкостного или
индуктивного сопротивления полное сопротивление цепи не
уменьшается, а увеличивается.
На предыдущем опыте учащиеся наблюдали на экране
осциллографа графики колебаний тока и напряжения и
установили, что колебания напряжения на емкостной нагрузке
отстают по фазе от колебаний тока на —, а на индуктивной
нагрузке на столько же их опережают. Отсюда следует, что
разность фаз между колебаниями напряжения на емкостной и
индуктивной нагрузках составляет — -+- —- =«, т. е. их фазы
противоположны. Из этого следует, что результирующее
напряжение на концах участка, состоящего из катушки и
конденсатора, равно разности составляющих напряжений. В самом
деле, вольтметр, присоединенный к концам этого участка,
показывает 95 в. Следовательно,
Ucl=Uc-Ul.
Проведенные опыты и рассуждения -до некоторой степени
могут служить основанием для введения формулы:
U = VU%+{Uc-Ul)*.
Согласно этой формуле напряжение на концах группы
проводников, содержащей активное и реактивное сопротивления,
равно векторной сумме напряжений на отдельных ее участках.
По закону Ома
l7=/Z, Ur=IR, Uc=IRc, Ul^IRl.
Следовательно, Z= VR2+( Rc— Rl)2 , где Z — общее
сопротивление всей цепи, R — ее активное сопротивление,
Re—емкостное сопротивление, a Rl — индуктивное сопротивление.
Из рассмотрения приведенной формулы и из результатов
проведенного опыта легко заключить, что сопротивление всей
демонстрируемой цепи будет равно сопротивлению лампы
Z=R,
когда Rc—Ri=0, т. е. Rc= Rl.
258
В нашей установке Uc =165' в, a UL —TO-е.
Следовательно, Rc>Rl. Но ^с~ъ^г- Отсюда ясно, что для
уменьшения Re надо увеличить емкость С. Увеличим емкость
с 2 мкф до 4 мкф. При этом лампа ярко загорается.
Измерение напряжений показывает, что теперь и на конденсаторе, и
на катушке напряжение одинаково и равно 95 в, общее же
их напряжение близко к нулю (несовпадение с нулем
объясняется наличием некоторого активного сопротивления обмотки
дросселя).
Увеличивая емкость батареи до 8 мкф и уменьшая ее до
2 мкф, показывают, что в том и другом случае яркость лампы
уменьшается.
Напоминают учащимся, что соединение конденсатора и
катушки образует колебательный контур, которому свойственна
некоторая собственная частота (опыт 97). Очевидно, что при
выравнивании индуктивного и емкостного сопротивления
Rc=Ri
собственная частота контура становится равной частоте
колебания э. д. с. источника тока, т. е. возникает явление резонанса.
опыт ■
Электрический резонанс
Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) батарея конденсаторов,
3) трансформатор универсальный, 4) громкоговоритель, 5) лампа
маловольтная на подставке, 6) провода соединительные.
На предыдущем опыте было установлено, что равенство
индуктивного и емкостного сопротивления является условием для
возникновения резонанса в колебательном контуре. Но
Это дает возможность определить собственную частоту
колебательного контура
--2nfL, или / =
2«/С J ' J 2*V~LC '
Выраженную в этой формуле зависимость резонансной
частоты от емкости и индуктивности колебательного контура
показывают на установке, изображенной на рисунке 270. Она
состоит из катушки на 12 в от универсального трансформатора
с незамкнутым сердечником, батареи конденсаторов и
маловольтной лампы, соединенных последовательно и
подключенных к низкоомному выходу звукового генератора. К этим же
зажимам присоединен громкоговоритель со своим регулятором
17* 259

Рис. 270. Установка для демонстрации зависимости резонансной
частоты от емкости и индуктивности колебательного контура.
громкости. Громкоговоритель служит звуковым индикатором
частоты.
Перед опытом установку заранее настраивают в резонанс.
Для этого катушку трансформатора включают полностью, а
на батарее устанавливают емкость 2 мкф. Включив генератор,
вращают лимб в диапазоне 2000—20 000 гц, пока яркость лампы
не станет максимальной. Это будет при частоте около 3000 гц.
Опыт демонстрируют в такой последовательности.
1. Включают генератор и, когда лампа загорается,
закорачивают поочередно сначала конденсатор, затем катушку. В
обоих случаях лампа светит одинаково тускло. Это значит, что
при частоте 3000 гц индуктивное и емкостное сопротивления
равны. Изменяя в небольших пределах частоту, показывают,
что при любом изменении частоты резонанс нарушается.
Изменение частоты отмечают по высоте тона громкоговорителя.
2. Уменьшают индуктивность контура, включив половину
витков катушки, и наблюдают нарушение резонанса. Для
восстановления резонанса, как следует из формулы, частоту
приходится увеличить (приблизительно до 5500 гц).
3. Восстанавливают прежние условия и уменьшают емкость
конденсатора до I мкф. Это вновь нарушает резонанс,
который восстанавливается примерно таким же увеличением
частоты.
4. Вернув установку в исходное состояние, уменьшают
индуктивность катушки, а емкость увеличивают до 4 мкф. В
соответствии с формулой нарушения резонанса почти не
наблюдается.
В этих опытах нельзя получить точные количественные
зависимости, так как батарея конденсаторов не может служить
эталоном емкости, а изменение индуктивности при
переключениях на зажимах катушки не может быть определено
достаточно точно,
260
§ 3. ПРИБОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
опыт Л ^
Однофазный трансформатор
Оборудование: 1) амперметр демонстрационный, 2)
трансформатор универсальный, 3) реостат на 5 ом, 4) проводники соединительные.
При изучении трансформатора в восьмилетней школе
обычно демонстрируют устройство и действие трансформатора,
понижающего и повышающего напряжение, его применение для
уменьшения потерь в линиях передачи, а также для
электроплавки и электросварки. В старших классах устройство
трансформатора и протекающие в нем процессы изучаются более
глубоко. Однако значительная часть необходимых опытов с
трансформатором имеет характер лабораторного
исследования и относится к физическому практикуму. На
демонстрациях же надо показать и разъяснить важнейшую особенность
трансформатора; он автоматически регулирует потребление
энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи.
1. Сначала демонстрируют холостой ход трансформатора.
Для этого зажимы катушки на 120 в универсального
трансформатора присоединяют через демонстрационный амперметр на
3 а к сети с напряжением 120 в (рис. 271). Не замыкая пока
зажимов вторичной обмотки, обращают внимание учащихся,
что при включении первичной обмотки стрелка амперметра
отклонилась от нуля незначительно и показывает около 0,2 а.
Обмотка трансформатора имеет небольшое активное
сопротивление, но благодаря наличию стального сердечника и
большого числа витков она обладает достаточной индуктивностью.
Поэтому ток холостого хода невелик.
Рис 271. Установка для демонстрации потребления энергии
трансформатором в зависимости от нагрузки.
261

В этом случае
энергия, потребляемая
трансформатором, идет на
нагревание обмотки и
сердечника,- вследствие его
перемагничивания и
возникновения небольших
вихревых токов.
Далее присоединяют к
крайним зажимам
вторичной обмотки реостат
и, плавно уменьшая его
Рис 272. Демойстрация сбрасывания сопротивление, показыва-
кольца. ' ют, что ток в первичной
цепи увеличивается и
достигает приблизительно 2а.
Таким образом, учащиеся убеждаются в том, что при
работе трансформатора автоматически устанавливается
равновесие между величиной энергии, которую нагрузка потребляет
от трансформатора, и величиной энергии, которая поступает в
него из сети.
2. При анализе этого явления выясняют фазовые
соотношения между колебаниями токов и напряжений.
Устанавливают, что токи в первичной и вторичной цепях нагруженного
трансформатора отличаются по фазе почти на 180°, Это
подтверждают следующим опытом. Из предыдущей установки;
удаляют реостат и вторичную катушку. Ярмо от сердечника
ставят вертикально над оставшейся катушкой и надевают на
него алюминиевое кольцо (рис. 272). При включении тока
кольцо резко подбрасывается и слетает с ярма. Надетое вновь
кольцо висит, удерживаясь на некоторой высоте.
Продолжая опыт, предлагают одному из учащихся опустить
кольцо и удерживать его у катушки. При этом наблюдается
усиление тока с 2а почти до За, а через короткое время
обнаруживается, что экспериментатор не может удерживать кольцо
и сообщает о его сильном нагревании.
Полученные результаты приводят учащихся к заключению,
что индукционный ток в кольце довольно велик и направлен
противоположно току в катушке. Этот индукционный ток
создаёт в сердечнике переменный магнитный поток,
направленный противоположно потоку, создаваемому основным током в
катушке, вследствие этого э. д. с. самоиндукции в катушке
уменьшается, что влечет за собой уменьшение ее
индуктивности и усиление тока.
262
ОПЫТ
105
Электрический звонок
переменного тока
Оборудование: I) трансформатор универсальный, 2) самодельные
добавочные детали для сборки модели звонка, 3) ключ, 4) провода
соединительные.
Образование двух противоположных магнитных потоков в
сердечнике полностью нагруженного трансформатора,
показанное на предыдущем опыте, положено в основу устройства
современного бытового электрического. звонка переменного
тока. Действующую демонстрационную модель такого звонка,
изображенную на рисунке 273, легко собрать из
универсального трансформатора и двух самодельных деталей: вибратора с
бойком и стойки со звонковой чашкой.
' Устройство и размеры этих деталей показаны на .рисунках
274 и 275. Детали надо изготовить из мягкой стали и окрасить
в яркие цвета так, чтобы они хорошо выделялись на фоне
сердечника.
При сборке модели вибратор насаживают на основание
сердечника и зажимают винтом. Затем на сердечник надевают
катушки и сердечник замыкают ярмом. Поверх ярма
устанавливают стойку со звонковой чашкой; пластину, которая служит
ее основанием, зажимают винтами вместе с ярмом.
Для нормальной работы модели необходимо отрегулировать •
зазоры между верхним концом вибратора и ярмом и между
бойком и звонковой чашкой. Первый зазор подгоняют один раз
при изготовлении вибратора. Величина зазора 2—3 мм.
Второй зазор регулируют во время действия звонка
передвижением основания стойки и поворотом звонковой чашки. Обычно
для этой цели отверстие в- ней несколько смещено от центра.
Рис. 273.
Демонстрационная модель звонка
переменного тока.
2f>3

30
♦ ..я
fc
V*
so
£вЕЭ
on
•^Т1_Ж
Рис. 274. Вибратор.
Для демонстрации действия звонка зажимы первичной
катушки присоединяют к сети переменного тока
соответствующего напряжения, а крайние зажимы низковольтной катушки
присоединяют к ключу, который будет выполнять роль
звонковой кнопки. При замыкании ключа звонок звонит.
Действие звонка объясняют следующим образом. Пока
вторичная обмотка не замкнута, переменным током первичной
обмотки в сердечнике
возбуждается переменный
магнитный поток, почти полностью
замкнутый внутри
сердечника. При замыкании вторичной
обмотки накоротко в ней
возникает переменный ток. Токи
в первичной и вторичной
обмотках противоположны по
фазе, и в сердечнике
происходит такое
перераспределение магнитного потока, при
котором он уже не замкнут
внутри сердечника, а
образует две параллельные ветви с
выходом в окружающее
пространство. Вибратор,
прикрепленный к сердечнику,
оказывается теперь в
переменном магнитном поле,
которое и приводит его в
колебательное движение.
Рис. 275. Звонковая чашка. На рисунке 276 показан
264
магнитный спектр переменного
магнитного поля вокруг
сердечника трансформатора с
замкнутой вторичной обмоткой,
полученный с помощью железных
опилок. Чтобы получить такой
спектр, надо в листе плотной
бумаги вырезать отверстие по
форме трансформатора,
погрузить ее на короткое время в
кювету с расплавленным
парафином и дать избытку парафина
стечь. Затем положить
трансформатор горизонтально и
наложить подготовленный лист.
Чтобы края листа не обвисали,
под них надо подложить
подходящие по высоте одинаковые
деревянные или картонные
подставки.
Насыпав на бумагу с
помощью ситечка равномерный слой железных опилок, включают
в первичную обмотку переменный ток и замыкают зажимы
Вторичной обмотки. При этом образуется спектр. Если он
недостаточно отчетлив, можно слегка постучать карандашом по
бумаге. После выключения тока надо включить небольшую
электроплитку, повернуть ее спиралью вниз и облучить последовательно
все участки спектра. Тонкий слой парафина, расплавляясь
ненова застывая, закрепляет опилки на бумаге. После этого
закрепленный спектр можно снять и показать учащимся при
проведении описанного выше опыта.
Рис. 276. Спектр переменного
магнитного поля вокруг сердечника
трансформатора с замкнутой
вторичной обмоткой.
ОПЫТ
106
Электродвигатель однофазного
переменного тока
Оборудование: 1) электродвигатель однофазный, 2) трансформатор
универсальный, 3) диск для опытов с вихревыми токами или алюминиевый
стакан от калориметра, стойка с острием и медная пластинка, 4) проводники
соединительные, 5) ящик-подставка.
Однофазный электродвигатель переменного тока, например,
от маломощного вентилятора разбирают и показывают
учащимся отдельно статор и ротор (рис. 277). Для выяснения
принципа действия такого двигателя применяют следующую
простую установку. На сердечник универсального
трансформатора надевают катушку на 120/220 в и над нею зажимают
ярмо, как показано на рисунке 278. Перед концом ярма уста-
265

Рис. 277. Вентиляторный
однофазный электродвигатель в
разобранном виде.
Рис. 278. Установка для
демонстрации принципа действия
однофазного электродвигателя.
навливают стойку с острием от демонстрационной магнитной
стрелки, а на острие путем нескольких проб точно по центру
насаживают вверх дном алюминиевый стакан от калориметра.
Затем к зажимам катушки подводят переменный ток
соответствующего напряжения, а к торцу ярма прикладывают медную
пластину (из набора по электролизу). Если перекрыть
пластиной приблизительно половину торцевой поверхности ярма, то
стакан начинает вращаться на острие в сторону пластины.
Передвинув пластину на другую половину ярма, заставляют
стакан вращаться в другую сторону.
Вращение стакана вызывается взаимодействием вихревых
токов, возникающих в пластине и в стенке стакана, благодаря
изменению
пронизывающего их магнитного потока.
На рисунке 279
изображены конец сердечника,
прикрывающая его пластина и
часть стенки стакана. Пусть
изображенный на этом
рисунке магнитный поток,
создаваемый переменным
током, убывает, а затем
нарастает в противоположном
направлении. В течение
всего этого промежутка
времени в пластине и в стенке
стакана будут нарастать, а
затем ослабевать вихревые
Рис. 279. К объяснению действия уста- токи- Направление этих то-
новки, изображенной иа рисунке 278. КОВ МОЖНО определить ПО
— медная
^пластинка
Стенка
стакана
266
правилу Леяца. Как видно из
рисунка, эти направления в любой
момент одинаковы. Известно, что
одинаково направленные токи
притягиваются. Благодаря
несимметричному их размещению
создается вращающий момент и
стакан начинает вращаться по
часовой стрелке.
Более совершенная и близкая
к конструкции электродвигателя
установка изображена на
рисунке 280.
В торце ярма универсального
трансформатора поперек пластин
прорезан паз шириной и
глубиной по 8 мм и на один из образовавшихся выступов насажен
толстый замкнутый медный виток. Этот виток можно заменить
замкнутой на себя обмоткой из голой медной проволоки
любого диаметра (лучше брать проволоку толще). Во вращение
приводится специальный диск для опытов с вихревыми токами
(см. опыт 93, стр. 238). Действует эта установка аналогично
описанной выше, но более эффективно.
Рис. 280. Другая установка для
Демонстрации принципа действия
однофазного электродвигатель
ОПЫТ
107
Трехфазный ток
Оборудование: 1) генератор трехфазного тока, 2) лампы на 1 я,
0,075 а на подставке — 3 штч 3) диоды типа ДГЦ — 3 шт., 4) панель с
лампами на 3,5 в, соединенными звездой, 5) такая же панель с лампами,
соединенными треугольником, 6) провода соединительные.
Описанные ниже демонстрации при введении понятия о
трехфазном токе должны показать:-1) что трехфазный ток
представляет собой три переменных тока, отличающихся па
фазе на — периода, а генератор трехфазного тока имеет в
простейшем случае три обособленные обмотки, сдвинутые на
статоре по отношению друг к другу на 120°, 2) что для
передачи энергии трехфазного тока потребителям достаточно четырех
или трех проводов при соединении обмоток источника и
потребителей звездой или треугольником. Для части этих
демонстраций источником трехфазного тока может служить сеть
трехфазного тока,- если ввод от нее сделан в физическом кабинете
школы. Однако большинство школ его не имеет. Поэтому все
описанные ниже демонстрации рассчитаны на применение
набора по трехфазному току, выпускаемому предприятиями Глан-
учтехпрома для средней школы.
267

Этот набор дает «большие экспериментальные возможности.
Детали набора и многочисленные опыты с ним неоднократно
описывались. Однако сравнительно небольшое время, которое
возможно отвести на знакомство с трехфазным током,
заставляет сделать тщательный отбор только наиболее важных и
совершенно необходимых опытов по данной теме.
При решении указанной выше задачи следовало бы
воспользоваться электронным осциллографом и показать на его
экране осциллограммы трехфазного тока. Это можно было бы
сделать, воспользовавшись трехканальным коммутатором. При
отсутствии такой возможности едва ли стоит добиваться
приобретения или изготовления трехканального коммутатора,
применение которого ограничено этой единственной
демонстрацией. В этом случае целесообразнее уменьшить частоту тока
настолько, чтобы было возможно наблюдать поочередное
зажигание лампочек, питаемых трехфазным током. Вспыхивание
лампочек через равные промежутки времени можно считать
убедительным доказательством того, что токи, питающие
лампочки, действительно отличаются по фазе на — периода.
О
1. Для проведения опыта пользуются генератором
трехфазного тока (рис. 281) с индуктором из постоянных магнитов.
Схема обмотки генератора изображена на рисунке 282.
Собрав ременную передачу, снимают перемычки с зажимов на
щитке и демонстрируют учащимся устройство собранного
генератора. Для объяснения его действия пользуются
самодельными цветными таблицами или рисунками, начерченными на
доске цветными мелками (рис. 282 и 283). На рисунке 282
показано направление э. д. с. в отдельных частях трех обмоток в
момент, соответствующий концу первой четверти периода из
графике (рис. 283).
Рис, 281. Генератор трех- Рис. 282. Расположение обмоток на статоре
фазного тока. и зажимов на щитке генератора.
268
Рис. 283. Графики токов в обмотках трехфазного
генератора.
Чтобы продемонстрировать сдвиг фаз, присоединяют
отдельно к каждой паре одноцветных зажимов генератора
лампочку на 1 в и 0,075 а, зашунтированную диодом типа ДГЦ
(рис. 284). При этом надо следить, чтобы знаки пропускного
направления, проставленные на диодах, были все обращены
или к верхним, или к нижним зажимам генератора. Затем
приводят в действие генератор, причем ротор вращают настолько
медленно, чтобы можно было заметить порядок зажигания
лампочек. Далее вращают ротор в противоположную сторону
и наблюдают изменение очередности зажигания. Учащиеся на
основании наблюдений делают заключение о сдвиге фаз между
колебаниями тока в лампочках и, пользуясь графиком,
объясняют результаты опыта.
В конце опыта отключают диоды и, вращая ротор с
прежней скоростью, показывают, что частота вспышек
увеличивается вдвое. Хотя неодновременность вспышек и теперь хорошо
видна, но определенную очередность зажигания заметить уже
нельзя.
2. Заменяют лампочки 1 в,
0,075 а лампочками на 3,5 в и
0,28 а. Вращают ротор генератора
достаточно быстро, чтобы лампочки
горели нормальным накалом. При
этой скорости частота тока уже
настолько велика, что горение
лампочек кажется непрерывным. В этом
опыте энергия передается от
генератора к лампочкам по трем
независимым парами проводов.
Подобно тому как в полевой
телефонии две телефонные станции
часто соединяют одним проводом, а
роль второго для данных двух и „ „„„ „
^ и ■" •"•" «J 204 Включение ламп для
одновременно для многих других демонстрации их поочередного
станций выполняет земля, можно зажигания при медленном вра-
И ДЛЯ питания трех лампочек три щении ротора генератора'.
© ® Q
riJuh rbUi гШт
*жз- -ов^яв-
О |
I
I
о* см OJ
269

Рис. 285. Соединение обмоток генератора и ламп звездой.
провода от каждой линии объединить в один провод,
сэкономив, таким образом, на двух проводах. Для демонстрации
такого способа Передачи служит панель с тремя парами
лампочек, соединенными звездой. Соединив лампочки с щитком
генератора (рис. 285), показывают действие установки.
Обращают внимание учащихся, что при таком соединении отключение
отдельных лампочек или целой группы на горении остальных
лампочек не отражается.
В демонстрируемой установке, в которой каждый линейный
провод питает две одинаковые лампочки, токи в линейных
проводах имеют одинаковые амплитуды, как показано на
графиках трехфазного тока на рисунке 283. Очевидно, что ток в
общем (нулевом) проводе в любой момент должен быть равен
алгебраической сумме мгновенных значений тока в линейных
проводах. Складывая алгебраически ординаты точек, соответ-
Рис. 286. Соединение ламп треугольником, а обмоток
генератора звездой.
270
ствующих
_1_г . 1
4 '.!■ 3
и т. д., уча-
Рис. 287. Включение
обмоток генератора
треугольником.
щиеся приходят-к выводу, что при
равенстве нагрузок в любой момент
времени тока в нулевом проводе нет.
Для проверки этого вывода
нулевой провод отключают и убеждаются,
что на работе установки отсутствие
нулевого провода никак не
отразилось. Однако всякое нарушение
равенства нагрузок
немедленно'нарушает нормальный режим питания ламп.
При отключении одной лампы
оставшаяся горит с перекалом, в то время как остальные светят
слабее обычного.
Второй способ соединения — треугольником —
демонстрируют с помощью второй панели, изображенной на рисунке 286.
При этом обнаруживается, что лампочки горят ярче, так как
каждая из них находится под линейным напряжением,
которое в j/з раз больше фазового. Чтобы понизить напряжение,
переключают обмотки генератора со звезды на треугольник
(рис. 287), после чего лампочки накаливаются нормально.
И в этом случае отключение одного из проводов нарушает
нормальный режим горения ламп. Обычно звездой .без
нулевого провода и треугольником соединяют обмотки трехфазных
двигателей, генераторов и трансформаторов, у которых все три
фазы всегда нагружены одинаково. Приемники тока с
неодинаковой или изменяющейся нагрузкой соединяют звездой с
применением нулевого провода.
ОПЫТ
108
Трехфазный электродвигатель
Оборудование: 1) электроннолучевая трубка демонстрационная,
2) выпрямитель ВК-3, 3) набор по трехфазному току, 4) провода
соединительные.
Знакомство учащихся с трехфазным асинхронным
электродвигателем в основном сводится к разъяснению образования
и использования вращающегося магнитного поля. К этому
учащиеся довольно хорошо подготовлены, так как уже
встречались в предыдущих опытах с некоторыми случаями получения
вращающегося магнитного поля.
Вращающееся магнитное поле в статоре трехфазного
электродвигателя лучше всего показать с .помощью
демонстрационной электроннолучевой трубки. Для этого ее вынимают из
панели и к основанию, на котором смонтирована трубка, при-
271

ставляют вплотную статор
трехфазного
электродвигателя, освобожденный от
ротора и обоих подшипников.
Чтобы оси трубки и статора
совпали, под статор под-
кладывают деревянные
бруски надлежащего размера.
После этого трубку
продевают сквозь статор и
устанавливают на место (рис.
288). Трубку включают, как
описано в опыте 51, а
статор электродвигателя
соединяют тремя проводами с
трехфазным генератором
(рис. 289). Когда на экране
трубки появится
светящееся пятно, его перемещают
на середину экрана с
помощью магнитной скобы на горловине трубки, Затем пятно
фокусируют и регулируют его яркость.
Поочередно отключая то один, то другой провод, медленно
вращают ротор генератора и показывают колебания
электронного пучка в трех плоскостях, расположенных под углом в 120°
друг к другу.
Наконец, включают все три провода, в результате чего
пятно описывает на экране кривую, близкую к окружности, и
двигается в том или ином направлении в зависимости от
направления вращения ротора генератора.
Направление движения пятна изменяется, также, если
поменять местами любые два провода на щитке генератора или
двигателя. При увеличении скорости вращения ротора увб-
Рис. 288. Установка электроннолучевой
трубки в статоре трехфазного
электродвигателя.
Рис. 289. Демонстрация вращения магнитного поля трехфазного
электродвигателя.
272
лчргива«тся скорость движения пятна на экране трубки и
радиус вращения.
Двигаясь по кругу, пятно на экране в то же время
совершает сложное колебательное движение, в результате чего
траектория его движения (изображенная на рисунке 289)
напоминает шестиугольную звезду. Очевидно, такая форма
траектории обусловлена наличием в статоре трех обмоток и их
распределением в 24 пазах статора.
После того как учащиеся ознакомились с образованием
вращающегося магнитного поля в статоре двигателя,
установку разбирают, внутрь статора помещают на подшипниках ко-
роткозамкнутый ротор и, соединив электродвигатель с
генератором, демонстрируют действие собранной установки.
13 Заказ № 6047

ГЛАВА V
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
И ВОЛНЫ
О П Ы Т
109
§ 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ.
ТОКИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Затухающие электрические колебания
Оборудование: 1) осциллограф электронный, 2) батарея
конденсаторов на 8 мкф, 3) катушка на 127- в — 220 в от универсального
трансформатора, 4) реостат на 600 ом, 5) трансформатор разборный— 2 шт.,
6) полоски из трансформаторной стали, 7) подставка, 8) провода
соединительные.
Из опыта 97 «Свободные электрические колебания»
учащиеся получают представление о колебательном контуре,
которое им нужно для понимания ряда явлений, связанных с
изучением переменного тока. В этом опыте явление затухания
хотя и наблюдается, но не служит предметом специального
исследования. При прохождении же темы «Электромагнитные
колебания и волны» перед рассмотрением работы генератора
незатухающих колебаний необходимо более подробно
ознакомить учащихся с затуханием. В этом случае вполне уместно
применение электронного осциллографа.
Для^ получения устойчивой осциллограммы затухающих
колебаний необходимо создать периодические кратковременные
электрические импульсы, заряжающие конденсатор в
колебательном контуре. Полное затухание колебаний должно
происходить в паузах между импульсами. Существуют различные
способы периодического возбуждения затухающих колебанш"|.
Ниже описаны три наиболее простых способа, не требующие
изготовления специальных приборов.
1. Для возбуждения колебательного контура можно
воспользоваться импульсами, получаемыми при однополупериод-
ном выпрямлении переменного тока. В этом случае пауза
между импульсами в 0,01 сек достаточна для возникновения и
полного затухания колебаний в контуре.
Общий вид установки для получения осциллограммы
затухающих колебаний и ее схема представлены на рисунке 290.
274
Рис. 290. Установка для получения осциллограммы затухающих
колебаний.
Установка состоит из однополупериодного выпрямителя,
колебательного контура и электронного осциллографа. Импульсы
переменного тока напряжением 4 е. проходя через
полупроводниковый диод, периодически заряжают конденсатор. В
промежутке между импульсами конденсатор разряжается через
катушку и реостат. Разряд имеет колебательный характер и
на экране осциллографа наблюдается осциллограмма
затухающих колебаний.
Опыт лучше провести в такой последовательности. Сначала
отключить конденсатор (поставить стержень конденсатора на
Иуль) и продемонстрировать кривую импульсов при однополу-
периодном выпрямлении, настроив осциллограф так, чтобы на
оси ОХ поместились два периода. Тогда при включении
конденсатора можно будет наблюдать две осциллограммы
затухающего колебания (рис. 291). Далее надо уменьшить частоту
развертки и тем самым увеличить* масштаб так, чтобы одна
осциллограмма колебаний заняла весь экран.
После этого показывают изменение частоты колебаний при
изменении емкости конденсатора и индуктивности катушки.
Изменяя сопротивление реостата, обращают внимание на то,
что от этого ие только уменьшается начальная амплитуда
колебаний, но и увеличивается быстрота затухания.
2. Второй способ отличается от первого генератором
импульсов' (рис. 292). Его собирают из четырех катушек от двух
разборных трансформаторов. Обмотки катушек включают
полностью, т. е. используют зажимы, обозначенные «220 в» и
«12 в». Две высоковольтные первичные катушки соединяются
18*
27S

Рис. 291. Осциллограммы затухающих колебании.
последовательно и на них подают напряжение 30 в от
автотрансформатора. Две низковольтные вторичные катушки
приставляют вплотную к первичным и соединяют навстречу друг
другу. Обе пары катушек от двух одинаковых
трансформаторов совершенно одинаковы, поэтому э. д. с, индуцированные
во вторичных катушках, равны. Но, поскольку они направлены
противоположно, их суммарная э. д. с. равна нулю. Это
полезно проверить. Для этого в собранной установке отключают
конденсатор (стержень коммутатора ставят на нуль),
выводят полностью реостат и закорачивают одну из вторичных
катушек. Подобрав надлежащий режим для. осциллографа
(ослабление 1:1, частота развертки 30—130 гц, синхронизация
от сети), получают на экране синусоиду. Затем закорачивают
Рис. 292. Установка и схема для получения осциллограммы затухающих
колебаний (второй способ).
276
другую вторичную катушку и от
первой получают такую же
синусоиду. При согласованном
включении обеих катушек на экране
осциллографа образуется
синусоида с удвоенной амплитудой.
После этого включают вторичные
катушки навстречу и на экране
остается горизонтальная прямая
по оси абсцисс. Если линия на
экране слегка искажена, ее
можно выпрямить, передвигая
немного катушки.
Демонстрацию опыта
начинают с получения импульсов.
Внутрь одной из катушек вводят
полоску шириной 4 мм и длиной
150 мм, вырезанную из пермаллоя или трансформаторной стали.
От этого на экране осциллографа образуется кривая,
изображенная на рисунке 293. На ней видны остроконечные пики
'импульсов, которые используются для подзарядки конденсатора.
Образование импульсов объясняется тем, что в моменты
перемены направления тока э. д. с. индукции в катушке с
сердечником значительно больше, чем в катушке без сердечника,
и суммарная э. д. с. уже не равна нулю. Однако тонкий
сердечник быстро достигает магнитного насыщения и в течение
большей части половины периода э. д. с. в обеих катушках вновь
равны и полностью компенсируют друг друга.
• Продемонстрировав остроконечные импульсы, включают з
колебательном контуре емкость 0,25 мкф и получают
осциллограмму затухающих колебаний. Затем вводят реостат и наблю»
дают увеличение затухания (рис. 294).
Рис. 293. Осциллограммы
периодических импульсов.
Рис. 294. Осциллограммы колебаний с малым и большим
затуханием.
277

Во время демонстрации, пользуясь схемой (рис. 292),
учащимся следует объяснить, что колебательный контур состоит
из катушки, конденсатора и реостата и содержит таким
образом сосредоточенные емкость, индуктивность и активное
сопротивление. В состав колебательного контура входят также и две
катушки1 генератора импульсов. Однако на частоту и
затухание в контуре они не оказывают никакого влияния, так как
включены навстречу и их индуктивность близка к нулю.
Едва ли надо учащимся на уроке объяснять устройство
генератора импульсов. Достаточно показать на экране
осциллографа результат его действия (рис. 293).
Если в физическом кабинете нет двух разборных
трансформаторов, то можно воспользоваться какими-либо другими
готовыми катушками или намотать самодельные'. При этом
размеры катушек и количество витков в них можно варьировать
в очень широких пределах, так как пределы регулирования
подаваемого напряжения и чувствительности осциллографа для
этого достаточно велики.,
3. Для получения периодических импульсов вместо
отдельного генератора можно воспользоваться генератором
горизонтальной развертки осциллографа. Установка для
демонстрации (рис. 295) содержит тот же колебательный коитур из
конденсаторной батареи, катушки и реостата; отличие состоит в
том, что зажим конденсаторной батареи, соединенный с
зажимом вертикального входа осциллографа, подключен через кон-
Рис 295. Установка с возбуждением колебательного контура
от генератора горизонтальной развертки.
г;а:Х-ТЛГтр^^1^гх катушек прнведены <—
зика в школе», 1965, № 4 затУхающих элеирическнх колебаний». «Фи-
278
денсатор 0,2—0,5 мкф к любой из горизонтально отклоняющих
пластин электроннолучевой трубки. Гнезда от этих пластин (х)
установлены в нише на задней стенке осциллографа.
Поскольку импульсы, подаваемые с пластины горизонтальной
развертки, имеют большую остроту и направлены одинаково,
осциллограмма затухающих колебаний, как видно из рисунка 295,
совсем не искажена и размещена по всей длине оси х.
ОПЫТ Незатухающие электрические
j j0 колебания
Оборудование: 1) катушка дроссельная, 2) трансформатор
универсальный, 3) батарея конденсаторов на 60 мкф, 4) гальванометр от
вольтметра, 5) ламповая панель демонстрационная с триодом, 6)
громкоговоритель, 7.) выпрямитель ВУП-1, 8) выключатель, 9) проводники соединительные,
10) подставка.
Получение незатухающих электрических колебаний
демонстрируют с помощью лампового генератора. Как видно из
рисунка и схемы (рис. 296), генератор состоит из знакомого
учащимся колебательного контура (опыт 97, стр. 246), трехэлект-
родной лампы 6Н7С (со сдвоенными электродами),
выпрямителя с потенциометром, с помощью которого можно
регулировать напряжение в анодной цепи, и катушки на 220 в с
сердечником от универсального трансформатора, включенной в
анодную цепь лампы и имеющей индуктивную связь с катушкой
колебательного контура. Для обнаружения колебаний,
возникающих в колебательном контуре, добавочную обмотку
(красного цвета), намотанную поверх дроссельной катушки,
присоединяют к зажимам гальванометра.
Перед включением установки в сеть ручку потенциометра
ставят приблизительно на середину, батарею конденсаторов
включают на полную емкость и полностью включают всю
обмотку дроссельной катушки. Через короткое время после
включения выпрямителя в сеть, когда прогреются катоды ламп,
генератор обычно начинает действовать. Период колебаний
приблизительно равен 0,5 сек. Если размах колебаний стрелки
гальванометра недостаточно велик, увеличивают напряжение в
анодной цепи, поворачивая ручку регулятора по часовой
стрелке. Если колебания не возбуждаются, надо уменьшить
емкость батареи конденсаторов и, как только колебания
возникнут, снова увеличить емкость до максимальной величины.
Надо иметь в виду, что генератор может действовать
только при определенным образом согласованном включении
обмоток. Именно такое включение показано на схеме (рис. 296).
Если в установке применяются катушки с неизвестным
расположением выводов, то правильное включение находят путем
проб, меняя местами провода на зажимах одной из катушек.
279

Рис. 296. Генератор незатухающих колебаний.
Выбранная здесь схема генератора незатухающих
колебаний имеет широкое применение в радиотехнике и более других
схем подходит для первоначального изучения действия
генератора. Особенность этой схемы состоит в том, что
колебательный контур в ней включен не в анодную цепь, а в цепь
сетки и поэтому свободен от постоянной слагающей анодного
тока. Такое включение значительно облегчает понимание работы
генератора.
Для объяснения действия генератора пользуются схемой
(рис. 296), на которой сердечник "с обмотками изображают не
условными обозначениями, а упрощенным рисунком, по
которому можно проследить за направлениями токов и силовых
линий в сердечнике.
Возможны два способа объяснения действия генератора.
Первый состоит в постепенном прослеживании действия одних
частей схемы на другие, начиная с момента замыкания
анодной цепи и до конца периода колебания. Как показывает опыт,
такой способ довольно труден для учащихся. Пользуясь
вторым способом, указывают, что для получения незатухающих
колебаний необходимо периодически возмещать необратимые
потери энергии в контуре, приводящие к затуханию. Для этого
колебательный контур посредством катушки, включенной в
анодную цепь, связан с источником энергии. Чтобы порции
энергии, поступающие от источника, были своевременными,
эта катушка определенным образом индуктивно связана с
сеткой лампы, выполняющей роль электронного выключателя.
В процессе колебаний, совершающихся в колебательном
280
контуре, происходит периодическое повышение и понижение
потенциала сетки относительно катода. При повышении
потенциала сетки анодный ток усиливается, а при понижении —
ослабевает. Но при всяком изменении анодного тока в катушке
колебательного контура индуцируется электрическое поле. Оно
создает в катушке контура добавочную э. д. с, которая и
восполняет потери энергии, если только направление
индуцированного вихревого электрического поля совпадает с
направлением тока в витках катушки.
Рассмотрим момент, когда ток в катушке контура
направлен вверх. Очевидно, при этом потенциал сетки повышается и
происходит усиление анодного тока. Если катушка обратной
связи включена в анодную цепь, как показано на схеме, то
создаваемое ею магнитное поле, как следует из правила Ленца,
будет индуцировать в катушке контура электрическое поле,
совпадающее по направлению с током и поддерживающее его,
В течение второй половины периода ток в катушке
колебательного контура направлен вниз и потенциал сетки понижа-
ется* В катушке обратной связи ток ослабевает и в катушке
колебательного контура вновь индуцируется электрическое поле,
также совпадающее по направлению с током в катушке контура.
Для возбуждения колебаний необходим достаточно сильный
импульс анодного тока в катушке обратной связи, правильно
связанной с катушкой колебательного контура. Этот импульс
возникает в момент замыкания анодной цепи. Легко показать,
что без такого импульса колебания могут и не возникнуть. Для
этого во время действия генератора ручкой потенциометра
уменьшают напряжение в анодной цепи до нуля, вследствие
чего колебания прекращаются. Далее плавно и медленно вновь
увеличивают анодный ток и показывают, что при этом
колебания, не возникают. Достаточно, однако, выключателем
разомкнуть и вновь замкнуть анодную цепь, чтобы генератор сразу
начал действовать. При этом надо заметить направление
первоначального отброса стрелки.
Опыт повторяют, поменяв местами провода на зажимах
катушки обратной связи. В этом случае при размыкании и
последующем замыкании анодного тока заметен только
единичный отброс стрелки гальванометра (в противоположную
сторону), но колебания в контуре не возникают.
После выяснения принципа действия генератора показывают
увеличение частоты колебаний при уменьшении емкости и
индуктивности контура. При значительном увеличении частоты,
когда сильная вибрация подвижной системы гальванометра
может его повредить, гальванометр отключают, емкость
конденсатора уменьшают до нуля и вместо гальванометра включают
громкоговоритель. Громкоговоритель издает звук низкого тона.
При сдвигании ярма сердечника тон повышается и может быть
доведен до предела слышимости.
281,

ОПЫТ Электрические колебания высокой
Л! частоты
Оборудование: 1) детекторный радиоприемник демонстрационный,
2) генератор УВЧ, 3) выпрямитель ВУП-1, 4) неоновая лампочка, 5)
люминесцентная лампа, 6) провода соединительные.
Постепенный переход от медленных электрических
колебаний к звуковым и ультразвуковым был показан в предыдущем
опыте путем уменьшения емкости и индуктивности контура,
как этого требует формула Томсона. Для демонстрации
дальнейшей эволюции в конструкции колебательного контура при
переходе ко все более высоким частотам надо показать
колебательный контур радиоприемника (рис. 297), обращая
внимание учащихся на конструкцию его катушки, конденсатора и
сравнивая их с аналогичными частями колебательного контура
предыдущей установки.
Надо указать, что собственную частоту этого контура
можно изменять приблизительно от 150 до 1500 кгц путем
переключения обмоток катушки и поворота ручки конденсатора
переменной емкости. Это частоты, применяемые в радиовещании,
а сам колебательный контур является частью радиоприемника,
опыты с которым будут проводиться позднее.
При переходе к еще большим частотам для
колебательного контура может оказаться достаточной индуктивность одного
витка, а роль конденсатора будут выполнять электроды лампы.
Таков колебательный контур генератора ультравысокой
частоты—УВЧ (рис. 298).
Рис. 297. Детекторный радио- Рнс. 298. Генератор УВЧ на частоту
приемник. 150 мгц н его схема.
282
ннчь
Генератор показывают учащимся сначала
стороной, где расположены два триода, затем
поворачивают другой стороной и показывают
колебательный контур. Он состоит из проволочного
витка, соединяющего аноды двух ламп, у
которых сетки соединены между собой. рнс 299, Схема
Таким образом, если рассматривать анод и колебательного
сетку каждой лампы (рис. 298) как конденсатор, контура генера-
то таких конденсаторов в контуре генератора т°Ра-
два и соединены они последовательно (рис. 299).
Обе схемы вычерчивают на классной доске.
Затем соединяют генератор с выпрямителем и включают
шнур выпрямителя в сеть. Когда разогреются катоды ламп,
генератор начинает действовать. Частота колебаний,
возбуждаемых генератором, 1,5-108 гц. Разумеется, что при такой
частоте ни гальванометр, ни громкоговоритель не могут
непосредственно служить индикаторами колебаний. Чтобы
обнаружить действие генератора, приближают к основанию
контурного витка баллончик неоновой лампочки и наблюдают, как
она вспыхивает. Передвигая лампочку вдоль контура,
показывают, что она наиболее ярко светится у ламповых панелей и
около баллонов ламп, где амплитуда напряженности
переменного электрического поля высокой частоты наибольшая'.
Рассмотрим действие генератора. Для этого представим
себе, что после включения источника тока через две
параллельные ветви, т. е. через две лампы, течет постоянный ток. Затем
вследствие какой-либо незначительной причины в контуре
генератора возникли слабые колебания и сетка левой лампы
получила отрицательный заряд (рис. 298, схема).
Тогда в левой ветви контура при ослаблении тока возникает
э. д. с. самоиндукции, поддерживающая ток, из-за чего анод
левой лампы будет заряжаться положительно, что в свою
очередь еще больше увеличит отрицательный заряд сетки, и левая
лампа окажется запертой.
Наоборот, положительный заряд сетки правой лампы
усилит анодный ток в правой ветви контура.
В следующий момент, когда потенциалы сеток станут
выравниваться, ослабление тока в правой ветви контура вызовет
появление э. д. с. индукции, которая начнет увеличивать
положительный заряд анода правой лампы, а заряд сетки станет
отрицательным. Теперь запирается правая лампа, а через
левую течет анодный ток максимальной величины.
Благодаря периодическим импульсам анодного тока аноды
ламп каждый раз заряжаются до одного и того же потенциала,
вследствие чего колебания не затухают.
1 Очень ярко светится люминесцентная лампа, если приближать ее к
основаниям ламп генератора.
283

Высокочастотные колебания в контуре генератора могли бы
послужить причиной возникновения вынужденных колебаний
в других частях схемы. Это вызвало бы большие потери
энергии контура. Чтобы этого не случилось, колебательный контур
отделен от остальных частей генератора дросселями,
оказывающими значительное реактивное сопротивление току
высокой частоты, но свободно пропускающими постоянный ток.
Проводя опыты с генератором УВЧ, не следует забывать,
что действующий генератор является источником радиопомех.
Поэтому включать генератор надо на короткое время и по
миновании надобности немедленно выключать.
ОПЫТ
Поверхностный эффект
112
Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) катушка для демонстраций
поверхностного эффекта, 3) трансформатор универсальный, 4) выпрямитель
ВУП-1, 5) провода соединительные.
Ток высокой частоты в отличие от постоянного тока течет
преимущественно по поверхности проводника. Это явление,
называемое поверхностным эффектом, можно объяснить
следующим образом. Допустим, что переменный ток течет в
многожильном кабеле. Тогда каждая жила кабеля будет охвачена
своим переменным магнитным полем, которое частью своих
силовых линий будет охватывать также и другие жилы. На
рисунке 300 изображены шесть периферийных и одна осевая
жила кабеля. Магнитные поля каждой жилы для простоты
изображены одной силовой линией. Из рисунка видно, что каждая
периферийная жила охвачена только четырьмя линиями,
в то время как осевая жила охвачена всеми семью силовыми
линиями. Отсюда следует, что э. д. с. самоиндукции,
возбуждаемая в проводнике, при переменном токе в различных слоях
провода не одинакова: в середине провода она имеет
наибольшую величину и оказывает значительное
индуктивное сопротивление переменному
току. Поверхностный эффект становится
заметным только при высоких и
ультравысоких частотах. Этим объясняется
применение для этих токов не сплошных, а
трубчатых проводников и серебрение их
поверхностей.
Чтобы демонстрация поверхностного
эффекта была достаточно убедительной,
надо не только показать это явление впро-
Рис 300 К объяс- воднике с током высокой частоты, но и
нению п'оверхност- показать отсутствие поверхностного эф-
ного эффекта, фекта в том же проводнике, если частота
284
Рнс. 301. Катушка
для демонстрации
поверхностного
эффекта.
тока в нем мала. Это заставляет
прибегнуть к применению специального прибора,
несколько более сложного в изготовлении,
нежели известные приборы,
применявшиеся ранее для этой цели.
Необходимый для опыта прибор (рис.
301) представляет собой спираль из семи
плотно уложенных витков. Спираль
свернута из тонкой медной трубки (с
наружным диаметром 3 мм) с продетой сквозь
нее изолированной проволокой1. Концы
оболочки полученного таким образом
коаксиального кабеля и концы осевого
провода подведены к двум патрончикам с
лампочками на 1 в и 0,075 а. Спираль и
патрончики закреплены на плоском
деревянном каркасе с рукояткой 2.
Сначала спираль надевают на
сердечник универсального трансформатора в
качестве вторичной обмотки и, замкнув
сердечник- ярдюм, включают первичную
обмотку в сеть переменного тока с частотой 50 щ (рис. 302),
Учащиеся видят, что обе лампочки горят с одинаковым
накалом. Это объясняется тем, что внутренний провод и оболочка
спирали охватывают один и тот же переменный магнитный
поток. Следовательно, возникающие в них индукционные токи
одинаковы.
Затем выключают поочередно
то одну, то другую лампочку и
убеждаются, что это не меняет
накала оставшейся горящей
лампочки.
Сняв спираль с сердечника,
подносят ее к колебательному
контуру действующего генератора
УВЧ (рис. 303). При этом
загорается только та лампочка,
которая присоединена к концам
оболочки спирали. Вторая лампочка,
соединенная с концами осевого
провода, не горит вовсе или
накаливается едва заметно, если
поднести спираль близко к контуру
генератора.
1 Вместо медной трубки можно воспользоваться тонким бронированным
кабелем, применяемым для подключения микрофона.
' Отдельные внткн спирали изолированы друг от друга узкой лентой
(шириной 3 мм) из целлулоида.
285
Рис. 302. При включении
трансформатора горят обе лампочки.

Рис. 303. Обе лампочки
включены, но горнт только
лампочка, присоединенная к оболочке
спирали.
Если выключить первую лампочку, то ярко загорается
вторая. При этом можно заметить, что она горит ярче, чем горела
первая лампочка. Это объясняется тем, что в первом опыте
слабый ток осевого провода индуктивно действовал на
оболочку и несколько уменьшал в ней величину тока; при
выключении же тока в оболочке ее влияние на осевой провод
полностью прекращается и ток в осевом проводе достигает
наибольшей величины.
ОПЫТ
113
Резонанс колебательных контуров
Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) выпрямитель ВУП-1, 3)
настраивающийся контур, 4) провода соединительные, 5) электродвигатель
универсальный с набором принадлежностей, 6) провода соединительные.
На расстоянии 10—15 см от генератора УВЧ устанавливают
колебательный контур, состоящий из переменного
конденсатора небольшой емкости, проволочного витка и лампочки на 3,5 в
и 0,28 й (рис. 304). Включают генератор и медленно
поворачивают ручку конденсатора. При этом лампочка постепенно
загорается • и при дальнейшем вращении пластины
конденсатора вновь гаснет.
В этом опыте амплитуда вынужденных колебаний,
возбуждаемых в колебательном контуре переменным магнитным
полем генератора, увеличивается по мере приближения
собственной частоты колебательного контура к частоте колебаний
генератора. Когда частоты становятся равными, амплитуда
колебаний достигает максимальной величины. Этот момент
отмечается максимальной яркостью горения лампочки. ,
286
Рис. 304. Резонанс электрических колебательных
контуров.
i
После этого опыта полезно продемонстрировать
механическую аналогию наблюдаемого явления и повторить опыт
«Резонанс при работе электродвигателя» (т. I, опыт 66).
Показывают только вторую часть опыта, т. е. при постоянной скорости
электродвигателя изменяют длину установленного на нем
язычкового вибратора. В некоторый момент, когда собственная
частота вибратора становится равной частоте импульсов,
получаемых от электродвигателя, размах колебаний вибратора
достигает максимума.
опыт Л
- л й Открытый колебательный контур
114
Оборудование: I) генератор УВЧ, 2) выпрямитель ВУП-!, 3)
лампочка неоновая, 4) лампа люминесцентная, 5) провода соединительные.
На расстоянии 10—15 см от контурного витка генератора
устанавливают трубчатую петлю с раздвижными стержнями
от приемного диполя. Включают генератор и постепенно
выдвигают стержни, поднося каждый раз к концам петли
баллончик неоновой лампочки. Когда длина петли достигнет 50 см,
лампочка загорается (рис. 305). Наиболее яркое свечение
лампочки наблюдается между концами стержней.
Можно вместо неоновой лампочки поднести к концам
стержней люминесцентную лампу. Когда она засветится, повернуть
ее и расположить вдоль петли. Тогда можно заметить, что
свечение лампы, наиболее яркое у концов стержней, к изгибу
петли постепенно убывает.
287

Рис. 305. Установка для демонстрации действия петлевого колебательного
контура.
Проведенный опыт показывает, что проволочная петля
представляет собой колебательный контур, собственная частота
которого зависит от ее длины. В отличие от колебательных
контуров с сосредоточенными емкостью и индуктивностью,
применявшихся в предыдущих опытах, в данном контуре и
емкость и индуктивность распределены вдоль всей петли.
Существенной особенностью этого контура является то,
что при изменении расстояния между ветвями контура
собственная частота его не изменяется: при сближении ветвей
емкость их увеличивается, а индуктивность соответственно
уменьшается. Это можно доказать на опыте. Трубчатые стержни пет-
283
Рис. 306. Генератор УВЧ с диполем.
сх
4
30
Ф
14 СХ.
тгт
JO
UL
so
левего контура, тщательно
настроенного в резонанс с
генератором, снимают со скобы и
насаживают на винты выдвинутой
планки генератора (рис. 306).
Полученный таким способом
прямой стержень длиной 100 см не
■юлько не потерял свойств
колебательного контура, но и
сохранил свою прежнюю
собственную частоту. Чтобы убедиться
в этом, подносят к концам
полученного открытого
колебательного контура (диполя)
неоновую или люминесцентную
лампу. Она так же ярко
вспыхивает, как и в первом опыте.
Электрические колебания в
открытом колебательном
контуре представляют собой
стоячую волну тока и напряжения.
Амплитуда колебания электрических зарядов, распределенных
по всей длине диполя, имеет посередине наибольшую величину,
а к концам диполя постепенно убывает до нуля. Таким образом,
в середине диполя образуется пучность тока, а на концах —
узлы. Колебания напряжения имеют наибольшую амплитуду на
концах. Следовательно, на концах диполя образуются пучно*
сти напряжения, а на середине — узел.
Для развертывания петлевого контура в диполь необходимо
к набору деталей, прилагаемых к генератору УВЧ, добавить
соединительную скобу и зажим (рис. 307). Проволоку для
скобы надо подобрать по внутреннему диаметру (около 5 мм)
трубки раздвижных стержней приемного диполя, а зажим для
установки собранного петлевого контура в штативе надо
изготовить из двух изолирующих колодок и стержня с гайкой.
Рис. 307. Скоба и зажим для
развертывания петлевого контура.
ОПЫТ
115
§ 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Излучение и прием электромагнитных
волн
Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) выпрямитель ВУП-1, 3)
приемный диполь с лампочкой 1 в и 0,075 а, 4) провода соединительные.
Для демонстрации излучения и приема электромагнитных
воли устанавливают на демонстрационном столе генератор
УВЧ с навинченными на его передвижную планку труоками,
289
19 Заказ № 6047

Рис. 308. Схема
электромагнитного поля прямого вибратора.
образующими диполь длиной
100 см. Приемный диполь с
лампочкой устанавливают на
подставке па расстоянии 2—
3 м от генератора так, чтобы
оба диполя были
параллельны. Включив генератор,
настраивают приемный диполь.
Для этого изменяют его длину
с помощью выдвинутых
стержней. Более точную
настройку производят
регулированием величины связи
излучающего диполя с контуром
генератора. Для этого освобождают вертикальную планку с
излучающим диполем и, передвигая ее в вертикальном
направлении, закрепляют в таком положении, при котором лампочка
в приемном диполе светится наиболее ярко.
Расположение приемного диполя параллельно излучающему
является наивыгоднейшим.. Чтобы убедиться в этом,
поворачивают приемный диполь в вертикальное положение, затем
устанавливают его вдоль направления распространения
электромагнитных волн. И в том и другом положении диполя
лампочка его не горит. Лампочка горит ярче всего, когда диполь
расположен" вдоль силовых линий электрического поля. При
обходе с диполем в руках вокруг генератора диполь
приходится поворачивать. При наибольшей яркости горения лампочки
направление диполя указывает направление силовой линии
электрического поля. Эти опыты приводят к выводу, что
излучение происходит наиболее интенсивно в плоскости,
проходящей через середину излучающего диполя и перпендикулярной
к нему. Кроме того, они помогают понять структуру
электромагнитного поля, изображенную на рисунке 308.
Чтобы определить длину электромагнитной волны, надо
воспользоваться явлением отражения и интерференции волн. Для
этого помещают металлический стержень длиной 110 см
позади генератора (рис. 309) и обращают внимание учащихся, что
это сильно влияет на яркость горения лампочки приемного
диполя. Оказывается, что лампочка горит наиболее ярко, когда
расстояние между стержнем и излучающим диполем равно
0,5 м. В этом случае элекгромагнитные волны, проходя через
стержень, возбуждают в нем электрические колебания и он
сам становится излучателем (его называют пассивным
вибратором). Две системы волн, идущие к приемному диполю от
излучающего и отражающего диполей, налагаются и усиливают
друг друга, так как разность их хода равна длине волны.
(с учетом потери полуволны при отражении). Таким образом,
расстояние, равное 0,5 м, является четвертью длины волны;
290
Рис. 309. Направленное излучение.
следовательно, длина волны, излучаемой генератором УВЧ,
равна 2 м. Сочетание излучающего и отражающего диполей
представляет собой простейшую антенну направленного
действия. Если такими отражателями снабдить одновременно и
передающий и приемный диполи, то дальность передачи можно
увеличить до 8—10 м.
При'проведении опытов необходимо учитывать сильное дей
ствие на работу установки различных металлических стержней
балок, водопроводных и газовых труб, находящихся в поме
щении, где проводят опыты, и расположенных параллельно ли
полям. В зависимости от своего положения в результате ингер
ференции они или ослабляют накал лампочки, или усилива
ют его.
ОПЫТ
116
Радиоуправление
Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) выпрямитель ВУП-1, 3)
приемный диполь с диодом, 4) радиореле, 5) модель телеграфного аппарата,
6) гальванометр от амперметра, 7) ключ телеграфный, 8) аккумулятор на
3—4 в, 9) провода соединительные.
Электрическая лампочка, включенная в середину приемного
диполя,— слишком грубый индикатор для приема
радиосигналов. Более чувствительным индикатором является
электромагнитное реле, которое можно использовать для приведения в
действие различных устройств. Однако оно не может
действовать непосредственно от тока высокой частоты, возникающего
в приемном диполе. Необходимо ток высокой частоты
преобразовать в постоянный ток.
19* 291

Рис. 310. Прием радиосигналов на гальванометр.
Для демонстрации такого преобразования лампочку в
приемном диполе заменяют полупроводниковым диодом,
вмонтированным в штепсельную вилку, и присоединяют зажимы
диполя к гальванометру от демонстрационного амперметра
(рис. 310).
В генераторе УВЧ размыкают зажимы, соединенные
перемычкой, и присоединяют к ним телеграфный ключ.
Разместив приемную и передающую установку на
несколько большем расстоянии, чем в предыдущих опытах, нажимают
на ключ передатчика. Стрелка гальванометра отклоняется в
ту или другую сторону в зависимости от способа включения
вилки с диодом.
Затем вилку переворачивают и показывают, что стрелка
отклоняется в противоположную сторону.
Рис. 311. Установка для приема телеграфных сигналов.
292
Очевидно,, что ток в диполе, возбуждаемый
электромагнитными волнами, пропускается диодом только в одном
направлении. При этом в одной половине диполя накапливается
положительный заряд, а в другой — отрицательный. Разряжается
диполь через обмотку гальванометра, через которую, таким
образом, течет постоянный ток.
Заменив приемный диполь прибором, который выпускается
под названием радиореле, соединяют выходные зажимы
поляризованного реле с источником постоянного тока на 3,5 в и
моделью телеграфного аппарата (рис. 311). Нажимая на ключ,
демонстрируют передачу и прием телеграфных сигналов. При
желании телеграфный аппарат может быть заменен
электрическим звонком, электродвигателем, зуммером и другими
объектами управления.
ОПЫТ
Радиоуправляемая модель автомобиля
117
Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) выпрямитель ВУП-1, 3) ключ
телеграфный, 4) усилитель универсальный, 5) шаговое реле, 6) модель
автомобиля, 7) провода соединительные.
Объектом радиоуправления служит небольшая модель
грузового автомобиля, приводимая в движение микродвигателем,
который действует от батареи для карманного фонаря. Второй
такой же микродвигатель служит для поворота передних колес.
Для управления моделью по радио в кузове справа
устанавливают панель шагового реле, а слева панель универсального
усилителя со штырем, высокочастотным диодом и
поляризованным реле (рис. 312). Обе панели насаживаются на штырьки
имеющимися на них гнездами, чем обеспечиваются все
необходимые электрические соединения.
Поворачивая пальцем храповик шагового реле, заставляют
модель поочередно выполнять запрограммированные в ней
команды; «вперед», «направо», «стоп», «назад», «налево»,
«стоп». Команде «стоп» соответствуют горизонтальное и
вертикальное положения щеток шагового реле.
После проверки действия механизмов щетки
устанавливают в положение «стоп» и ставят модель в некотором отдалении
от передатчика.
Управляющие сигналы подаются от генератора УВЧ,
закрепленного в штативе так, что его диполь располагается
вертикально (рис. 313). Перемычку в цепи сетки надо снять,' а к
освободившимся зажимам присоединить телеграфный ключ
(или специальный пульт управления).
Включив генератор и выждав, пока прогреются лампы,
нажимают и отпускают ключ. При посылке радиосигнала храпо-
г",к тягового реле поворачивается на один зуб и модель вы-

3* .
eg
25
СО
СО
1
к
ч
я
\о
о
2
о
о
со
полняет очередную команду (если реле не действует, надо
перевернуть вилку с диодом).
Учащимся надо показать заранее начерченную схему
приемного и управляющего устройств (рис. 314) и разъяснить их
действие.
Батарея в кузове модели служит для питания двух
параллельных цепей. В одной цепи включена обмотка
электромагнита шагового реле и корпус модели. Когда контакты 3 и 4
разомкнуты, то ток в этой цепи отсутствует. Ток течет по другой
замкнутой цепи: от батареи через контакт 10, нижнюю щетку,
контакт 9, обмотку двигателя поворота, контакт 11, верхнюю
щетку, контакт 7, замкнутые контакты 2 и 3, корпус и батарею.
Как видно, в рассмотренный момент автомобиль поворачивает
передние колеса.
При посылке сигнала в открытом колебательном контуре
(штырь-диод-корпус) возникает переменное напряжение
высокой частоты, но диод имеет одностороннюю проводимость и
ток через него течет только вверх. Вследствие этого основание
триода заряжается отрицательно относительно эмиттера, в
цепи коллектора появляется ток и контакты 3—4 замыкают цепь
обмотки электромагнита шагового реле. Щетки шагового реле
при этом переходят в новое положение, и после прекращения
сигнала, когда контакты 2—3 вновь замкнутся, автомобиль
начинает двигаться, выполняя очередную команду.
При благоприятных условиях, когда не происходит
ослабления сигнала вследствие поглощения и интерференции,
дальность действия установки достигает 10—15 м.
t Радиореле
Шаговое р?ле
_ Н2И т
ТягоЗыи ДЗигетель ■*-
двигатель поворота
Рис. 314. Схема приемного н управляющего устройств.
295

опыт
118
Модуляция
Оборудование: 1) осциллограф электронный. 2) звуковой генератор,
3) микрофон угольный, 4) камертон на рсзоиаторном ящике, 5) резиновый
молоточек, б) провода соединительные.
Колебания высокой частоты, у которых под воздействием
колебаний низкой частоты изменяется частота или амплитуда,
называются модулированными колебаниями. В первом случ'ае
модуляция называется частотной, во втором — амплитудной.
Наиболее распространена амплитудная модуляция.
Чтобы дать учащимся понятие об амплитудной модуляции,
им сначала напоминают, а если надо, то и показывают
действие угольного микрофона; затем переходят к основному опыту.
Присоединяют микрофон к зажимам низкоомного (5 ом)
выхода звукового генератора, настроенного на частоту около 18 кгц,
и к зажимам микрофона присоединяют электронный
осциллограф (рис. 315).
Установив диапазон развертки в осциллографе 30—130 гц,
включают звуковой генератор и демонстрируют осциллограмму
синусоидальных колебаний. После этого в этом же диапазоне
постепенно уменьшают частоту развертки, пока осциллограмма
па экране не превратится почти в сплошную полосу.
Взяв камертон с резонатором двумя пальцами левой руки
за шейку, подносят резонатор отверстием к микрофону и
ударяют камертон резиновым молоточком. Ручкой плавной иа-
Рис. 315. Получение осциллограммы модулированных, колебаний.
296
стройки подбирают иаивыгодней- ^^^Ш^^^_
Наблюдаемое явление нетрудно М чШИшщшВ
ствует, напряжение на его зажимах, 1|ц .шЫ^,/;! Г-ЬШ^ШШ.№f
от звукового генератора, изменяется тШШИиИ
с постоянной амплитудой н ширина ^ЩшЩШшШВР^
чание камертона приводит в движе- """ЧИИИ*^
ние мембрану микрофона. При нз- „ „ ~
менении давления мембраны на ^дули ^анииГЗЗ.
угольные зерна их сопротивление
начинает изменяться. В такт с
изменением сопротивления меняется сила тока в микрофоне, а
следовательно, и напряжение на его зажимах. Амплитуда колеба-
ний несущей частоты периодически возрастает и убывает с
частотой колебаний камертона.
Режим работы осциллографа ЭО-7 в этом опыте:
ослабление 1. :1, синхронизация внутренняя, диапазон развертки 30—
130 гц, частота плавно подбирается на опыте.
Можно рекомендовать и другой вариант демонстрации, для
которой собирают одноламповый звуковой генератор и в
разрыв анодной цепи включают понижающую огбмотку
универсального трансформатора, включенного первичной обмоткой в
сеть переменного тока частотой 50 гц. Напряжение с катушки,
связанной индуктивно с колебательным контуром, подают па
зажим вертикального отклонения электронного осциллографа'.
Оба эти опыта служат для начального формирования
понятия амплитудной модуляции. Проведение любого из них ни
в каком случае не исключает проведения опыта 120, в котором
демонстрируется осциллограмма модулированных и
детектированных колебаний, получаемых в соответствующих цепях
радиоприемника при приеме сигналов радиовещательной стан-.
ции.
ОПЫТ Радиопередача и прием модулированных
119
сигналов
Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) усилитель низкой частоты,
выпрямитель ВУП-1, 4) электропроигрыватель, 5) универсальный усилитель,
6) громкоговоритель, 7) провода соединительные.
Го^ыГописан подробно в статье Г. И. Жерехова и А. С. ["лшанова
«Демонстрация амплитудной модуляции». «Физика в школе», 1!»», «- о,
стр. 72.
297

Рис. 317. Радиотелефонный передатчик.
В этой демонстрации осуществляется радиопередача
граммофонной записи посредством генератора УВЧ с
модулирующим устройством и прием этой передачи на динамик
посредством простейшего детекторного радиоприемника. Установка для
радиотелефонной передачи представлена на рисунке 317. Она
состоит из электропроигрывателя для граммофонных
пластинок (на рисунке не показан), усилителя низкой частоты и
генератора УВЧ. Питание передатчик получает or выпрямителя
оУН-1. Схема установки показана на рисунке 318.
'6.3
'6,3
Рис. 318. Схема радиотелефонного передатчика с
амплитудной модуляцией на анод.
298
Рис. 319. Радиоприемник.
В этой схеме применена анодная модуляция. Роль
модуляционного трансформатора выполняет выходной трансформатор
усилителя с коэффициентом трансформации 1:1.
На противоположной стороне классной комнаты
устанавливают радиоприемник (рис. 319). Его собирают из
универсального усилителя, на панели которого в специальные гнезда и
зажимы вставляет прилагаемые к усилителю диод в вилке,
трансформатор, стержни диполя и батарейку КБС. Усилитель
устанавливают в специальном зажиме на щитке динамика, а
два крайних зажима, соединенных с концами вторичной
обмотки трансформатора, присоединяют к зажимам динамика.
Диод включают так, чтобы при работе передатчика правая
половина диполя приемника заряжалась положительно. Это
проще всего осуществить путем проб, после чего правильное
положение вилки надо отметить каким-либо значком.
Опыт проходит нормально в пределах большой классной
комнаты. Поворачивая радиоприемник и перемещая его отно*
сительно передатчика, можно показать, что громкость звучания
при установке приемника в разных местах неодинакова. Это
объясняется изменением дальности, а также отражением
электромагнитных волн от различных металлических труб, балок и
других предметов.
Очень важно проследить за правильным включением
концов модуляционного трансформатора в анодную цепь
генератора. При правильном включении магнитные потоки в
сердечнике, создаваемые анодными токами в первичной и вторичной
обмотках, направлены навстречу. При этом радиоприемник
дает более громкий и чистый прием. Правильное включение
можно определить путем проб.
Возможна демонстрация радиотелефонной передачи с моду
ляцией на сетки ламп. Как видно из схемы на рисунке 320, а
этом случае вторичную обмотку трансформатора включают а
299

<=шш
~б,з
Рис. 320. Схема радиотелефонного передатчика с амплитудной модуляцией
на сетку.
разрыв цепи сеток ламп генератора. Для этого необходимо
Снять деремычку, обычно замыкающую соответствующую пару
зажимов генератора. И в этом случае надо путем проб
определить правильное включение концов модуляционного
трансформатора.
ОПЫТ Прием радиовещания
420 на детекторный приемник
Оборудование: 1) детекторный радиоприемник демонстрационный,
2) усилитель низкой частоты, 3) громкоговоритель, 4) выпрямитель ВУП-1,
5) электронный осциллограф, 6) провода соединительные.
Для демонстрации действия детекторного радиоприемника
собирают установку, изображенную на рисунке 321. К
верхнему зажиму радиоприемника присоединяют наружную антенну,
если предполагается прием дальней станции, или комнатную
антенну для приема мощной близко расположенной
радиостанции. К нижнему зажиму присоединяют заземление.
Включив выпрямитель в сеть, настраивают колебательный
контур приемника. Для этого поворачивают ручку
конденсатора, пока не станет слышна работа радиостанции.
300
Рис. 321. Детекторный радиоприемник с усилителем низкой частоты
и осциллографом.
Для перехода на другой диапазон катушку вынимают из
гнезд, поворачивают и включают другой парой штырьков.
Выбрав из работающих радиостанций наиболее мощную,
тщательно настраивают радиоприемник и присоединяют к
зажимам «антенна» и «земля» входные зажимы электронного
осциллографа, предварительно отрегулированного в диапазоне
частот горизонтальной развертки 30—130 гц с ослаблением
1 : 1 и большим усилением.
Во время передачи на экране получается осциллограмма
модулированных колебаний (рис. 321, а). В паузах
осциллограмма выравнивается в сплошную ленту. При повороте ручки
конденсатора меняется ширина ленты, т. е. амплитуда
колебаний высокой частоты.
Если верхний провод от осциллографа перенести на правую
сторону детектора, то осциллограмма меняет свой характер.
Происходит детектирование, и на экране видна осциллограмма
звуковых колебаний (рис. 321, б).
ОПЫТ Основные демонстрации с генератором
j 21 сантиметровых волн
Оборудование: I) комплект аппаратуры для изучения свойств
электромагнитных волн, 2) выпрямитель ВУП-1, 3) усилитель низкой
частоты, i} громкоговоритель, 5) провода соединительные.
При уменьшении длины электромагнитных волн у них все
отчетливее проявляются свойства, характерные для света.
Чтобы показать это, ладо на ряде опытов
продемонстрировать явления пропускания и поглощения, отражения и пре-
301

Рис. 322. Установка для демонстрации свойств электромагнитных волн.
ломления, интерференции и поляризации электромагнитных
волн. Для этой цели служит комплект аппаратуры, состоящий
из генератора сантиметровых волн (Х—3 см), приемника и
ряда вспомогательных принадлежностей1.
Перед демонстрацией опытов проводят следующую
подготовку (рис. 322).
1. На концах демонстрационного стола устанавливают на
одинаковой высоте генератор и приемник рупорными
антеннами друг к другу.
2. Вставляют штепсельный разъем экранированного шнура
в панельку универсального выпрямителя ВУП-1.
3. Устанавливают позади приемника усилитель низкой
частоты с присоединенным к его верхним зажимам динамиком и
и подключают наконечники шнура приемника к двум левым
зажимам усилителя (центральную жилу присоединяют к
верхнему зажиму, а оплетку экрана —к нижнему).
4. Три нижних зажима усилителя присоединяют к тому же
блоку, который служит для питания генератора, в таком
порядке: зажим «-f-250» ВУП-1—-к верхнему зажиму УНЧ,
зажим «—общ» ВУП-1—к среднему зажиму УНЧ, верхний
зажим «~6,3» ВУП-1 к нижнему зажиму УНЧ. Нижний зажим
««6,3» закорачивают с зажимом «—общ» ВУП-1.
Для ознакомления учащихся с собранной установкой
сообщают, чю источником электромагнитных волн длиной 3 см
служит генератор, который благодаря рупорной антенне дает
остро направленное излучение. Колебания, вырабатываемые
генератором, модулированы. Приемник также имеет
направленное действие. В его волноводе установлен кремниевый диод,
который служит детектором. Выделенные детектором
электрические колебания звуковой частоты усиливаются и
преобразуются динамиком в звук.
1 См. брошюру Н. М. Шахмаева «Комплект приборов для изучения
свойств электромагнитных воли (ПЭВ-1)», в которой да-но описание
комплекта и многочисленных опытов с ним. В настоящем пособии описаны
только некоторые на этих опытов, проведение которых необходимо для
перехода к изучению оптики.
302
Рис. 323. Отражение электромагнитных волн.
Пропускание и поглощение
электромагнитных волн. Через некоторое время после включения блока
питания в сеть динамик начинает звучать. Поворачивая
сначала рупор генератора, а затем рупор приемника,
показывают острую направленность излучения и приема. Затем
приводят генератор и приемник в первоначальное положение и
помещают между приемником и генератором металлический
экран. При этом наблюдается ослабление и прекращение
приема.
Повторяют опыт с экранами из изолирующих материалов
и убеждаются, что они не производят столь сильного
экранирующего действия.
Отражение. Генератор и приемник поворачивают, как
показано на рисунке 323, после чего прием прекращается.
Берут алюминиевую пластину и находят для нее такое
положение, при котором восстанавливается громкий прием.
Поворачивая пластину, показывают, что наиболее громкий прием
наблюдается, когда угол падения электромагнитного луча равен
углу отражения и когда падающий и отраженный лучи
находятся в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей
поверхности, восстановленным из точки падения.
Рис. 324. Преломление электромагнитных волн.
303

Рис. 325. Интерференция электромагнитных волн.
Преломление. Воспользовавшись предыдущей
установкой генератора и приемника, берут в руку треугольную
призму из диэлектрика и помещают ее на место отражающей
пластины (рис. 324). При этом наблюдается восстановление
приема. Опыт позволяет определить ход луча и сделать вывод о
его преломлении на гранях призмы.
Интерференция. Генератор и приемник размещают
друг против друга (рис. 325), Затем подводят снизу
металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно
поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление и
усиление приема. Пользуясь чертежом на доске, разъясняют
наблюдаемое явление.
Поперечность электромагнитных волн.
Получив громкий прием в предыдущей установке, поворачивают
генератор вокруг продольной оси его волновода и наблюдают
прекращение приема при повороте на 90°. То же наблюдается
при поворачивании приемника.
Между генератором и приемником устанавливают
поляризационную решетку. Поворачивая решетку в ее оправе,
наблюдают ослабление приема, когда прутья решетки
располагаются вдоль вектора напряженности электрического поля.
Эти опыты свидетельствуют о том, что электромагнитные волны
поперечны.
ОПТИКА И ФИЗИКА АТОМА
20 Заказ № 0047

ГЛАВА VI
ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА
§ 1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
Для проведения многих опытов по
интерференции и дифракции света применяется специальный набор,
выпускаемый промышленностью (рис. 326). В набор входят:
1) бипризма Френеля, 2) прибор для демонстрации колец
Ньютона, 3) дифракционная решетка с 50 или 100 линиями
на одном миллиметре, 4) раздвижная щель, 5) рамка с
натянутой тонкой нитью,
6) два одинаковых диска-
ширмы на стержнях.
Сборка деталей набо*
ра в установке того или
иного опыта на оптиче*
ской скамье
осуществляется с помощью двух ди«
сков-ширм. С этой целью
в подвижной средней
части дисков-ширм
предусмотрены два винта с
тонкими накатными
головками, а у всех
приборов и приспособлений
(кроме дифракционной
решетки), входящих в
комплект набора, на
оправах сделаны два «ушка»
с вырезами в форме
замочных скважин по
размеру винтов.
Перед демонстрацией
приборы закрепляют на
дисках-ширмах при
помощи винтов, которые
вставляют в вырезы «ушек».
Рис. 326. Набор деталей для
демонстрации интерференции и дифракции света.
306
После этого ширмы устанавливают на оптической скамье.
В качестве примера может служить типичная установка с
бипризмой Френеля для демонстрации явления
интерференции света, показанная далее на рисунке 328. На одном диске-
ширме укреплена бипризма, помещенная в круглую оправу,
а на другом таким же способом укреплена раздвижная щель.
Приборы закрепляются на скамье с помощью рейтеров.
Как видно из рисунка, эти приборы могут свободно
перемещаться вдоль направляющих скамьи и закрепляться на
определенном расстоянии от источника света. Кроме того,
источник света, раздвижная щель и бипризма могут
перемещаться по вертикали и достаточно точно устанавливаться
относительно оптической оси конденсора при помощи
винтовых приспособлений у рейтеров. Наконец, бипризма и щель
могут перемещаться горизонтально при помощи
регулирующих приспособлений у рейтеров и вращаться вместе с
кольцом днска-ширмы. Применяя все эти перемещения, можно
достаточно точно установить в данном опыте ребро бипризмы
относительно щели и источника света.
Подобным образом собираются установки и в других
опытах по интерференции и дифракции света.
ОПЫТ Полосы интерференции
122 от бипризмы Френеля
Оборудование: 1) проекционный аппарат с кинопроекционной или
дуговой лампой, 2) бипризма Френеля на диске-ширме, 3) щель
раздвижная на диске-ширме, 4) экран проекционный.
Этот опыт является очень важным в методическом
отношении. Он дает возможность выяснить волновую природу света.
Уже из принципиальной схемы опыта (рис. 327) видно, что
явление обусловливается наличием двух мнимых изображений
щели (когерентных «источников света»), образуемых
бипризмой.
Рис. 327. Ход пучков света в установке с
бипризмой Френеля:
а — источник света; б —конденсор; в — щель;
в—бипризма; д — экран.
20* 307

Рис. 328. Установка с бипризмой и дуговой лампой.
После зарисовки этой схемы на классной доске и
соответствующего объяснения собирают установку по рисунку 328.
Иа оптической скамье располагают закрепленные па дисках-
ширмах раздвижную щель и бипризму Френеля (рис. 329).
При помощи конденсора получают на поверхности ширмы
с раздвижной щелью, расположенной на главной оптической
оси, яркое светящееся пятно от источника света. Пятно
должно быть такого размера, чтобы оно полностью покрывало щель.
Получив за щелью узкий пучок лучей, направляют его па
ребро бипризмы, установленной приблизительно на
расстоянии 6 см от щели. Ребро бипризмы должно быть расположено
строго параллельно щели и находиться с ней в одной
вертикальной плоскости, проходящей вдоль главной оптической осп
конденсора. Это легко
осуществить при помощи рейтеров с
приспособлением для малых
перемещений и дисков-ширм с
вращающимися кольцами.
Наконец, не изменяя больше
установки, уменьшают постепен«
но ширину щели до 0,1—0,05 1 мм.
Тогда на экране, расположенном
от бипризмы на расстоянии
1,5—-2 м, образуется изображение
в виде цветных интерференцион^
Рис. 329. Устройство бипризмы пых полос. Если применить све-
Фреиеля. тофильтр, например светлоокра-
1 Такую ширину щели легко установить с помощью лезвия от безопасной
бритвы (0,1 и 0,08 мм толщчной).
aL от У до 20'
4 ? л 4
4 4 4 ¥ *
\\ \ 4 ^
* * Ч *
40
^ ».
J.
308
s
&!£?•*:: ill!
шр
*П \.''•*»■■ * р
mm
шя
{■•ж-гяв
в i ?^..:-\:.'.-A
* ^-.. ■Л:''. .
шенный оранжевый или зеленый, то в
монохроматическом свете на экране
получается семейство чередующихся
светлых и темных параллельных полос
(рис. 330).
После этого экран слегка
повертывают на некоторый угол в сторону
класса (на рисунке 327 такое положение
экрана показано пунктиром) и получают
«растянутое» изображение
интерференционных полос шириной 3—4 см. Чтобы
все учащиеся могли видеть это явление
издали, полезно перед экраном
поставить конденсорную линзу большого диа*
метра.
Изображение полос на экране можно
несколько улучшить, если изменить
немного схему опыта (рис.331). Установка
будет отличаться от прежней только тем,
что после бипризмы поставлена диафрагма д, а рядом с ней
цилиндрическая рассеивающая линза е (F——50 мм1). Она
позволяет «растянуть» на экране, расположенном, например, на
расстоянии 3,5 м от бипризмы, изображение полос
интерференции до 2—2,5 см.
Если же экран повернуть относительно оптической оси на
45°, то ширина полос увеличится до 8,5 см.
Надо иметь в виду, что при подготовке опыта четкая
картина интерференции получается на экране не сразу. Чаще
всего сначала появляется светлая, размытая в середине полоса
Рис. 330. Линии
интерференции от
бипризмы.
Рис. 331. Ход пучков света в установке с бипризмой и
цилиндрической линзой:
д — диафрагма е — цилиндрическая линза; ж — экран.
1 Наборы цилиндрических линз, вполне пригодных для школы, были
выпущены мастерскими Московского механического техникума. Набор
этот состоит из четырех линз с фокусными расстояниями 25, 50, 75 и 100 мм.
Наиболее удобна для этого опыта цилиндрическая линза с F=~50 мм.

(рис. 332). Это служит первым признаком
неправильной установки: не соблюдена
параллельность расположения щели и
бипризмы относительно друг друга. Чтобы
исправить установку, надо слегка
повернуть щель или бипризму относительно
главной оптической оси.
Большое значение в этом опыте имеет
мощность источника света. Если есть
возможность, то следует применять дуговую
лампу, ртутно-кварцевую лампу «ДРШ-500»
или такой же мощности
кинопроекционную лампу. Последний источник света,
имеющий несколько вертикальных
спиралей, дает лучшие результаты, если его
повернуть примерно иа 80—85° вокруг
вертикальной оси и расположить тело накала
(спирали) «ребром» в направлении главной
оптической оси конденсора.
При других, менее благоприятных
условиях этот важный опыт даже при
хорошем затемнении класса не удовлетворяет
полностью требованию видимости для всех
учащихся. В таком случае нх следует провести перед экраном
небольшими группами.
Эта демонстрация, кроме ознакомления с самим явлением
интерференции света, позволяет также изучить один из
методов приблизительного измерения длины световой волны.
Рассматривая схему (рис. 333), можно составить следующее
соотношение:
— = —
d L
Рис. 332, Картина
интерференции при
неправильной
установке.
Если на экране первая светлая полоса получится в
направлении А, т. е. на расстоянии х ниже оптической оси, то в этом
месте в результате наложения двух пучков света от
когерентных источников происходит усиление света. Здесь по условию
максимума интенсивности интерферирующих пучков
Ь=2п — =п1, гдея = 1.
Рис. 333. Схема
определения длины световой
волны с бипризмой
Френеля.
310
Следовательно,
— = — и длина световой волны Х= ^—•
d L l
Как видно из чертежа (рис. 333), х, L довольно просто
можно определить на опыте.
Для определения d (расстояния между мнимыми
источниками света) можно воспользоваться геометрическими
соображениями (рис. 334).
а+Ъ
„ - sln+—-
2г
sln-
и установить связь между а — преломляющим углом призмы,
п — показателем преломления стекла и б — углом отклонения
призмы.
Для малых углов тангенсы и синусы углов могут быть
заменены самими углами. Тогда
8 = — и п— ^t-или 8=(я—1)а .
Значит, с?=2 г (я—1) а'.
x-d х
Таким образом, А = ~—"^2 г (я — 1)а, где л = 1,52, а = 20 —
характеристики призмы, а х=0,35 см, L = 230 см и г=6 см
получены путем измерений в одном из опытов. После подстановка
и вычислений получаем Я=5 300А.
Рис. 334. К установлению связи между преломляющим
углом призмы, показателем преломления стекла и углом
• отклонения призмы.
1 Соотношение между б, а и и подробно рассмотрено в «Элементарном
учебнике физики» под ред. акад Г. С. Ландсберга, т. Ш, М., «Наука», 1970,
стр. 248—249.
311

ОПЫТ Полосы интерференции
123 от УпР<>Щенного прибора
Оборудование: 1) проекционный аппарат с кинопроекционной или
дуговой лампой, 2) призма прямоугольная и черпая пластинка пз литого
стекла в металлической оправе, 3) щель, 4) светофильтр оранжевый или
красный, 5) подъемный столик, 6) экраи-ширма, 7) экран проекционный.
Собирают установку на оптической скамье, как показано
на рисунке 335. В корпусе осветителя помещают
кинопроекционную лампу (или пользуются дуговой лампой) и при помопы
конденсора получают пучок сходящихся лучей — световой
конус. Перед конденсором ставят щель, а за ней на
подъемном столике располагают прибор, собранный из призмы и
плоской черной пластинки в оправе (рис. 335, г). Пластинка
вырезается из черного литого стекла «марблпт» или темного
светофильтра; с одной стороны она имеет плоскую
шлифованную поверхность.
Прибор ориентируют относительно оптической оси конден*
сора так, чтобы угол а между оптической осью и
отраженным пучком света составлял около 70°. Затем, слегка
придерживая прибор (чтобы не сдвинуть установку), осторожно
вращают винт а, прижимающий призму к черной пластинке
(рис. 336).
Когда между шлифованными плоскостями призмы и
пластинки образуется достаточно тонкий воздушный зазор, на
экране появляются четкие, слегка изогнутые параллельные
интерференционные полосы (полосы равной толщины). Они
будут яркие, цветные (или темные и светлые, если применить
светофильтр), хорошо видимые со всех мест в классе (рис. 337).
Рис. 335. Схема установки для демонстрации полос
интерференции с помощью призмы и черной пластинки:
а —■ источник света: б —конденсор; S —диафрагма; г —призма и
пластинка в оправе; д — ширма; е — экран.
312
Рис. 336.
Прямоугольная призма с черной
пластинкой в
металлической оправе:
а — винт; б
—металлический угольник; д -•
оправа; е — прокладка:
ж —- резиновые пластин-
Эти полосы образуются вследствие
интерференции пучков света V и /",
получающих разность хода после отражения
пучка /' от нижней поверхности
призмы и пучка /" от верхней поверхности
пластинки (рис. 338).
Настройка прибора осуществляется
довольно просто. Для этого, слегка
придерживая прибор, осторожно вращают
впит то в одну, то в другую сторону и
этим изменяют воздушный зазор между
плоскостями призмы и пластинки.
Повторяя это несколько раз, заканчивают
настройку, когда яркость и четкость
линий интерференции' будет наилучшей.
Как видно из рисунка 335, экран ки'
устанавливают слева на расстоянии
2—2,5 м от призмы. При подготовке опыта плоскость экрана
располагают сначала перпендикулярно падающему на него
пучку света, а затем слегка поворачивают так, чтобы
«растянуть» изображение.
Рекомендуется применять светофильтр. Из выпускаемых
предприятиями Главучтехпрома светофильтров наиболее
подходящими можно считать фильтры «теплых» тонов —красный
или оранжевый.
Для изготовления описанного прибора можно применить
дисперсионную призму или прямоугольную призму от бинокля.
Однако можно совсем обойтись без призмы, а использовать
вместо нее плоскопараллельную пластинку из оптического
стекла, шлифованную и полированную с двух сторон.
В качестве же второй
плоскости можно применить, на<
пример, плоскую поверхность
линзы или пластинки. Опра*
ва для призмы и пластинки
(рис. 336) делается из
стального листа толщиной 2—
Рис. 337. Интерференционные по- Рис. 338. Схематическое изображение
лосы равной толщины. хода лучей для объяснения явления
интерференции.
313

2,5 мм, согнутого под прямым углом, и скрепляющей узкой
стальной полоски такой же толщины, имеющей Г-образ-
ную форму. Сбоку в отверстие с нарезкой ввертывается
винт, имеющий небольшую головку с накаткой. На ребро
призмы свободно накладывается и прижимается .винтом
металлическая пластинка б, согнутая под прямым углом. Чтобы не
повредить поверхность ребра призмы, пластинка оклеивается с
внутренней стороны кожей. По бокам наклеиваются две
резиновые пластинки, служащие амортизаторами.
Величина воздушного зазора регулируется винтом,
создающим давление на резиновые пластинки. Узкая полоска
темного стекла размером 2X4 см может быть вырезана из плоского
светофильтра.
ОПЫТ
124
Демонстрация колец Ньютона
Оборудование: 1) проекционный аппарат с кинопроекционной или
дуговой лампой, 2 )прибор «кольца Ньютона», 3) светофильтр красный или
оранжевый, 4) диск-ширма, 5) тренога от универсального штатива, 6)
экран-ширма, 7) экран проекционный.
Основной прибор, применяемый в этом опыте, состоит из
плосковыпуклой линзы и плоской пластины, заключенных о
оправу так, что плоская пластина прикасается к выпуклой
части линзы. На оправе имеются три регулировочных винта.
Перед опытом, пользуясь этими винтами, изменяют воздушный
зазор между поверхностями линзы и пластины так, чтобы в
середине прибора образовались цветные кольца правильной
формы диаметром 20—25 мм.
Как видно из схемы установки данного опыта (рис. 339),
поверхность подготовленного прибора «кольца Ньютона»
располагают с наклоном 45° к главной оптической оси конденсора.
Затем перемещают прибор вдоль оптической оси и
получают на поверхности линзы
освещенное круглое пятно.
Величина этого пятна
должна быть немного больше ясно
видимых интерференционных
-колец.
Чтобы устранить
отражение света от второстепенных
частей прибора, приводящее
к появлению бликов на про*
екционном экране, между
конденсором и прибором
устанавливают диафрагму с
отверстием 30 мм, а по направлению
Схема установки для
демонстрации колец Ньютона:
а —источник света; б — конденсор; s —
диафрагма; г —прибор «кольца Ньютона»;
д — объектив; е — экран; ж — экран-
ширма.
314
Рис. 340 Установка для демонстрации колец Ньютона.
конуса света, отраженного от поверхности прибора,
располагают на треноге объектив. Общий вид установки показан на
рисунке 340,
Перемещая теперь объектив вдоль пучка лучей, получают
на экране четкое изображение интерференционных колец в
отраженном свете. При расстоянии от аппарата до экрана,
равном 3 м, большее кольцо на экране будет иметь размер
приблизительно 50 см. Кольца удобнее наблюдать в
монохроматическом свете. Поэтому на пути пучка лучей, падающих на
прибор, следует поместить светофильтр.
Целесообразно спроецировать на экран одновременно два
изображения колец—в отраженном и проходящем свете. Для
этого рекомендуется к ранее
собранной установке добавить
еще одну линзу в качестве
второго объектива (рис. 341).
Линзу с главным фокусным
расстоянием F=25 см берут
из демонстрационного набора
линз и зеркал и закрепляют
в диске-ширме, прилагаемой
к набору. В качестве
объективов можно также
применить две двояковыпуклые
линзы из лабораторного набора
по оптике. Обращают
внимание учащихся на то, что при
наличии полного оптического
контакта в месте
соприкосновения линзы с пластинкой в
отраженном свете наблюда-
Рис. 341. Схема установки для
демонстрации колец Ньютона в
отраженном и проходящем свете:
а — источник света; б — конденсор;
в —диафрагма; г —прибор «кольца
Ньютона»; д я в — объективы; ж —
экран-шнрма.
315

Рис. 342. К
объяснению колец
Ньютона, полученных в
отраженном и
проходящем свете.
ется темное пятно в центре темных
концентрических колец. Для объяснения явления
можно воспользоваться рисунком 342.
Лучи 1, 2, отраженные от поверхностен
линзы и пластинки, обладая разностью хода
2/г (на чертеже для ясности лучи
изображены не перпендикулярно к пластинке),
интерферируют, образуя на нижней поверхности
линзы картину в виде концентрических колец,
соответствующих равной толщине воздушной
прослойки.
Кроме того, разность хода лучей 1, 2
отличается на полволпы. Луч / отражается от
воздуха и не меняет фазы, а луч 2
отражается от стекла (оптически более плотной среды)
и теряет полволны. Следовательно, в
отраженном свете оптическая разность хода между лучами /, 2
составит 2/гН—- (для лучей, падающих перпендикулярно к
пластинке и при п = \). В проходящем свете наблюдается иная
картина: в центре образуется светлое пятно и вокруг
концентрические кольца, расположенные на местах, где были ранее
темные кольца. Эта инверсия, т. е. смена цветов, объясняется
неодинаковыми условиями, вызванными отражением лучей /, 2
и преломлением лучей /', 2'.
Проходящие (преломленные) лучи /', 2' также имеют
разность хода 2/г. Однако в отличие от отраженных лучей лучи
преломленные /', 2' проходят без изменения фазы, т. е. их
оптическая разность хода составит 2/г (для лучей, падающих
перпендикулярно к пластинке, и при я=1).
Таким образом, рассмотренные случаи соответствуют
условиям:
1) места минимумов в отраженном свете: 2/г-| =т— ;
2) места максимумов в проходящем свете: 2h= (т—1)—)
где т — нечетное число.
Следует иметь в виду, что в место соприкосновения между
линзой и плоской поверхностью стекла могут попасть пылинки
и исказить картину интерференции. Поэтому стекла перед
опытом надо тщательно протирать.
Эту демонстрацию, как и предыдущую, удобнее проводить в
монохроматическом свете, т. е. со светофильтром. Применяя
светофильтр, составленный из двух частей (красной и
фиолетовой), можно выразительно показать различие в диаметре колец.
Наконец, пользуясь регулировочными винтами, можно показать,
как изменение величины воздушного зазора влияет на форму
колец.
a io
ОПЫТ Смещение полос интерференции
125 ПРИ нагревании
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) две шлифованный
стеклянные пластинки, 3) тепловой фильтр, 4) экран проекционный.
Этот опыт можно поставить весьма наглядно с самодельным
прибором из двух хорошо шлифованных и полированных
стеклянных пластин (рис. 343). Пластины складывают
шлифованными плоскостями вместе и от руки сжимают. Затем их
скрепляют изоляционной лентой, как показано на рисунке, и для
удобства расположения в установке укрепляют в линзодержателе
с эксцентриковым зажимом.
Подготовка к опыту и связанная с ним установка
аналогичны описанным в предыдущем опыте. На место прибора
«кольца Ньютона» (рис. 340) з установку помещают указанный
выше прибор из двух пластин и получают на экране четкие и
яркие линии интерференции. Затем вносят на 30—40 сек тепло-
поглощающий фильтр между конденсором и прибором.
Сосредоточив внимание учащихся на экране, быстро убирают
фильтр. Линии интерференции при этом заметно для всех
учащихся смещаются.
Таким образом, даже незначительное нагревание прибора з
проходящих лучах от осветителя
заметно изменяет наблюдаемую
на экране картину.
Описанный опыт может
послужить поводом для беседы о
высокой чувствительности метода
интерференции при проверке
качества шлифовки и полировки
поверхности различных деталей.
Например, на рисунке 344, а, внизу
показан рельеф поверхности начальной
стадии шлифовки, а вверху —
соответствующая ему картина
интерференции. На рисунке же 344, б
показаны параллельные полосы
интерференции после завершения
полировки этой поверхности.
Можно ознакомить учащихся и
со способом определения величины
отклонения рельефа от эталонной
поверхности по наблюдаемой
картине интерференции, т. е.
вычислить глубину «ямы» h, показанной
на рисунке 344, а. Эта «яма» соот-
Рис. 343. Прибор для
демонстрации смещения полос
интерференции при
нагревании.
317

Рис. 344. К вопросу контроля качества шлифовки
поверхностей интерференционным метолом.
ветствует пяти изогнутым полосам интерференции (/г=5) при
монохроматическом свете с длиной волны 0,6 мкм. Тогда ее
глубина будет
h = k • — = 5 • —^- =1,5 мкм.
2 2 '
ОПЫТ Интерференция света
126 в тонких пленках
Оборудование: 1) проекционный аппарат с кинопроекционной или
дуговой лампой, 2) проволочная рамка для мыльных пленок, 3) экран
проекционный, 4) мыльный раствор, 5) фотокювета или кристаллизатор, 6)
лезвие безопасной бритвы, 7) штатив универсальный.
На рисунке 345 изображена установка, которую собирают
для демонстрации явления интерференции с мыльной пленкой.
Сначала перед конденсором располагают проволочную
петлю. Ее плотно закрепляют в коротком деревянном стержне
диаметром 10 мм и вставляют во втулку рейтера.
Петля должна помещаться на таком расстоянии от
осветителя,- чтобы сходящийся от конденсора пучок света полностью
покрывал ее. Для этого за петлей вплотную к ней помещают
небольшой лист белой бумаги, пересекающий световой конус
в вертикальной плоскости. Перемещая его вместе с петлей
вдоль скамьи, подбирают подходящий размер светового пятна.
Затем под петлю подставляют снизу стакан с мыльным
раствором, погружают всю петлю в раствор и убирают стакан.
На петле образуется ярко освещенная мыльная пленка.
На пути светового пучка, отраженного от мыльной пленки,
устанавливают объектив на треноге от универсального штатива.
Перемещая объектив вдоль этого пучка, получают на экране
четкое изображение мыльной пленки с яркими цветными
полосами интерференции.
318
Рис. 345. Установка для демонстрации интерференции света
в тонких пленках.
Это изображение будет обратное. Для получения прямого
изображения применяют объектив с плоским зеркалом или с
оборотной призмой (см. т. 1, рис. 5 и 6).
Между мыльной пленкой и конденсором помещают
оранжевый или красный светофильтр. На экране наблюдают в
монохроматическом свете ряд параллельных чередующихся светлых
и темных полос. Они располагаются с постепенным
уменьшением расстояний книзу вследствие того, что мыльный раствор,
стекая под действием силы тяжести, образует вертикальный
клин, обращенный острием вверх. Для
объяснения наблюдаемого явления воспроизводят на
классной доске рисунок 346. Световой пучок /,
идущий от источника, расщепляется на два /',
/" путем отражения от передней и задней
поверхности пленки. Они интерферируют.
Как видно из рисунка, пленка в разных
местах имеет различную толщину, поэтому, где
разность хода достигает четного числа
полуволн, оба пучка взаимно усиливают друг
друга (максимум). Где разность хода достигает
Рис. 346. К объ*
ясиению
интерференции света
в тонких
плевках.
319

нечетного числа полуволн, наблюдается взаимное ослабление
интенсивности (минимум). В результате и на экране в
монохроматическом свете будут наблюдаться чередующиеся
светлые и темные полосы.
Чтобы опыт продолжался достаточное время, важно иметь
довольно прочную мыльную пленку. С этой целью можно
рекомендовать следующий состав мыльной жидкости: олеиново-
кислый натрий (или калий) — 2,5 г; глицерин — 1,0 г; вода —
97,5 г (лучше дистиллированная при 60°С). Мыльную
жидкость следует хранить в темном сосуде '.
Явление интерференции света можно также показать в
тонких пленках, образованных на поверхности воды при
растекании, например, керосина, масла или в прозрачной пленке окиси
на полированной стальной пластинке при ее нагревании.
Установку собирают по рисунку 347. Из корпуса
конденсора вынимают переднюю линзу. На эту часть цилиндрического
корпуса конденсора, где помещалась линза, плотно надевают
приспособление для горизонтальной проекции, которое будет
теперь служить для освещения поверхности воды. При этом
обращают внимание на то, чтобы выступы на корпусе приспо*
собления совпадали с вырезами на корпусе конденсора. Так
как эти вырезы и выступы расположены точно под углом 120°,
то, поворачивая приспособление, располагают плоскость
передней линзы с наклоном к поверхности стола.
Рис. 347. Установка для демонстрации интерференции
света в тонких пленках на воде.
1 Хорошую, прочную пленку можно изготовить нз лака для ногтей. Ни
поверхность воды вводят каплю лака; когда он растечется и застынет, снизу
поддевают проволочную петлю. Пленка прочно прилипает к проволоке и
долго сохраняется на ней.
320
Затем на какую-либо подставку устанавливают
фотографическую кювету или кристаллизатор с водой. Отраженный от ее
поверхности наклонный пучок света, выходящий из
конденсора, должен проходить через объектив. Для этого объектив с
плоским отражающим зеркалом укрепляется при помощи
штатива. На экране получается светлое, равномерно освещенное
пятно. Перемещая теперь объектив относительно его оправы,
можно получить резкое изображение поверхности воды'.
Затем вводят па поверхность воды каплю лака, масла или
керосина и наблюдают на экране явление интерференции в
виде яркой разноцветной мозаики.
Не нарушая установки аппарата, можно получить на экра:
не цветные полосы на прозрачной пленке окисла металла,
например на полированной стальной пластщже (леЗвие
безопасной бритвы) при ее нагревании. Для этого лезвие бритвы
укрепляют в лапке штатива в той же плоскости, где была
расположена поверхность воды в кювете, а снизу лезвие
нагревают пламенем спички.
ОПЫТ
127
§ 2. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
Дифракция от нити
Оборудование: 1) проекционный аппарат с кинопроекционной или
дуговой лампой, 2) щель раздвижная, 3) диски-ширу.ы— 2 шт., 4) нить на
рамке, 5) экран проекционный обычный или полупрозрачный.
Собирают установку по рисунку 348, где изображены общий
вид и схема с указанием расстояний между отдельными
деталями. Существенными частями установки, влияющими на
качество опыта, являются раздвижная щель и нить.
Щель перед опытом должна быть тщательно очищена от
пыли сухой кисточкой или мягкой полотняной тканью. При этом
следует обратить внимание, чтобы на краях щели не остались
мелкие ворсинки от ткани или волосы от кисти. Нить или
проволоку диаметром 0,1—0,05 мм натягивают на рамку из набора
или на картонную рамку размером диапозитива и концы ниги
приклеивают к рамке любым клеем.
Закончив сборку установки по указанному выше рисунку,
сначала без нити получают на экране резкое изображение
щели с равномерным освещением по всему ее полю. С этой
целью перемещают источник света, конденсор и щель так,
чтобы «ребро» нитей лампы было расположено параллельно щели
и находилось с ней на оптической оси конденсора.
1 Для этого на поверхность воды можно положить, например, спичку.
321
21 Заказ № 6047

Рис. 348. Установка и схема для демонстрации
дифракции света от нити;
а — источник света; б — конденсор; е— щель; е — нить на
рамке; д — экран.
Затем перед щелью на оптической оси конденсора
устанавливают нить на рамке, соблюдая при этом параллельное
расположение нити и щели. Медленно суживают щель и
получают на экране полосы дифракционного
спектра'.
При повороте экрана на 40—45°
изображение «растягивается». На
рисунке 349 изображен вид
дифракционного спектра, представляющего собой
светлую полосу в средней части и
чередующиеся темные и светлые полосы
справа и слева от нее. Учащиеся
наблюдают явление, подходя к экрану
небольшими группами по 4—5
человек. Этот рисунок и рисунок 350
учитель воспроизводит на классной
доске и обращает внимание на
важный факт наличия в средней части
Рис. 349. Дифракционные спектра светлой полосы. Она образу-
полосы от тонкой нити. ется в результате огибания препятст-
1 На полупрозрачном экране дифракционный спектр наблюдают «на
просвет».
322
Рис. 350. К объяснению явления дифракции от нити.
йия и интерференции двух
когерентных систем световых волн, пути этих
волн г\ и г2 одинаковы и волны
приходят в направление О с
одинаковой фазой. Наличие темных
полос в направлении А и Л] и светлых
полос в направлении В и Si
объясняется соответствующей разностью
хода световых волн. В первом случае разность хода составляет
нечетное, а во втором — четное число полуволн. Полезно
обратить внимание учащихся на график распределения яркости
полос дифракционного спектра (рис. 351) и трудность
наблюдения полос дифракции после второго минимума.
Рис. 351. График яркости
полос дифракции,
полученных от нитн.
ОПЫТ
128
Дифракция от щели
Об о р у д о в а н н е: 1) проекционный аппарат с кинопроекционной или
дуговой лампой, 2) раздвижные щели —2 шт., 3) диски-ширмы—2 шт.,
3) экран проекционный обычный или полупрозрачный.
Схема установки для этого опыта представлена на
рисунке 352, где указаны расстояния между отдельными деталями.
Подготовка к демонстрации начинается с установки
источника света. Кинопроекционную лампу1 располагают так,
чтобы ее спирали оказались на оптической оси конденсора и
были обращены «ребром» к нему. Затем в пучке светового
конуса от конденсора перемещают щель и закрепляют ее на скамье
в таком месте, где сечение светового конуса полностью
покрывает щель. Щель должна быть расположена параллельно
спиралям лампы и раздвинута при помощи винта настолько,
чтобы просвет между «ножами» составлял приблизительно 0,2 мм.
После этого устанавливают вторую щель; она должна
располагаться на оптической оси конденсора и быть строго
параллельной первой. Для этого сначала вторую щель придвигают
1 Вследствие очень больших потерь света лампу для этого лучше
брать мощностью 500 em (тип ГЩ13 илн ГЩ20) со специальным патроном.
21*
323

I I
150 150
2600
,lc- 352. Схема установки для демонстрации
дифракции от щели:
а — источник света; б — конденсор; ваг — щели; д —
ширма: е — экран.
вплотную к первой и, осторожно вращая подвижную часть
диска-ширмы, обеспечивают параллельность. Затем вторую
щель отодвигают от первой на расстояние 150 мм и
закрепляют на скамье. Этим заканчивается подготовка установки.
Осторожно вращая винт второй раздвижной щели,
медленно уменьшают просвет между ее «ножами» и наблюдают за
дифракционной картиной. Сначала на экране получается
светлая полоса с размытыми краями. При дальнейшем сужении
второй щели ширина светлой полосы и ее освещенность
уменьшаются, появляется дифракционная картина'. Если линии
дифракции оказываются недостаточно резкими, надо
осторожно повернуть на малый угол одну щель относительно другой,
чтобы добиться более точной установки щелей на
параллельность.
Кратко поясняют учащимся сущность опыта по рисунку 353,
где показана схема
образования полос дифракции и
график их яркости. На щель
DC падает плоская волна.
Свет от каждой точки,
расположенной внутри щели,
распространяется по
разным направлениям.
Очевидно, волны в
направлении О приходят в
одинаковой фазе и
усиливают друг друга, образуя
яркую полосу (она проходит
от наблюдателя через точку
О перпендикулярно к
плоскости чертежа и лежит на
продолжении оптической оси
Рис. 353. К объяснению явления
дифракции от шели.
1 На полупрозрачном экране дифракционную картину наблюдают
«на просвет».
324
конденсора). Эта яркая полоса носит название центрального
максимума. Применяя далее метод Гюйгенса—Френеля, можно
объяснить также образование соответствующих максимумов
В, В\ и т. д., расположенных симметрично от центрального
максимума.
Если постепенно изменять величину просвета второй щели,
то можно заметить, как на экране в середине светлой полосы
появляется полоса темная (в просвет щели укладывается
четное число зон Френеля), а затем она исчезает (укладывается
нечетное число зон). Этот результат можно получить другим
приемом. Не изменяя ширину второй щели, медленно
перемещают ее относительно первой, следя за тем, чтобы не
нарушалась резкость изображения на экране.
ОПЫТ Микропроекция штрихов дифракционной
j 29 решетки
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) микроскоп, 3) тепло-
поглощающий фильтр, 4) дифракционная решетка, 5) светофильтр, 6) столик
для установки микроскопа, 7) экран проекционный.
Этот опыт показывают перед демонстрацией
дифракционного спектра с. решеткой, Для проецирования можно
воспользоваться школьным или биологическим микроскопом с
объективом 8х и окуляром 7х или 15х.
Как видно из схемы установки (рис. 354), микроскоп
располагается перед конденсором горизонтально на таком
расстоянии, чтобы пучок света, пройдя конденсор, линзу г и
диафрагму диаметром 5 мм, вошел в микроскоп с возможно меньшим
апертурным углом. Для более полного использования света
надо, чтобы апертура осветителя соответствовала
апертуре объектива микроскопа. Именно с этой целью перед
конденсором и помещают дополнительную собирающую линзу
Рис. 354. Схема установки для микропроекции с
микроскопом:
а — источник света; 6 — конденсор;
фильтр; г — лннза; д — диафрагма; е
" шетка; ж — микроскоп; а-
— теплопоглощающий
— дифракционная ре-
• экран.
325

с главным фокусным расстоянием 400 мм из
демонстрационного набора линз и зеркал и устанавливают ее на диске-ширме'.
Микроскоп укрепляется на столике (см. т. I, Введение) тем
же винтом, каким он привертывается к футляру при хранений,
причем на винт для удобства надевается небольшой кусок
толстой резиновой трубки.
Для того чтобы объектив микроскопа и дифракционная
решетка не перегревались, перед конденсорной линзой
устанавливается теплопоглощающий фильтр, приспособленный для
закрепления в рейтере оптической скамьи (см. гл. 8, § 2). Однако
с меньшим удобством можно воспользоваться и фильтром
наливным (см. опыт 134).
Качество опыта значительно улучшится, если перед
проецированием снять с дифракционной решетки защитные
покровные стекла. Кроме того, полезно воспользоваться оранжевым
или красным светофильтром.
Учитывая очень большие потери света в установках с
микроскопом, необходимо пользоваться сравнительно мощным
источником света (кинопроекционной лампой ие менее 300 вт или
дуговой лампой) и обратить внимание на тщательность
затемнения помещения. Полезно также воспользоваться
полупрозрачным экраном из матового стекла или хлорвиниловой
пленки и рассматривать изображение «на просвет».
Дифракционная решетка должна иметь не более 50 штрихов на миллиметре.
После демонстрации следует очень кратко ознакомить
учащихся со способами изготовления решеток: механическим
(нанесение штрихов режущим инструментом на стеклянной или
металлической пластинке) и путем реплики (оттиск на пленке
с решетки первого типа). Второй способ изготовления
позволяет получить дешевые решетки, вполне пригодные для учебных
и технических целей. Роль щелей в решетке играют
прозрачные промежутки между штрихами.
Для приблизительного определения цены деления решетки
можно применить следующий простой прием. На решетку
наклеивают концами заранее измеренный по диаметру волос или
тонкую проволоку и проецируют решетку на экран. Если
диаметр проволоки равен, например, 0,05 мм и она закрывает два
с половиной деления, то решетка имеет 50 штрихов на 1 мм.
ОПЫТ
130 Дифракция от решетки
Оборудование: 1) проекционный, аппарат, 2) раздвижная щель,
3) дифракционная решетка со 100 штрихами на 1 мм, 4) светофильтр,
Б) экран проекционный.
1 Можно применить для этой цели также объектив от проекционного
аппарата.
326
6 в г В \,
-HfMr \
Рис. 355. Схема установки для демонстрации
дифракционного спектра:
а — источник света; б — конденсор; в — диафрагма; г — объ«
ектив; д — дифракционная решетка; в —экран; ж — ширма.
Опыт с дифракционной решеткой позволяет ознакомить
учащихся с дифракционным спектром и одним из методов
определения длины световой волны. Схема установки для такой
демонстрации представлена на рисунке 355.
Подготовку к опыту начинают с общеизвестной установки
источника света в осветителе проекционного аппарата. Затем
определяют место раздвижной щели на оптической скамье. Для
этого перемещают щель в конусе лучей света от конденсора и,
когда- она окажется полностью освещенной, ее закрепляют.
Ставят перед щелью объектив и получают ее резкое изображение
на экране. Ширина щели должна быть 2—3 мм.
Перед объективом устанавливают диапозитивную рамку, в
которую вставляют трещетку так, чтобы ее штрихи были
параллельны щели. На экране получают дифракционную картину,
состоящую из белой полосы в середине (центральный
максимум) и ряда спектров, симметрично расположенных справа и
слева от нее. По мере удалений от центра спектры становятся
более широкими и менее яркими. Эти спектры носят названия
спектров первого, второго, третьего и т, д. порядков (рис. 356).
Спектры всех порядков начинаются с фиолетовой полосы,
за которой следуют все другие цвета с постепенным
возрастанием длины световой волны, и заканчиваются красной
полосой, причем фиолетовые полосы всех спектров расположены
ближе к центральному максимуму.
В дифракционном спектре расстояния цветных полос от
центрального максимума пропорциональны длинам волн. Поэтому
определение длины световой волны с помощью решетки
является наиболее удобным. На эту тему может быть поставлена
следующая экспериментальная задача.
Получают на экране
дифракционную картину в
монохроматическом свете, применяя, напри- i
мер, красный светофильтр. Затем i 3
вычерчивают на классной доске \ ,
схему установки опыта,
изображенную на рисунке 357. Слева Рнс 356. Взаимное расположение
показала дифракционная решет- дифракционных спектров.
327
чф фн ф 0 ф кф Ф* л

Рис. 357. К задаче на
определение длины
световой волиы с
помощью
дифракционной решетки.
ка, а справа на экране отмечена область М, куда проецируется
одна из полос. Предлагается определить длину световой волны.
Образование световой полосы в указанном месте удовлет-
Д d
воряет следующему условию: —- = -— .
а-\- о и
Но для любого максимума Д=2л — . поэтому = —,
J 2 } а+Ь D
. d(a+b)
откуда X = — .
Dn
Здесь аЛ-Ъ — период дифракционной решетки, п — порядок
спектра, d—OM— расстояние от центрального максимума до
светлой полосы М, наконец, D—aM — расстояние от
дифракционной решетки до светлой полосы. Величины Dud можно
измерить в классной обстановке.
В одном из.опытов с описанной выше установкой были
получены следующие результаты:
а+£=0,001 см; ns=2 (второй порядок спектра);
rf=15 см, £>=100 см,
1 а+Ь d 0,001-15 7 с 1л s -Гелл л
откуда а= -1— • ~- = =7,5-Ю-5 см, или 7500 А.
Этот результат довольно хорошо согласуется с табличными
данными.
В заключение опыта полезно показать на экране спектр от
другой решетки, имеющей большее или меньшее число штрихов
на миллиметре.
ОПЫТ
131
Дифракция от двумерной решетки
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) диафрагма дисковая
с круглыми отверстиями, 3) две дифракционные решетки с 50 или 100
делениями на 1 мм, 4) экран проекционный.
Ознакомление учащихся с этим опытом и элементарной
теорией двумерной решетки поможет понять более сложное
явление— опыт Лауэ, связанный с рентгеноструктурным
анализом.
328
1
Рис. 358. Схема установки для демонстрации спектра от
двумерной решетки:
а — источник света; б — конденсор; в —дисковая диафрагма; г —
объектив; д — скрещенные дифракционные решетки; е~ экран.
Схема установки для опыта представлена на рисунке 358.
Дисковую диафрагму с отверстием 3—4 мм располагают перед
конденсором проекционного аппарата. За диафрагмой ставят
объектив и получают резкое изображение отверстия на экране.
Затем в пучок света, выходящий из объектива, вносят от руки
две сложенные вместе (скрещенные) дифракционные
решетки '.
На экране появится своеобразная картина в виде
симметрично расположенных максимумов—цветных кружков (рис. 359).
Воспроизводят на классной доске рисунок 360 и
разъясняют, что схематически изображенные две скрещенные решетки а
действуют аналогично одной точечной решетке б с таким же
периодом. Одна решетка растягивает пучки света в
вертикальном направлении (вверх и вниз), а другая — в горизонтальном
направлении (влево н вправо), образуя на экране указанную
выше картину.
При этом в центре получается белое пятно, так как пучки
рассеянных лучей приходят в это место без сдвига фаз. Все
другие цветные пятна
расположены так, что фиолетовая часть
везде находится ближе к
центральному максимуму, а красная
фОШ
— Л I ф н ф к ф к
О О С[ Од О О О
А ф лф кф
ф
п ш
Юн
я О?
Рис. 359. Дифракционная картина Рис. 360. К объяснению действия дву-
от двумерной решетки. мерной дифракционной решетки.
О
о
о
о
о
о
о
о
о
1 Для удобства решетки скрепляют тонким резиновым колечком.
329

часть спектра везде удалена от него. Яркость второго, третьего
и т. д. порядков спектра заметно убывает.
Подобную дифракционную картину, но значительно менее
отчетливую и яркую можно видеть при индивидуальном
рассмотрении источника света через ткань из
тонких.переплетенных нитей. Такая ткань рассеивает свет, как описанная
решетка.
Очень хорошая точечная решетка может быть получена от
сетки радиолампы.
ОПЫТ Дифракционное рассеяние света
J32 мелкими частицами
Оборудование: I) проекционный аппарат, 2) диафрагма дисковая
с круглыми отверстиями, 3) ванночка плоскопараллельная размером 8Х
Х8Х8 см, 4) столик лабораторный подъемный, 5) экран проекционный,
6) растиор гипосульфита н соляной кислоты.
В метеорологической оптике рассматриваются
разнообразные явления, связанные с дифракционным рассеянием света
частицами, плавающими в воздухе (мельчайшие капельки
воды— туман или дым, пыль, кристаллы льда и т. д.).
Установка для демонстрации подобного опыта собирается
по схеме, представленной на рисунке 361. В ванночку с сильно
разбавленным раствором гипосульфита добавляют соляную
кислоту. Через несколько минут из раствора осаждается сера.
Мельчайшие частицы серы в начале опыта рассеивают
главным образом пучки света с короткой длиной волны, т. е.
голубые и синие. Поэтому раствор в ванне оказывается синим, а
проходящие сквозь него пучки света — желтыми (цвет
дополнительный синему). По мере роста частиц серы начинают
рассеиваться другие пучки света с более длинной волной, поэтому
через ванну на экран будет проходить свет не желтый, а оран«
жевый, затем красный.
а 5 б г
Ркс. 361. Схема установки для демонстрации
дифракционного рассеяния света мелкими частицами:
а — источник света; 6 — конденсор; в —диафрагма; г — объектив!
д — плоскопараллельная ванночка; в — »краи.
ь ii'i
330
§ 3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
Демонстрация основных опытов по поляризации света в
средней школе почти полностью обеспечивается выпускаемым
промышленностью специальным набором, в который входят
(рис. 362): 1)два поляроида, 2) кристалл исландского шпата,
3) стопка стеклянных пластинок, 4) черное зеркало, 5) малый
бинтовой пресс с моделью рельса из органического стекла для
демонстрации анизотропии при сжатии. 6) пластинка из
органического стекла для демонстрации нейтрального слоя при
изгибе, 7) препарат из целлофана.
По своей конструкции набор тщательно согласован с
универсальным проекционным аппаратом и с набором по.
интерференции и дифракции света. Первые четыре объекта из
перечисленных выше вставлены в металлические оправы, имеющие
по два боковых отверстия в виде замочных скважин. Это
позволяет быстро закреплять детали на дисках-ширмах (они
входят в набор по интерференции и дифракции света) и
устанавливать детали в рейтерах проекционного аппарата.
Легко устанавливается в рейтере и малый пресс, имеющий
для этой цели ножку-стержень. Кроме того, на металлической
рамке пресса сделаны такие же отверстия, как и на других
деталях. С помощью этих отверстий на рамке пресса укрепля-
ется во время опыта
пластинка 6 из
органического стекла, имеющая два
штырька по размерам
отверстий. Препарат из
целлофана удобно
вставляется для демонстрации
в диапозитивную рамку,
прилагаемую к
проекционному аппарату.
Необходимое
расположение поляроидов на
взаимное совпадение
плоскостей поляризации света
и, наоборот, на их
скрещивание для полного
гашения света
производится при помощи поворота
колец дисков-ширм.
Хранится набор в
коробке-футляре с гнездами
для каждого объекта.
Протираются детали
мягкой стиранной полотня- рис, 362. Набор для опытов по поляриза-
ной тканью. ции света.
331

ОПЫТ Механическая модель поляризатора
133 и анализатора
Оборудование: 1) шнур резиновый длиной 2,5—3 м, 2) две щели
из фанеры, 3) штатив универсальный, 4) две струбцинки, 5)
электродвигатель универсальный, 6) регулятор напряжения типа РНШ.
Перед демонстрацией явления поляризации света весьма
полезно показать учащимся механическую модель этого
явления.
К крышке демонстрационного стола прикрепляют
струбцинкой универсальный штатив с малым стержнем, а к нему —
мягкий резиновый шнур или резиновую трубку.
Чтобы обеспечить надежное крепление резинового шнура,
на одном его конце завязывают небольшую петлю. Ее
надевают на стержень штатива и зажимают на необходимой высоте
между днумя муфтами, прилагаемыми к универсальному
штативу.
На другом конце стола закрепляют струбцинкой
универсальный электродвигатель, как показано на рисунке 363. На ось
электродвигателя надевают диск с пальцем, который заранее
устанавливают приблизительно на половине радиуса диска.
Накидывают на палец петлю, сделанную предварительно на
свободном конце резинового шнура. При этом шнур должен быть
слегка натянут, а плоскость диска расположена под
некоторым углом к направлению шнура.
Включают ток в электродвигатель. С помощью регулятора
постепенно повышают напряжение и увеличивают скорость
вращения диска, добиваясь образования на шнуре устойчивых
стоячих волн с резко выраженными 3—5 пучностями и узлами.
Так как палец вместе с диском совершает вращательное дви-
Рис. 363. Механическая модель поляризатора и анализатора.
332
жеиие, то волны будут казаться как бы объемными, в виде
неретен.
В один из узлов вводят сверху щель, открытую е одного
конца, и, переместив ее в пучность, держат некоторое время
вертикально, а затем поворачивают на 90°. Обращают
внимание, что волны проходят через щель, но становятся плоскопо-
ляризованиыми: в первом случае через щель проходит
вертикальная составляющая, а во втором—горизонтальная.
Чтобы убедиться в поляризации волн, поступают так.
Устанавливают щель, имеющую подставку, в одной из пучностей
(рис. 363). Другую же щель, которая служит анализатором,
помещают от руки в следующей пучности. Если
щель-анализатор расположить параллельно первой щели, то волны
проходят. При скрещенных щелях волны полностью гасятся.
Щели для этого опыта можно изготовить из фанеры.
Ширина щек 6—8 см, длина приблизительно 25 см, а расстояние
между щеками (ширина самой щели) около 10 мм. Обе щели
с одного конца открыты. Одна из них имеет подставку, а
другая— ручку в виде стержня.
ОПЫТ
Поляризация света поляроидами
134
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) два поляроида, 3) теп-
лопоглощающий фильтр, 4) экран проекционный.
Перед сборкой установки укрепляют поляроиды на ширмах-
дисках, прилагаемых к набору по интерференции и дифракции
света. К поворотным кольцам каждого из дисков
приклеивают вырезанные из белого картона хорошо заметные издали
стрелки-указатели так, чтобы при скрещенных поляроидах
стрелки располагались' перпендикулярно друг другу.
Затем берут готовый или подготавливают (см. гл. 8, §2)
теплопоглощающий фильтр, который во время опыта
предохранял бы поляроидную пленку от случайного перегревания
свыше 60° С.
Если стеклянного фильтра нет, то пользуются кюветой от
прибора «Манометр с каплей воды», наполненной насыщенным
раствором квасцов или медного купороса.
Сборку установки на скамье проекционного аппарата
начинают с расположения фильтра перед конденсором
осветителя. Затем включают лампу и в образовавшемся световом
конусе от конденсора (но не в фокусе) укрепляют поляроид.
С помощью объектива проецируют освещенную часть поляроида
на экран в виде достаточно яркого круга.
Заметив положение стрелки у поляроида, поворачивают его
сначала на 90°, потом на 180, 270, 360°. Обращают внимание
333

Рис. 364. Установка с двумя поляроидами*
1 — теплопоглощающив фильтр.
учащихся, что при этом никаких изменений на экране не
происходит. Опыт повторяют, но со вторым поляроидом.
Далее собирают установку с двумя нескрещенными
поляроидами, когда стрелки-указатели лежат в одной плоскости
(рис. 364). При этом поляроиды лучше расположить ближе к
конденсору, чтобы фокус светового пучка, выходящего из
конденсора, оказался за вторым поляроидом. С помощью
объектива снова проецируют на экран освещенную часть второго
поляроида и медленно поворачивают его на 90' относительно
первого. Учащиеся замечают постепенное уменьшение
освещенности круга на экране до максимального гашения. Дальнейшие
повороты на 180, 270 и 360° приводят соответственно к
просветлению, гашению и спова к просветлению круга на экране.
По апалогии с предыдущим опытом, где демонстрировалась
механическая модель поляризации, учащиеся легко приходят
к выводу о перпендикулярности колебаний в световом пучке
по отношению к направлению его распространения. Очевидно,
первый поляроид служит в'опыте поляризатором, а второй —
анализатором.
Повторяют последний опыт, поменяв местами поляроиды.
Убеждаются, что каждый из них может служить как
поляризатором так и анализатором.
Следует иметь в виду, что в описанной установке, а также в
опытах 135, 136, 137 можно не применять теплопоглощающнй
фильтр, если воспользоваться узким пучком параллельных
лучей. Для этого надо из конденсора проекционного" аппарата
вынуть одну линзу и перед однолинзовым конденсором
поместить диафрагму диаметром 10 мм.
334
ОПЫТ
135
Поляризация света при отражении
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) черное зеркало из
набора по поляризации света, 3) два зеркала на штативе, 4) штатив
универсальный, 5) экран переносный, 6) кювета с водой, 7) осветитель для теневого
проецирования.
Основная цель опыта состоит в том, чтобы расширить
представления учащихся о явлении поляризации света; показать
экспериментально, что свет поляризуется не только при
прохождении через поляроиды, как показано в предыдущем опы-
те,но и, при отражении от поверхности различных веществ.
""Остановку для опыта собирают на оптической скамье по
схеме, показанной на рисунке 365. Здесь поляризатором света
служит черное зеркало г, а анализатором — поляроид д.
Зеркало закрепляют вертикально на ширме-диске, установленной
в рейтере скамьи, и поворачивают к главной оптической оси
конденсора приблизительно под углом 60°. На пути
отраженного пучка света помещают объектив. Его устанавливают на
выдвижной части скамьи, расположенной по ходу пучка
отраженных лучей. Объектив перемещают вдоль пучка и
получают на экране светлое круглое пятно — изображение
диафрагмы в.
За объективом или перед ним располагают поляроид,
закрепленный также на ширме-диске и установленный в рейтере.
Медленно поворачивают поляроид вокруг горизонтальной оси.
На экране будет ясно видно
постепенное затемнение и
просветление пятна.
Следовательно, пучок света, отраженный
от зеркала, оказывается поля-
ризо&аяным. ——
После этого поворачивают
зеркало так, чтобы угол
падения пучка света сначала стал
45°, а затем 75° и каждый раз,
переставляя переносный экран,
повторяют описанный выше
опыт. Из наблюдений на
экране убеждаются, что степень о
поляризации света в значи- *~
тельной мере зависит от вели-
_чШЩ.угла отражения. рис 365. Схема установки для де-
Наибольшая поляризация моисграции поляризации света при
наступает приблизительно при отражении:
60°. При УГЛаХ же, бОЛЬ- а —источник света; б —конденсор; в —
,,,,„. лПо „ „„ диафраниа; * — черное зеркало; а — поля-
ШИХ ИЛИ МеНЬШИХ 60 , Свет роид; е-объектив; ж-экран.
335

поляризуется лишь частично,^
С помощью осветителя для
теневого проецирования
получают на экране или потолке
«зайчик» при отражении пучка
света от поверхности воды. В
отраженный пучок помещают
поляроид на ширме-диске и,
держа его в одной руке,
другой медленно поворачивают
на 360°. По затемнению и
просветлению «зайчика»
убеждаются в поляризации света,
отраженного от поверхности
воды.
Поляризацию света при
отражении можно с меньшими
удобствами
продемонстрировать и без поляроида на про-
Рис. 366. Два зеркала на штативе для стой Установке С самодельными
демонстрации поляризации света при деталями (рис. 36b). На осно-
отраженин. вание штатива ставят
небольшое стеклянное черное зеркало,
закрепленное под углом 33° к горизонту. Вверху располагают
второе такое же зеркало, зажатое в лапки штатива.
Направляют от проекционного аппарата на нижнее зеркало
параллельный пучок света (угол падения 57°). Верхнее же зеркало
располагают так, чтобы пучок попал на него так же под углом
57° и, отразившись, оказался на экране.
Поворачивают несколько раз верхнее зеркало на небольшие
углы вокруг вертикальной оси и принимают изображения на
переносный экран. Убеждаются, что свет хорошо отражается,
когда зеркала расположены параллельно, и почти полностью
гасится, когда они скрещены.
Таким образом экспериментально убеждаются, что зеркала
при отражении поляризуют свет и могут служить как
поляризаторами, так и анализаторами.
ОПЫТ
136
Поляризация света при преломлении
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) стопка стеклянных
пластинок в оправе, 3) поляроид, 4) экран.
Свет, падающий на стеклянную пластинку под углом
полной поляризации (57°), отражается от ее поверхности,
частично преломляется и проходит сквозь пластинку. При этом ио-
336
I \ . . . Г
Рис. 367. Схема установки для 'демонстраций поляризации
света при преломлении:
а — источник света; б — конденсор; в —диафрагма; г — стопка
пластин; д — объектив; е — поляроид; ж —- экран.
ляризованным оказывается не только отраженный пучок света,
как это демонстрировалось в предыдущем опыте, но и
преломленный.
Однако при преломлении всегда поляризуется лишь
незначительная часть света (несколько процентов), поэтому
обнаружить это явление в демонстрационном опыте затруднительно.
Но степень поляризации можно значительно увеличить, если
многократно повторить явление преломления, т. е. пропустить
свет через несколько лежащих друг на друге стеклянных
пластинок. В такой стопке из 15—20 пластинок каждое новое
преломление увеличивает поляризацию и ее можно наглядно
обнаружить с помощью поляроида.
—^Цля демонстрации опыта собирают простую установку на
скамье проекционного аппарата. Перед конденсором
осветителя располагают при помощи рейтеров диафрагму и за ней —
диск-ширму со стопкой пластинок. Отверстие диафрагмы
подбирают так, чтобы через стопку проходил
максимум света. За стопкой устанавливают объектив, а
затем — поляроид (рис. 367). Перемещая объектив
вдоль скамьи, проецируют на экран диафрагму в
и наблюдают на нем сравнительно светлое пятно
(угол поворота поляроида подбирают заранее).
Медленно вращают поляроид вокруг главной
оси конденсора (делают полный оборот) и
обнаруживают, что освещенность пятна на экране
постепенно изменяется: за один оборот свет дважды
появляется и дважды гаснет. Таким образом,
стопка пластинок является типичным поляризатором и
обладает такими же свойствами, как и поляроид-
ная пленка. Очевидно, стопка может служить и
анализатором, если ее поместить впереди
поляроида и медленно в_р_а_щать..в диске-шдрме. ...... -
Следует обратить внимание, что стопка собрана
в оправе так, чтобы отражающая поверхность
пластинок была наклонена к главной оптической оси
конденсора под углом 33°, когда оправа
расположена перпендикулярно к ней (рис.368). Оказы-
Рис, 368.
Стопка

стеклянных
пластин в
оправе.
22 Заказ № 6047
337

вается, в этом случае согласно закону Брюстера (n = tgrp)
угол преломления в стекле будет 54°ЗГ, т. е. это будет угол
максимальной поляризации 1, Если в стопке пластинки стекла
расположить под другим углом, то при прочих равных
условиях степень поляризации света будет меньшей.
ОПЫТ Двойное преломление и поляризация
137 света в кристалле исландского шпата
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) кристалл
исландского шпата в оправе, 3) теплопоглощающий фильтр, 4) поляроид со стрелкой-
указателем, 5) диапозитив в рамке.
Г Перед демонстрацией опыта показывают учащимся взятый
тз набора кристалл исландского шпата, вставленный в оправу.
'Затем закрепляют этот кристалл на диске-ширме и собирают
на скамье проекционного аппарата установку по рисунку 369.
Сначала проецируют на экран без кристалла четкий
некрупный печатный текст диапозитива или написанное тушью на
стекле слово. Затем почти вплотную к тексту ставят кристалл
исландского шпата. С помощью объектива фокусируют
видимее сквозь кристалл двойное изображение текста. Чтобы
подчеркнуть двойное изображение, кристалл сдвигают на чистое
поле, а потом снова помещают на текст.
~ Далее изменяют расположение приборов и показывают
двойное преломление света в исландском шпате. Кристалл
снимают, а вместо диапозитива перед тепловым фильтром
ставят круглую диафрагму, имеющую отверстие диаметром не
более 1 мм. Изображение диафрагмы проецируют с помощью
объектива на экран.
Затем располагают непосредственно за диафрагмой
кристалл исландского
шпата, закрепленный на
ширме-диске. При этом
следят за тем, чтобы
весь пучок света
проходил сквозь кристалл.
Слегка перемещают
объектив для
«наведения на фокус» и
обращают внимание
учащихся, что теперь на
экране получился не
один, а два четких
1 Точное значение угла зависит от показателя преломления; обычно
применяется стекло с коэффициентом преломления я=1,5.
Х--
6 в г д е \ $
Рис. 369. Схема установки для демонстрации
двойного преломления в кристалле
исландского шпата:
а — источник света; 6 — конденсор; в —
теплопоглощающий фильтр; е — диапозитив; д — кристалл;
г _ объектив; ж — экран.
338
Рис. 370. Схема установки для исследования
обыкновенного и необыкновенного пучков света:
а — источник света; 6 — конденсор; в — теплопоглощающий фильтр;
« — диафрагма; д — кристалл шпата; в —объектив со стрелкой-
указателем: ж — поляроид со стрелкой указателем: э — экран.
кружка — изображения отверстия диафрагмы. Кристалл
разложил пучок света, идущий от осветителя, на два: на
обыкновенный (он проходит кристалл без изменения направления) и
необыкновенный (он отклоняется в сторону).
Чтобы подчеркнуть это явление, вращают кристалл в
плоскости, параллельной диафрагме. Тогда обнаруживается, что
изображение от обыкновенного пучка света остается все
время на месте, а второе изображение от необыкновенного
пучка перемещается вокруг первого по некоторой окружности.
Опыт проходит четко, если заранее отцентрировать
расположение кристалла и диафрагмы и, заметив это расположение,
воспользоваться им на уроке.
Надо показать, что оба пучка света оказываются
поляризованными. При этом плоскости поляризации у обыкновенного
и необыкновенного пучков взаимно перпендикулярны. С этой
целью пользуются знакомым учащимся анализатором:
устанавливают перед объективом поляроид, закрепленный на
ширме-диске, и медленно поворачивают его на 90, 180, 270 и 360°.
На экране будут каждый раз наблюдаться поочередные
гашения то одного, то другого изображения, получаемого от
обыкновенного и необыкновенного пучков света.
Чтобы можно было видеть угол, на который
поворачивается поляроид, когда одно изображение гаснет, а другое
становится светлым, надо на оправе объектива и на
поворачивающемся кольце диска-ширмы с поляроидом наклеить
пластилином хорошо заметные издали стрелки из белого картона.
Кроме того, для лучшей видимости проекционный экран
следует несколько развернуть в сторону класса, чтобы
главная оптическая ось объектива образовала с плоскостью
экрана тупой угол. Схема всей установки показаиа на
рисунке 370.
22*
333

ОПЫТ Вращение плоскости поляризации света
138 раствором сахара
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) тепловой фильтр,
3) два поляроида, 4) кювета от прибора «Манометр с каплей воды», 5)
насыщенный раствор сахара.
Собирают установку по рисунку 364 и проецируют второй
поляроид (кольца его оправы) на экран. Затем поляроиды
скрещивают, чтобы на экране получилось затемненное поле.
Обращают внимание учащихся на почти прямой угол, образованный
в этом случае стрелками, укрепленными на дисках-ширмах.
Между поляроидами устанавливают на подъемном столике
кювету, наливают в нее 40—50-процентный раствор сахара до
уровня, который делил бы видимое поле пополам, и
производят дополнительную фокусировку. При этом наблюдают на
экране хорошо заметное просветление одной половины поля но
сравнению с другой.
Очевидно, раствор сахара изменил (повернул) плоскость
поляризации света, прошедшего поляризатор, поэтому часть
лучей из общего потока стала проходить анализатор и
попадать на экран. Чтобы восстановить прежнюю картину —
получить затемненное поле, поворачивают один из поляроидов и
обнаруживают, что угол между ними стал заметно меньше
прямого.
Не изменяя установки (поле на экране затемненное),
подливают в кювету насыщенный раствор сахара и снова
наблюдают просветление поля. Убеждаются, что для получения
затемнения приходится еще больше поворачивать анализатор,
уменьшая угол между поляроидами.
Таким образом экспериментально устанавливают
зависимость между концентрацией раствора и углом поворота
анализатора. Иначе говоря, раскрывают принцип действия
распространенного в науке и технике прибора — сахариметра.
При введении раствора сахара между поляроидами на
экране образуется не только просветление, но и некоторое слабое
окрашивание поля. При повороте анализатора окрашивание
немного меняется. Чтобы избежать этого явления и
восстановить потемнение, рекомендуется опыт проводить в
монохроматическом свете, поставив на пути пучка света светофильтр. Из
набора фильтров, выпускаемого предприятиями Главучтех-
прома, лучше других подходит светофильтр желтый или
светло-оранжевый.
Раствор сахара перед опытом рекомендуется тщательно
профильтровать. Для хранения его переливают в колбу,
прибавляют несколько капель формалина и закрывают плотно
пробкой.
340
ОПЫТ Исследование деформаций с помощью
139 поляризованного света
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) тепловой фильтр,
3) два поляроида, 4) винтовой пресс с моделью рельса, 5) пластинка для
демонстрации изгиба, 6) пластинка оконного стекла, 7) спиртовка, 8) отрезок
проволоки диаметром 2,5—3 мм.
Для этого опыта установку собирают по рисунку 364.
Между поляроидами помещают небольшую пластинку оконного
стекла, зажатого в лапку штатива. С помощью объектива
проецируют пластинку на экран, для чего на ней делают какую-
либо небольшую метку.
Затем скрещивают поляроиды, чтобы получить на экране
почти полное затемнение. Нагревают на спиртовке или газовой
горелке докрасна конец проволоки и прикасаются им к
поверхности пластинки. При таком неравномерном нагревании в ней
возникают натяжения. Стекло теряет свою изотропность,
становится двупреломляющим, и на экране появляется картина., /
показанная на рисунке 371/^Г^'и-^ ?^№Wf
Так как подобные натяжения возникают в стекле и при
'механическом воздействии, то можно описанным способом
исследовать распределение напряжений в моделях различной
конфигурации при сжатии или растяжении.
С этой целью вместо пластинки между поляроидами
помещают на рейтере модель рельса из органического стекла,
вставленную в винтовой пресс. На экран сначала проецируют
изображение модели при нескрещенных поляроидах (рис. 372, а).
Затем поляроиды скрещивают, а модель сжимают, вращая от
руки головку винта. Тогда на экране появляется картина
распределения напряжений, в модели](рис. 372, б). Постепенно
ослабляют винт пресса и обращают внимание, что картина в По-
Рис. 371. Натяжения в
стекле при неравномерном
нагревании.
Рис. 372. Сжатое стекло (модель
рельса) в поляризованном свете: .
а —при параллельных: б —при
скрещенных поляроидах.
341

ляризованном свете исчезает, н поле на экране снова
становится затемненным.
Таким же приемом показывают распределение напряжения
в изогнутой пластинке. Для удобства демонстрации пластинку
с помощью «ушек» закрепляют на оправе винтового пресса,
сняв с него предварительно модель рельса. При скрещенных
поляроидах сжимают пластинку двумя пальцами за ручки и на
экране обнаруживают просветление у ее верхней и нижней
кромок и темную полосу посередине, соответствующую зоне
отсутствия напряжений,
ГЛАВА VII
ФОТОМЕТРИЯ.
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
§ 1. ЗАКОНЫ ОСВЕЩЕННОСТИ
Постановка демонстраций по фотометрии требует прежде
всего правильного подбора источников света, приемников
света и индикаторов тока. Они должны быть хорошо
согласованы между собой и с необходимой вспомогательной
аппаратурой, распространенной в школьных физических кабинетах.
Источниками света могут служить электрические
лампы: автомобильные, осветительные (газополные) и
проекционные. Автомобильные лампы ближе других подходят к так
называемым «точечным» источникам света и, кроме того, на них
обычно указывается число свечей. О силе света осветительных
ламп можно приблизительно судить по обозначенной на них
мощности. У ламп мощностью меньше 100 вт световая отдача
обычно составляет 0,8—0,9 ев на 1 вт, у ламп же большей
мощности — до 1,5 ев на 1 вт.
Проекционная лампа мощностью 300 вт применяется в
качестве сравнительно мощного источника света. У этой лампы
спираль накала образует небольшую площадку с минимальным
расстоянием между отдельными секциями, что делает ее
удобной для некоторых опытов по фотометрии.
Приемниками света могут быть: термостолбик,
полупроводниковый фотоэлемент и глаз.
Важнейшим свойством любого приемника является его
чувствительность к различным длинам волн падающего
излучения. Лучшим приемником в этом смысле является
термостолбик. Однако он имеет тепловую инерцию — сравнительно долго
нагревается. Поэтому для демонстрационных опытов удобнее
применять полупроводниковые фотоэлементы (селеновый, сер-
нистосеребряный), не имеющие заметной инерции. У них, как
и у термостолбика, зависимость между током и величиной
светового потока линейная при условии не слишком большой
освещенности и не слишком большом сопротивлении внешней
цепи. Следует иметь в виду, что чувствительность
фотоэлементов зависит не только or интенсивности падающего на них
излучения, но и от его спектрального состава.
343

Применение термостолбика и фотоэлемента уточняет
демонстрационный эксперимент и знакомит учащихся с
объективным методом фотометрирования.
Индикаторами тока могут быть школьный
проекционный гальванометр, а в случае применения сернистосеребря-
ного фотоэлемента — демонстрационный гальванометр Главуч-
техпрома последнего выпуска, имеющий чувствительность
5-10-5 а/дел1
Визуальные фотометрические наблюдения и измерения,
выполняемые с помощью простейших фотометров и люксметров,
носят относительный характер и дают погрешность 10—20%.
Роль глаза в этих измерениях сводится к установлению
равенства освещенности двух поверхностей.
Чтобы повысить точность измерений и выразительность
таких демонстрационных опытов, необходимо стремиться к
созданию наилучших условий для работы глаза: при сравнении
пользоваться источниками света с близкими спектральными
характеристиками, поддерживать высокий уровень освещения н
адаптировать глаз на темноту.
Для некоторых опытов необходимо оставить учащихся на
несколько минут в затемненном помещении, во время
демонстрации не допускать излишнего освещения и не нарушать
достигнутого состояния адаптации глаза. Восстановление
адаптации требует длительного времени, что может излишне
затянуть опыт.
К вспомогательной аппаратуре, которая
применяется в опытах по фотометрии, относятся: школьный
проекционный аппарат, оптический диск (или шайба Гартля), метр
демонстрационный, штативы, подставки с патронами для
электрических ламп и т. д. Все эти приборы и приспособления
общеизвестны и не требуют описаний.
ОПЫТ Зависимость освещенности от силы света
140 источника
Оборудование: I) фотоэлемент серннстосеребряиый ФЭСС-УЮ
на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3)
лампы электрические мощностью 60—100 вт на подставках — 3 шт., 4) провода
соединительные.
На демонстрационном столе устанавливают рядом друг с
другом три одинаковые электрические лампы мощностью 60—
100 в/п. Лампы соединяют параллельно и включают в сеть
переменного тока.
1 Гальванометры прежних выпусков могут применяться только с уси
лителем постоянного тока (см. Введение, рис. 14).
344
Рис. 373. Демонстрация _ зависимости освещенности от силы
света источника.
На расстоянии примерно 1,5 м от ламп располагают серни-
стосеребряный фотоэлемент, укрепленный на подставке и
соединенный с демонстрационным гальванометром, обладающим
чувствительностью 5-Ю-5 ajdeA (рис. 373).
Перед опытом проверяют установку: в затемненном классе
зажигают каждую лампу отдельно и замечают показания
прибора. Если токи окажутся неодинаковыми, то их уравнивают
путем незначительного изменения положения ламп
относительно фотоэлемента.
Демонстрацию опыта начинают с показа одинакового
отклонения стрелки гальванометра при освещении фотоэлемента
каждой отдельной' лампой. После этого включают сразу две, а
затем три лампы и убеждаются, что освещенность
фотоэлемента, о величине которой судят по величине тока,
пропорциональна числу включенных ламп, т. е. силе света источника.
В этом опыте сернистосеребряный фотоэлемент можно
заменить селеновым фотоэлементомх или школьным
термостолбиком с раструбом и полностью раздвинутыми шторками. Тогда
в качестве индикатора берут проекционный гальванометр или
демонстрационный гальванометр с усилителем постоянного
тока.
ОПЫТ Зависимость освещенности от расстояния
141 Д° источника света
Оборудование: 1) проекционный аппарат с автомобильной
лампой 6—8 в, 21 св. 2) фотоэлемент сернистосеребряный ФЭСС-УЮ, 3)
гальванометр демонстрационный от амперметра, 4) метр демонстрационный,
5) штатив универсальный, 6) батарея аккумуляторов напряжением о—
8 в, 7) провода соединительные.
1 Он входит в комплект полупроводниковых приборов.
345

Рис. 374. Демонстрация зависимости освещенности от расстояния
до источника света.
На конце оптической скамьи проекционного аппарата,
раздвинутой до предела, устанавливают корпус осветителя с
автомобильной лампой А-20 (без рефлектора), а перед ним — серни-
стосеребряный фотоэлемент. При этом обращают внимание на
то, чтобы центр фотоэлемента находился на одном уровне с
нитью лампы.
Позади скамьи, возможно ближе к ней, в лапке штатива
укрепляют демонстрационный метр, как показано на рисунке 374.
При установке метра следует раскрыть корпус осветителя и
проследить за тем, чтобы нить лампы была расположена
напротив нулевого деления метра (без ошибок на параллакс).
Лампу соединяют с батареей аккумуляторов, а
фотоэлемент — с демонстрационным гальванометром, обладающим
чувствительностью 5>10~5 а/дел.
Фотоэлемент в начале опыта располагают от горящей
лампы на небольшом расстоянии, но так, чтобы гальванометр не
был перегружен, а его стрелка установилась на каком-либо
целом делении шкалы. Затем, пользуясь шкалой метра,
расстояние увеличивают в два илн три раза. Тогда ток в цепи
уменьшается соответственно в четыре или девять раз, т. е.
учащиеся практически убеждаются в известной закономерности:
освещенность поверхности, создаваемая точечным источником
света, обратно пропорциональна квадрату расстояния до
источника.
В этом опыте вместо автомобильной лампы можно взять
лампу проекционную. Однако для получения с ней сравнительно
хороших результатов фотоэлемент следует располагать за
пределами оптической скамьи на расстоянии не меньше 1,5 ж. В
противном случае будут наблюдаться большие погрешности,
так как при меньшем расстоянии взятый источник света нельзя
считать близким к точечному.
В случае применения проекционной лампы приемником
света может быть школьный термостолбик с раструбом и
полностью раздвинутыми шторками, а индикатором тока —
демонстрационный гальванометр с усилителем постоянного тока.
346
ОПЫТ Зависимость освещенности от угла
^42 падения пучка света
Оборудование: 1) фотоэлемент сериистосеребрянын ФЭСС-УЮ,
2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) диск оптический,
4) лабораторный прибор для изучения законов освещенности, 5) батарея
аккумуляторов напряжением 6—8 в, 6) провода соединительные, 7) штатив
универсальный.
Для демонстрации опыта собирают установку по рисунку
375. Вначале из осветителя оптического диска вынимают
коробку со щелевыми диафрагмами и плоскими зеркалами-, лампу
подключают к батарее аккумуляторов и,. передвигая ее вдоль
корпуса осветителя, добиваются получения параллельного
пучка света. Затем регулируют положение осветителя
относительно оптического диска так, чтобы на поверхности диска
получилась одинаковой ширины светлая полоска, проходящая через
центр при любом положении осветителя, После этого около
центра диска устанавливают горизонтально серниетосеребряный
фотоэлемент, соединенный с демонстрационным
гальванометром. Затемняют класс и приступают к демонстрации опыта.
Вначале записывают величину тока, соответствующую
наибольшей освещенности фотоэлемента. После этого, медленно
вращая осветитель вокруг горизонтальной оси, изменяют
несколько раз .угол падения пучка света на поверхность
фотоэлемента и записывают соответствующие показания гальваноч
метра во вторую графу таблицы.
Рис. 375. Демонстрация зависимости освещенности
от угла падения пучка света.
347

пучка света а
0°
15°
30°
45°
60°
Величина тока /
("число делений
шкалы)
15
14,4
12,8
10,5
7,6
/„ cos a
15
14,5
13,0
10,6
7,5
Для выяснения закономерности начальную величину тока
/о (угол а—0°) последовательно умножают на косинусы углов
падения пучка света и результаты записывают в третью графу
таблицы. Обращают внимание учащихся, что полученные числа
совпадают (в пределах погрешности измерений) с величинами
токов, отмеченных гальванометром для этих углов.
Очевидно, в этом опыте вместо оптического диска можно
воспользоваться прибором прежней конструкции — шайбой
Гартля. В этом случае фотоэлемент следует укрепить иа
расстоянии 5—6 см от поверхности шайбы, чтобы он при
освещении не затемнялся ширмой.
Крепление фотоэлемента удобно выполнить с помощью
самодельной металлической пластинки Г-образной формы, один
конец которой зажимают под клемму фотоэлемента, а другой —
под винт диска (рис. 376). Из ширмы вынимают одну среднюю
вставку.
Подготовленный таким образом прибор вносят в
параллельный пучок света, полученный от проекционного аппарата с
одной линзой конденсора. В качестве источника света берут
автомобильную лампу на 6 в, 21 св.
Затем, поднимая или
опуская диск на подставке и
поворачивая прибор вокруг
вертикальной оси, добиваются
полной и равномерной
освещенности фотоэлемента и
четкого следа светового пучка на
диске.
Демонстрация опыта
протекает, как описано выше, но
теперь для изменения угла
падения пучка света
вращают не осветитель, а диск с
фотоэлементом.
Для подготовки к
практикуму учащихся кратко знако-
мят с устройством
лабораторного прибора и порядком вы-
К гальЬанометру i
Рис. 376. Шайба Гартля с
фотоэлементом.
348
Рис. 377. Лабораторный прибор для изучения
законов освещенности.
полнения работы «Определение зависимости фототока от
освещенности и построение графика». Прибор представляет собой
открывающуюся пластмассовую трубу, укрепленную
горизонтально на подставке (рис. 377).
В левой съемной части трубы находится селеновый
фотоэлемент, зажимы которого с помощью гибких проводов
соединены с внешними зажимами прибора. Чтобы показать
фотоэлемент, трубу раскрывают.
Учащимся сообщают, что при выполнении работы
фотоэлемент соединяют с микроамперметром, а внутрь трубы помещав
ют электрическую лампочку на 3,5 в, укрепленную на
подставке.
Для установления зависимости тока фотоэлемента от
освещенности фотоэлемент закрывается поочередно тремя
диафрагмами с круглыми отверстиями, площади которых относятся
как 1 : — : —.
2 3
Затем показывают, что электрическая лампочка может
перемещаться вдоль оси трубы. Это позволяет проверить
зависимость освещенности фотоэлемента от расстояния до
источника света. Расстояние отсчитывают по шкале, укрепленной
под трубой.
Далее показывают, что фотоэлемент можно поворачивать а
трубе вокруг оси. проходящей по диаметру активной
поверхности фотоэлемента. Это позволяет изучить зависимость
освещенности фотоэлемента от угла падения пучка света. Угол
наклона плоскости фотоэлемента к оси трубы отсчитывается по
угломеру, укрепленному на поверхности трубы. Для получения
параллельного пучка света, необходимого в этом опыте, в трубу
вводят собирающую линзу на подставке. Линза и лампочка
входят в комплект прибора.
349

Все опыты с прибором не нуждаются в затемнении и
проводятся при полном освещении лаборатории, так как
пластмассовая труба надежно защищает фотоэлемент от света
посторонних источников.
и||Ь" Сравнение силы света двух источников
143
Оборудование: 1) фотометр демонстрационный, 2) фотоэлемент
сернистосеребряный ФЭСС-У10 на подставке, 3) гальванометр
демонстрационный от амперметра, 4) лампы электрические мощностью оО—100 вт
на подставке —3 шт., 5) метры демонстрационные —2 шт., 6) провода
соединительные.
Вначале учащихся знакомят с субъективным методом фото-
метрирования при помощи простейшего самодельного
демонстрационного фотометра, а затем переходят к объективному с
фотоэлементом,
1. Прибор для первого опыта изготовляют из куска картона
размером примерно 300X500 мм. Картон с одной стороны
окрашивают черной тушью, затем складывают пополам. К
окрашенной стороне приклеивают круг, вырезанный из белой
бумаги. Диаметр круга, равный примерно 160 мм, должен
совпадать с линией изгиба.
Для опытов изготовленный фотометр развертывают в
двухгранный угол примерно в 120°, обе половины закрепляют
перемычкой и ставят на стол за двумя демонстрационными
метрами, сложенными своими концами (рис.'378). По сторонам
от фотометра ставят два известных источника света, например,
с одной стороны лампу в 75 вт, а с другой — две такие же
лампы.
Учащимся кратко поясняют, что во всех субъективных
фотометрах имеются два сравниваемых световых поля, каждое
из которых освещается только одним источником света.
Такими полями в рассматриваемом фотометре являются два белых
бумажных полукруга, которые приклеены к черной поверхно-
Рис. 378. Установка для сравнения силы света двух источников.
350
сти картона. Поля располагаются всегда рядом друг с другом
и не разделяются заметной границей. При работе с фотометром
роль глаза сводится к установлению равенства освещенностей
полей.
После этого в затемненном классе показывают способы
применения фотометра. Не поворачивая прибора, медленно
перемещают один из источников света и добиваются равенства
освещенности полей фотометра. Затем по демонстрационным
метрам замечают расстояния от границы световых полей до
источников. Зная силы света источников (/j и /j) и расстояния
их до фотометра (R\ и #2)> устанавливают из опыта известное
соотношение:
А ^ W
Опыт повторяют с двумя электрическими лампами разной
мощности и определяют силу света одного источника, приняв
другой за эталон.
Далее учащихся знакомят с другим способом установки
фотометра. Для этого поля фотометра развертывают под углом
в 90° и, чтобы величина угла оставалась постоянной,
закрепляют перемычкой. Фотометр устанавливают на одинаковом
расстоянии от тех же источников света и медленно
поворачивают вокруг вертикальной оси, проходящей через границу
световых полей (рис. 379). Выясняют, что при одинаковой
освещенности фотометра силы света источников обратно
пропорциональны косинусам углов падения пучков света:
/t COS <х2
/2 COS at
где (ц и <Х2 — углы падения пучков света.
Так как ^-^2 = ■— , то измерение углов cti и аз можно
cos «1 OB
заменить измерением отрезков АО и ОВ по демонстрационным
метрам, расположенным вдоль прямой, соединяющей источ-.
ники.
A^ffVdg
Рис. 379. Схема установки фотометра и источников света
(вид сверху).
351

Рис. 380. Демонстрационный люксметр.
При работе с
фотометром свет, идущий от
ламп в аудиторию,
необходимо закрыть от уча-,
щихся непрозрачными
экранами. Наблюдение за
фотометром во время
опыта лучше вести одним
глазом, так как в этом
случае исчезает
пространственное расположение
полей и они.как бы
сближаются. Это повышает
точность измерений.
2. Объективный метод фотометрирования демонстрируют с
теми же источниками света, но вместо описанного фотометра
берут фотоэлемент, соединенный с демонстрационным
гальванометром.
Вначале фотоэлемент освещают первой лампой, установив
ее на таком расстоянии, чтобы стрелка гальванометра
остановилась на каком-либо целом делении шкалы. Затем вместо
первой лампы ставят вторую и, перемещая фотоэлемент,
добиваются прежнего значения тока в гальванометре.
Измерив в обоих случаях демонстрационным метром
расстояния от фотоэлемента до источников, определяют
отношение сил света сравниваемых ламп. Это отношение остается
приблизительно таким же, как в опыте с демонстрационным
фотометром, и весьма близким к отношению мощностей,
обозначенных на лампах.
Учащимся сообщают, что методы объективной фотометрии
оказываются более точными, чем субъективные, поэтому они
получили широкое распространение. В качестве датчика света
обычно применяется селеновый фотоэлемент, так как его
спектральная чувствительность близка к спектральной
чувствительности нашего глаза.
Если шкалу гальванометра предварительно проградуиро-
вать в единицах освещенности, то получится измерительный
прибор—люксметр (рис.380).
ОПЫТ Распределение силы света вокруг
144 электрической лампы
Оборудование: 1) диск оптический, 2) фотоэлемент сернистосе-
ребряный ФЭСС-УЮ, 3) гальванометр демонстрационный от амперметра.,
4) лампа электрическая мощностью 60—100 вт на подставке, 5)
автотрансформатор ЛАТР-2 или РНШ, 6) провода соединительные.
352
Рис. 381. Установка для демонстрации распределения силы
света вокруг электрической лампы.
Исследуемую лампу устанавливают на подставке около
центра оптического диска и соединяют с автотрансформатором
(рис. 381). Осветитель с оптического диска снимают, а на его
место укрепляют сернистосеребряный фотоэлемент; его
активная поверхность должна быть перпендикулярна диаметру
диска. Фотоэлемент соединяют длинными гибкими проводами с
демонстрационным гальванометром и включают лампу.
Начальную яркость горения лампы подбирают с помощью
автотрансформатора так, чтобы стрелка гальванометра не
отклонялась за пределы шкалы.
Затем держатель с
фотоэлементом медленно
поворачивают вокруг горящей
лампы и через каждые 20°
записывают показания
гальванометра.
По полученным данным
вычерчивают па классной
доске кривую
распределения силы света лампы в
полярных координатах.
Координатную сетку
подготавливают заранее; па ней
откладывают по радиусам
показания гальванометра при
различных положениях
фотоэлемента за полный
оборот (рис. 382).
Ю
2S0
280
300
210
200
ISO ISO
Щ«\^
НА
V*
т
100
60
60
320 3*0
го
w
*3 Заказ № 6047
Рис. 382. Диаграммы распределения
силы света электрических ламп:
а — с обычным стеклом, б — с матовым
стеклом.
353

- Опыт повторяют с лампой из матового или молочного
стекла и результаты его наносят на ту же координатную сетку. Из
сравнения графиков убеждаются в более равномерном
распределении силы света у второй лампы.
§ 2. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
ОПЫТ
Законы преломления света
145
Оборудование: 1) оптический диск, 2) проекционный аппарат,
3) стеклянный полуцилиндр.
Стеклянный полуцилиндр укрепляют в центре оптического
диска так, чтобы плоская грань стекла совпала С диаметром
диска, имеющего на концах деления в 90° (рис. 383). На
расстоянии 1 —1,5 м от диска устанавливают универсальный
проекционный аппарат с лампой 300 вт. Перед конденсором
аппарата располагают горизонтально раздвижную щель (ее
укрепляют в ширме дисковой диафрагмы). Узкий пучок света
направляют вдоль нулевого диаметра диска на плоскую грань
стеклянного полуцилиндра. Слегка передвигая диск вперед,
назад и поворачивая вокруг вертикальной оси, добиваются
четкого следа пучка на поверхности диска и внутри стекла.
Для получения у пучка резких краев перемещают объектив.
С подготовленной установкой в слегка затемненном классе
демонстрируют: 1) преломление света при переходе нз
воздуха в стекло и 2) преломление света при переходе из. стекла в
воздух.
Рис. 383. Установка для демонстрации преломления света.
354
~3" "Z^L ~^kr
a 9 » g
Рис. 384. Преломление и отражение светового пучка при
переходе из воздуха в стекло.
Сначала показывают, что пучок света, падающий
перпендикулярно на плоскую грань стекла, проходит полуцилиндр без
изменения своего направления (рис. 384, а). Затем диск
поворачивают на некоторый угол вокруг горизонтальной оси и
наблюдают в точке падения раздвоение падающего пучка: часть
света отражается от стекла и идет в воздухе под углом,
равным углу падения, другая часть проходит из воздуха в стекло.
Обращают внимание учащихся на то, что преломленный
пучок идет по радиусу внутри полуцилиндра. Поэтому он
выходит из стекла без изменения своего направления (рис. 384, б).
Изменяя угол падения, показывают, что соответственно
изменяется и угол преломления, но последний остается всегда
меньше угла падения. По мере приближения угла падения к
90° угол преломления возрастает до максимального значения в
42° (рис. 384, б).
При увеличении угла падения заметно возрастает яркость
отраженного пучка, а преломленного соответственно
уменьшается, При этом наблюдается также увеличение ширины
преломленного пучка, в то время как у отраженного пучка она
остается постоянной.
Для установления закона преломления через каждые 10—
20° измеряют углы падения а и преломления Y, отсчитывая их
по угловым делениям диска от концов нулевого диаметра.
Результаты измерений записывают на классной доске в таблицу,
в которую вносят дополнительно числовые значения синусов
углов и их отношения.
Угол
падения а
(в град.)
10 .
20
30
40
50
60
Угол
преломления 1
(в град.)
7
13
19
25
30
35
Sin a
0,174
0,342
0,500
0,643
0;766
0,866
Среднее:
sin т
0,122
0,225
0,326
0,423
0,500
0,574
sin a
"l~ Jin
1,42
1,52
1,53
1,52
1,53
1,51
1,51
sin к
sin а
0,70
0,69
0,65
0,66
0,66
0,67
0,67
23* 355

Рис. 385. Преломление и отражение светового пучка
при переходе из стекла в воздух.
Демонстрацию преломления света при перехоле из среды
оптически более плотной в среду оптически менее плотную
начинают с пучка, идущего по нулевому диаметру диска.
Поворачивают диск и направляют пучок света па выпуклую
поверхность полуцилиндра (рис. 385, а). В этом случае пучок
проходит полуцилиндр без преломления.
Затем направляют пучок под некоторым углом. Обращают
внимание на то, что пучок при входе в стекло по известной уже
причине не испытывает преломления, а при выходе из стекла
отклоняется от первоначального направления, причем угол
преломления стал больше угла падения (рис. 385, б).
Угол падения увеличивают до тех пор, пока угол
преломления не приблизится к прямому, но так, чтобы еще не
наступило полное отражение, рассмотрение которого в этом опыте
преждевременно (рис. 385, в).
Одновременно с преломленным пучком наблюдают
отраженный; он будет тем ярче, чем больше угол падения. Яркость
преломленного пучка соответственно будет ослабевать.
Чтобы не производить новой записи результатов измерений,
углы падения берут равными углам, записанным во втором
столбце приведенной выше таблицы. Тогда углы преломления
оказываются равными соответственно углам первого столбца
таблицы. В прежней таблице добавляют еще один столбец, в
который записывают значения показателя преломления
воздуха относительно стекла.
На основании проведенных опытов делают следующие
выводы: I) пучок падающий, пучок преломленный и
перпендикуляр к поверхности раздела двух сред лежат в одной
плоскости; 2) отношение синуса угла падения к синусу угла
преломления есть постоянная' величина; она не зависит от угла
падения и определяется оптическими свойствами граничащих сред.
Кроме того, сопоставление обоих опытов позволяет
установить: 1) свойство обратимости световых пучков при отражении
и преломлении и 2) взаимную связь между
относительными показателями преломления стекла и воздуха, а именно:
«1 = , ИЛИ П, -П2= 1
п.,
356
В заключение полезно сделать оговорку, что законы
отражения и преломления света справедливы только в том случае,
если поверхность раздела двух сред по своим размерам
значительно превосходит длину волны света. В противном
случае начинают заметно сказываться волновые свойства света и
установленные законы нарушаются.
опыт
Полное отражение света
146 г
Оборудование: 1) оптический диск со стеклянным
полуцилиндром, 2) проекционный аппарат, 3) ванна стеклянная размером 35Х 16X20 см,
4) экран для ванны, белый размером 34X25 см, 5) трубка U-образная
стеклянная, 6) столик подъемный, 7) светофильтр красный, 8) шар
металлический закопченный, 9) ящики-прдставки — 2 шт., 10)*вода или керосин.
Собирают установку по рисунку 383 и повторяют
демонстрацию преломления света, идущего из среды оптически более
плотной в среду оптически. менее плотную. Наблюдения
ведут одновременно за тремя пучками: падающим, отраженным
и преломленным.
С увеличением угла падения доля отраженного света от
плоской поверхности стекла возрастает, а преломленного
—убывает. Как только угол падения достигнет некоторого
предельного значения (42°), преломленный пучок скользит вдоль
плоской грани полуцилиндра и при незначительном увеличении
угла падения исчезает совсем. При этом яркость отраженного
пучка резко возрастает и становится одинаковой с яркостью,
падающего пучка.
При дальнейшем увеличении угла падения наблюдается
только отраженный пучок. Он выходит из стекла без
преломления и оставляет на поверхности диска
хорошо видимый след (рис. 386), Это
явление называют полным отражением
света.
Г" Учащимся сообщают, что полное
отражение находит широкое применение в
различных оптических приборах, в частности
световодах. Простейшую модель световода
демонстрируют на установке, собранной по
рисунку 387.
Рядом С проекционным аппаратом на Рис. 386. Полное
подъемном столике помещают стеклянную вого^жа в^тек"-
вапну, склеенную из листового органическо- лянном полуци-
го стекла1. В ванну наливают слой воды линдре.
1 Вместо указанной ванны можно взять готовый аквариум.
357

Рис. 387. Установка для демонстрации полного
отражения света в воде.
глубиной примерно 7—8 см. Перед конденсором проекционного
аппарата ставят горизонтально раздвижную щель, а на
оправу объектива надевают плоское зеркало. С помощью зеркала
направляют узкий пучок света на боковую стенку ванны. Вводе
пучок преломляется, а.затем полностью отражается от
поверхности воды и выходит из ванны с противоположной' стороны,
испытав еще раз преломление. Чтобы лучше видеть след
пучка, в ванну вносят белый экран или подливают раствор флюо-
ресцина. .
Изменяя с помощью зеркала угол падения, демонстрируют
многократное полное отражение пучка от поверхности воды и
дна ванны — модель распространения света в световоде
Црис. 388).
х с---- Предыдущий опыт следует продолжить с U-образной
трубкой, наполненной керосином или водой (рис. 389). Для этого
раздвижную щель в проекционном аппарате заменяют
диафрагмой с круглым отверстием. Выходящий пучок света с
помощью зеркала направляют вертикально вниз. В пучок света
вносят трубку с жидкостью так, чтобы он входил только в
одно колено. При этом жидкость в трубке начинает светиться
по всей длине, как будто свет распространяется не
прямолинейно, а криволинейно в соответствии с кривизной трубки.
Рис. 388. Многократное полное отражение светового пучка в воде.
358
Рис. 389. Полное отражение света в трубке с водой; а — светофильтр.
Наблюдаемое явление объясняют полным отражением
света на границе стекло — воздух и частичным рассеиванием
света. Многократное отражение на границе керосин — стекло
(или вода — стекло) не имеет значения ввиду малого
различия в показателях преломления этих сред.
Для выразительности опыта при входе света в жидкость
ставят красный светофильтр а. Тогда жидкость в трубке
светится красным светом. Позади трубки необходимо поставить
i темный экран и слегка затемнить класс.
■г~ Наконец, полезно продемонстрировать в качестве
экспериментальной, задачи простой опыт с закопченным телом.
Металлический шар или стеклянную круглодонную колбу коптят
до урока над пламенем спиртовки, заправленной скипидаром,
а затем опускают в прозрачный сосуд с водой и в таком виде
выставляют на демонстрационный .стол. Учащиеся видят
блестящий металлический предмет, не подозревая, что он покрыт
копотью. Затем шар вынимают из воды и эффект исчезает.
Наблюдаемое явление учащиеся должны суметь объяснить
полным отражением света от слоя воздуха, облегающего
поверхность шара, не смачиваемого водой.
В этом опыте вместо закопченного тела можно взять
стеклянную воронку. Узкий конец воронки предварительно
закрывают резиновой пробкой или пальцем и погружают воронку
в воду трубкой вверх, следя за тем, чтобы из нее не вышел
роздух.
При наблюдении сбоку через стенку сосуда с водой часть
воронки, заполненная воздухом, кажется блестящей. Если из
воронки вынуть пробку или отпустить палец, то явление
полного отражения исчезает.
359

ОПЫТ Преломление и полное отражение света
147 в призме
Оборудование: 1) оптический диск, 2) проекционный аппарат,
3) диафрагмы с одной раздвижной и с двумя щелями, 4) пластинка и призма
стеклянные, 5) светофильтр, 6) диапозитив.
На оптическом диске укрепляют стеклянную пластинку,
имеющую форму трапеции. Вершина острого угла в 45°
должна немного выступать за центр диска (рис. 390). На грань
пластинки, играющей роль призмы, направляют узкий
горизонтальный пучок света, как это делалось в предыдущих
опытах (рис. 383). Пучок света, испытав двойное преломление,
выходит в воздух, заметно отклонившись от первоначального
направления. Угол отклонения отсчитывают приблизительно
по градусным делениям диска.
Поворачивая медленно диск с призмой вокруг
горизонтальной оси, показывают, что угол отклонения преломленного
пучка изменяет свою величину. Он достигает минимального
значения в том случае, когда угол входа пучка равен углу
выхода.
Затем в центре диска устанавливают пластинку острым
углом в 60° и повторяют опыт. Оказывается, чем больше
преломляющий угол призмы, тем больше угол наименьшего
отклонения пучка. Для призм с преломляющими углами в 45
и 60° углы наименьшего отклонения соответственно равны
25 и 40°.
Пластинку в виде трапеции заменяют равнобедренной
прямоугольной призмой. . Ее укрепляют на диске так, чтобы грань,
лежащая против прямого
угла, совпала с диаметром
диска.
Раздвижную щель в
проекционном аппарате заменяют
самодельной диафрагмой с двумя ще*
лями, укрепленной в рамке для
диапозитивов. Расстояние между
щелями должно быть
приблизительно 15 мм.
Два узких горизонтальных
пучка света направляют на
призму, причем на пути одного пучка
ставят красный светофильтр.
Вначале пучки света направо
ляют на катет-призмы под неко-
Рис. 390. Преломление светового торым острым углом и наблюда-
пучка в призме. ют обычное преломление света.
360
г 1
\
/
1 v
1
г
Рис. 391. Преломление и полное отражение
световых пучков в призме.
Преломленные пучки отклоняются в сторону основания призмы
(рис. 391, а).
Затем пучки направляют перпендикулярно к одному из
катетов. Войдя в призму без преломления, пучки падают на
гипотенузу под углом 45°. Здесь происходит полное отражение,
так как угол падения больше предельного. Отраженные пучки
выходят из призмы перпендикулярно второму катету и
потому не изменяют своего направления (рис. 391, б). Таким
образом призма поворачивает пучки света на 90°.
После этого пучки направляют перпендикулярно грани,
лежащей против прямого угла (гипотенузе призмы). Пучки
проходят эту грань без изменения направления, дважды
-отражаются и выходят из призмы, как показано на рис. 391, в,
причем пучки меняются местами: верхний пучок становится
нижним.
Наконец пучки направляют параллельно основанию
(гипотенузе) призмы на один из ее катетов. После двойного
преломления и однократного полного отражения пучки выходят
из призмы по тому же направлению, поменявшись местами
(рис. 391, г).
Далее показывают применение наблюдавшихся выше
явлений для переноса изображения с помощью призм. Для этого
вначале получают на экране изображение какого-либо
диапозитива. Затем к объективу подносят призму полного
отражения и располагают так, как показано на рисунках 391, б, в, г.
При этом изображение перемещается то на потолок, то на
противоположную стену, то остается на экране, по
перевертывается на 180°.
* в
361

опыт
..„ Преломление света в линзах
148 г
Оборудование: 1) прибор по геометрической оптике, 2)
проекционный аппарат, 3) линзы полые наливные — двояковыпуклая и
двояковогнутая, 4) ванна стеклянная размером 35X16x20 см, 5) штатив универсальный,
6) насыщенный раствор поваренной соли.
Прибор по геометрической оптике (рис. 392)
устанавливают на демонстрационном столе совместно с осветителем (от
универсального аппарата, как показано на рисунке 393.
Объектив аппарата снимают и из конденсора вынимают переднюю
линзу.
С помощью оставшейся линзы получают параллельный
пучок света, который направляют на щелевое устройство прибора.
Экран прибора располагают в пучке так, чтобы свет,
пройдя сквозь открытые щели, давал на экране по всей его длине
четкие параллельные узкие полосы.
Средняя полоса должна проходить через отметку,
нанесенную на конце экрана. Практически это достигается путем
небольшого вращения экрана вокруг вертикальной и
горизонтальной осей и перемещения линзы конденсора относительно
источника света.
Ввиду того что нить проекционной лампы имеет
значительные размеры, световые полосы на экране получаются немного
расходящимися. Чтобы устранить этот недостаток, после кон-
Рис 392. Прибор А. И. Глазырина по геометрической оптике:
/ — подставка; 2 — стопорный винт; 3 - стержень; « — щит-экран; S — щитовое
устройство; «—коробка со щелями; 7 — цилиндрическое отверстие; 8 —головка
цилиндрической оправы, в которую вмонтировано плоское зеркало; 9 — передвижные шторки
в щелях; 10 — оптика; // — отметки на экране; /2 — светофильтр.
362
Рнс. 393. Установка для демонстрации преломления света
в линзах.
денсора устанавливают прямоугольную диафрагму — рамку
для стеклянных диапозитивов размером 45x60 мм.
В щелевое устройство прибора вставляют плоские зеркала
и светофильтр. На экране прибора, под четвертой отметкой,
устанавливают модель собирающей линзы с фокусным
расстоянием 140 мм\
С подготовленной установкой в затемненном классе
демонстрируют следующие опыты.
1. Открывают среднюю щель и получают на экране белую
полоску, изображающую главную оптическую ось линзы. Затем
открывают соседние две щели и с помощью плоских зеркал
направляют цветные (красный и зеленый) пучки вдоль
побочных оптических осей линзы (рис. 394, а). Обращают
внимание на то, что все три пучка проходят оптический центр
линзы почти без изменения своего направления. ■
2. На линзу направляют три пучка, параллельные главной
оптической оси. Пройдя линзу, пучки пересекаются в одной
точке — главном фокусе линзы (рис. 394, б). С помощью
демонстрационного метра измеряют главное фокусное
расстояние линзы. Оно оказывается равным примерно 14 см или двум
делениям шкалы экрана.
После этого пучки делают немного сходящимися, а затем
расходящимися. В первом случае точка пересечения пучков
оказывается правее, а во втором случае —левее главного
фокуса.
3. Боковые пучки направляют на линзу так, чтобы они
предварительно пересекли главную оптическую ось в точке,
лежащей перед линзой. Если эта точка совпадает со вторым
главным фокусом, то после ликзы пучки идут параллельно
(рис. 394, в). В противном случае пучки получаются
сходящимися, либо расходящимися.
Опыт второй повторяют с двояковыпуклой линзой,
имеющей фокусное расстояние 70 мм, и устанавливают связь меж-
1 На всех рисунках линзы и зеркала изображены на тех местах, на
которых они должны быть при демонстрации соответствующего опыта.
363

Рис. 394. Преломление световых пучков в собирающей и
рассеивающей линзах.
ду радиусом кривизны преломляющих поверхностей линзы и
ее фокусным расстоянием.
Двояковыпуклую линзу заменяют двояковогнутой и
демонстрируют аналогичную серию опытов, разделив их на три
случая.
1. Вначале пучки света направляют через оптический
центр линзы. Пучки проходят линзу, сохраняя первоначальное
направление (рис, 394, г). Боковой сдвиг у крайних пучков
оказывается едва заметным. Последнее объясняется тем, что
середина у рассеивающей линзы тоньше, чем у собирающей.
2. На линзу направляют три параллельных пучка. Пройдя
линзу, пучки расходятся в разные стороны, причем каждый
пучок постепенно расширяется и поэтому быстро уменыпается
его яркость (рис. 394, д). Большая ширина пучков затрудняет
определение их направления. Чтобы определить положение
главного фокуса, приходится за направление пучка принимать
среднюю линию полосок на экране. Точка пересечения этих
линий с главной оптической осью линзы будет первым мнимым
фокусом линзы. Измеряют величину главного фокусного рас-,
стояния.
3. Пучки света направляют па линзу так, чтобы их
продолжение за линзу проходило через главный фокус линзы. После
линзы пучки идут параллельно главной оптической оси
(рис. 394, е). Учащиеся должны твердо запомнить ход через
304
пинзы этих пучков, так как они обычно применяются длр
построения изображений.
После этого демонстрируют опыты, раскрывающие
зависимость главного фокусного расстояния линзы от относительного
показателя преломления вещества, из которого сделана линза.
Берут две наливные линзы —двояковыпуклую и
двояковогнутую, изготовленные из листового органического стекла и
имеющие одинаковые размеры: диаметр 15 см, толщина 6 см,
высота вместе с подставкой 28 см. Пустые линзы поочередно
вносят в параллельный пучок света, полученный с помощью
осветителя от проекционного аппарата. Свет проходит обе линзы
без изменения направления.
Линзы заливают водой и наблюдают действие обеих линз.
У собирающей линзы измеряют фокусное расстояние,
приблизительно равное 16 см.
Затем в двояковыпуклую линзу наливают насыщенный
раствор поваренной соли и снова измеряют главное фокусное
расстояние. Оно оказывается меньше первоначального.
Двояковыпуклую линзу, заполненную жидкостью, переносят
в ванну с водой, подкрашенной флюоресцином, и освещают
параллельным пучком света.
Диаметр пучка должен быть меньше диаметра линзы. Такой
пучок получают с помощью объектива, проецируя на ваипу
изображение круглого отверстия диафрагмы.
В результате изменения оптической плотности окружающей
среды главное фокусное расстояние линзы заметно
увеличивается.
После этого жидкость из линз выливают и пустые линзы
поочередно погружают в ванну с водой. Двояковыпуклая
воздушная линза в воде оказывается рассеивающей, а двояковогну-.
тая —собирающей (рис. 395).
Рис. 395. Преломление света в воздушной линзе, погруженной в воду.
365

В случае отсутствия наливных линз можно взять линзы
стеклянные с фокусным расстоянием 20—25 см, закрепленные
в линзодержателях. Действие указанных линз наблюдают один
раз, когда линзы находятся в воздухе, и второй — когда линзы
погружены в воду,
Получение изображений с помощью линз
Оборудование: 1) линза собирающая с фокусным расстоянием
15—25 см, 2) линза рассеивающая с фокусным расстоянием 15—25 см, 3)
осветитель от проекционного аппарата, 4) экран настольный, i) метр
демонстрационный.
Корпус осветителя с проекционной лампой, собирающую
линзу на подставке и экран располагают на демонстрационном
столе согласно рисунку 396. Линзу устанавливают от лампы на
таком расстоянии, чтобы за линзой получился параллельный
пучок света.
Раскрывают корпус осветителя и с помощью
демонстрационного метра измеряют расстояние между линзой и нитью
лампы, т. е. главное фокусное расстояние линзы. После этого
демонстрируют следующие виды изображений.
1. Лампу отодвигают на возможно большее расстояние, что
соответствует удаленному предмету. Передвигая экран,
получают уменьшенное, обратное изображение нити. Издали оно
кажется светящейся точкой. С помощью демонстрационного
метра измеряют расстояние от линзы до изображения. Обна-
Рис. 396. Демонстрация изображения нити лампы о помощью
собирающей линзы.
366
руживают, что оно расположено примерно в главной
фокальной плоскости линзы.
2. Лампу приближают к линзе па расстояние, немного
большее двойного фокусного расстояния. Для получения четкого
изображения экран приходится немного отодвинуть от линзы.
Изображение получается по-прежнему действительным,
обратным и уменьшенным. Несмотря на значительное приближение
предмета, его изображение мало удалилось от линзы и лежит
между главным и двойным фокусами.
3. Лампу устанавливают на двойном фокусном расстоянии
от линзы. Отодвигая еще дальше экран, получают
действительное, обратное изображение, равное по величине предмету.
Снова измеряют расстояние до изображения и убеждаются, что
оно равно двойному фокусному расстоянию линзы.
4. Лампу располагают между главным фокусом и двойным
фокусом линзы. Добиваются четкого действительного
изображения на экране. Оно получается обратным, увеличенным и
расположенным за двойным фокусным расстоянием.
•Показывают, что, чем ближе лампа расположена к главному фокусу,
тем изображение больше и находится дальше от линзы. При
очень больших размерах изображения его проецируют прямо
на стену или проекционный экран.
5. Лампу устанавливают в главном фокусе лиизы.
Перемещая экран, убеждаются в том, что действительное
изображение не получается ни при каком расстоянии: свет после линзы
распространяется параллельным пучком. Чтобы обнаружить
пучок, надо задымить воздух или расположить экран в пучке
так, чтобы пучок «скользил» по экрану.
6. Наконец, лампу располагают перед линзой на
расстоянии, меньшем фокусного расстояния. Показывают, что в этом
случае получить действительное изображение невозможно, так
так после линзы пучок становится расходящимся.
Чтобы увидеть мнимое изображение, лампу с линзой
поворачивают в сторону учащихся и просят их посмотреть на
лампу через линзу. При этом напряжение на лампе уменьшают,
чтобы не ослеплять глаза учащихся. Изображение кажется
прямым и увеличенным. Приближая линзу к лампе, а затем
отодвигая ее, показывают, как в первом случае изображение
уменьшается, во втором — увеличивается.
Собирающую линзу заменяют рассеивающей и на опыте
убеждаются в том, что при любом положении лампы
рассеивающая линза дает изображение мнимое, прямое,
уменьшенное и лежащее с той же стороны, что и предмет. Мнимое
изображение с рассеивающей линзой демонстрируют так же, как
и с собирающей линзой (п. 6).
Каждый рассмотренный выше опыт рекомендуется
сопровождать построением соответствующего изображения на
классной доске.
367

опыт
150
Сферическая и хроматическая аберрация
линз
Оборудование: 1) прибор по геометрической оптике, 2)
проекционный аппарат, 3) линза собирающая с фокусным расстоянием 15—25 см,
4) экран проекционный, 5) экран настольный, 6) стеклянная пластинка с
миллиметровой сеткой (из лабораторного набора по оптике).
1. С прибором по геометрической оптике собирают
установку, показанную на рисунке 393, и- на экране прибора
устанавливают собирающую линзу с фокусным расстоянием 140 мм.
Наблюдают, что краевые пучки не сходятся в одной точке с
центральными: чем дальше от оси линзы расположен пучок,
тем сильнее он преломляется и тем ближе к линзе находится
точка его пересечения с осью (рис. 397). Опыттоказывает, что
разные зоны линзы имеют различные фокусные 'расстояния,
поэтому ^изображение получается не в виде точки, а в виде
расплывчатого светлого пятна. Этот недостаток называют
сферической аберрацией.
Далее показывают влияние сферической аберрации на
качество изображения предмета. Перед конденсором
проекционного аппарата устанавливают на подъемном столнке
стеклянную пластинку с миллиметровой сеткой. С помощью
двояковыпуклой линзы, имеющей фокусное расстояние 15—25 см,
получают iva экране увеличенное изображение сетки (рис. 398).
Изображение получается с размытыми краями, Если края
спроецировать резкими, то середина изображения получается
размытой. Это происходит по той причине, что краевые зоны
линзы дают изображение в плоскости, расположенной ближе
к линзе. Чтобы убедиться в этом, пользуются переносным
экраном. Медленно приближают экран к линзе, все время следя
за качеством изображения. Замечают, что резкость краев
изображения восстанавливается. Таким образом, различные
участки изображения не лежат в одной
плоскости, а располагаются на во- -^л.л^рр+рр-рРг-'^
гнутой поверхности.
Для уменьшения сферической
аберрации применяют диафрагмы
Рис. 397. Сферическая аберрация
линзы.
Рис. 398. Явление
сферической аберрации линзы.
368
U Ч^
Рис. 399
ч. ■ -
%
Хр
1
ч^
V
эматическая
линзы.
...
*
) Красный
~ ;i 5e/!biO
г
i Синай
аберрация
и специальную систему
линз (объектив). Чтобы
убедиться в этом,
непосредственно около линзы
ставят дисковую
диафрагму сначала с большем
отверстием, затем
переходят к наименьшему
отверстию и наблюдают, как
по мере замены
диафрагм яркость изображения уменьшается, но оно
становится все отчетливее и приобретает более резкие очертания.
Происходит это по той причине, что диафрагма не пропускает
краевые пучки.
Далее вместо линзы ставят объектив от проекционного
аппарата тина «Перископ» с двумя собирающими линзами,
расположенными па некотором расстоянии друг от друга, и
получают резкое изображение по всей площади.
2. Хроматическую аберрацию вначале показывают на
приборе по геометрической оптике, как это описано выше, только
на щелевое устройство надевают красный и синий
светофильтры.
Наблюдая за цветными пучками после линзы, убеждаются,
что синий пучок пересекает оптическую ось ближе к линзе, чем
красный (рис. 399).
Если снять светофильтры, го у краевых пучк<?в после линзы
можно заметить по краям цветную окраску. Это явление
называют хроматической аберрацией. Она возникает в результате
зависимости показателя преломления стекла от длины волны
света.
Далее показывают влияние хроматической аберрации на
качество изображения. Для этого с помощью плосковыпуклой
линзы конденсора получают на переносном экране увеличенное
изображение нити проекционной лампы (рис. 400). Плоская
сторона линзы должна быть обращена к источнику света, а со
стороны выпуклой поверхности поставлена диафрагма с
отверстием диаметром 6 см (держатель от объектива).
Внимание учащихся обращают иа цветные каемки, которые
сопровождают изображение. Цвет каемок зависит от
положения экрана. Если экран медленно перемешать по столу в
сторону линзы, то синий цвет постепенно переходит в красный.
Можно расположить экран на столе под некоторым углом к
падающему па него пучку света. Тогда изображение нити и
каемок растянется по ширине, причем часть^изображения,
расположенная ближе к линзе, будет иметь красную каемку, а
часть, расположенная дальше от'линзы,— синюю.
Учащимся сообщают, что хроматическая аберрация
ослабляется путем склеивания двух линз — собирающей и. рассеи-
2-1 Заказ .Mi 6047 369

Рнс. 400. Демонстрация хроматической аберрации линзы.
вающей, подобранных из стекла с различной оптической
плотностью. В результате линза, оставаясь собирающей, не
разлагает пучки света в спектр. Такую линзу называют
ахроматической.
В заключение демонстрируют сразу несколько недостатков
линзы. Для этого из конденсора проекционного аппарата
вынимают съемную линзу и с ее помощью проецируют на экран
изображение миллиметровой сетки, нанесенной на стеклянную
пластинку. При этом плоская поверхность линзы должна быть
обращена в сторону источника света.
На экране наблюдают одновременно следующие недостатки
изображения:
1) изображение в различных местах имеет неодинаковую
резкость (сферическая аберрация);
2) по краям линий, особенно в
краевых областях, видна цветная
каемка (хроматическая
аберрация) ;
3) изображение прямоугольной
сетки искажено (рнс. 401): прямые
линии получаются в виде кривых,
обращенных выпуклостью к
оптической оси, в результате
изображение имеет подушкообразный
вид (дисторсия). Такое искажение
объясняется тем, что у краев
линзы увеличение получается больше,
чем в ее середине;
Рис. 401. Явление днсторсии 4) линзу поворачивают вокруг
линзы. вертикальной или горизонтальной
370
Рис. 402. Явление астигматизма линзы.
оси па угол в 20—30°. Изображение сетки исчезает и
заменяется размытым пятном. Перемещая экран относительно
линзы, находят два таких его положения, при которых на
изображении резко выражены либо вертикальные, либо
горизонтальные полосы сетки (рис. 402) (астигматизм.косых пучков),
§ 3. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
При демонстрации опытов с оптическими приборами
дополнительно применяются следующие учебные таблицыЧ 1)
микроскоп, 2) телескоп, 3) призматический бинокль.
На этих таблицах основное внимание уделяется выяснению
хода пучков света в каждом приборе. В схемах микроскопа и
телескопа пучки света доводятся до сетчатки глаза.
Дополнительно дается внешний вид приборов и ход пучков света при
наблюдении объектов невооруженным глазом.
Устройство и действие киноаппарата
Оборудование: 1) киноаппарат школьный, 2) проекционный
аппарат, 3) машина центробежная с стробоскопическим диском, 4) экран
проекционный, 5) светофильтры, 6) диапозитив на стекле.
Школьный киноаппарат устанавливают на
демонстрационном столе и, показывая его учащимся, выделяют три основные
части: 1) оптическую, 2) электрическую и 3) механическую
(кинематическую). Каждой части дают краткую характеристику.
1 См.: В. А. Буров, Г Р. Л ясен к ер, М. А. Ушаков. Таблицы по
физике для средней школы М., «Просвещение», вып. III, 1965, и вып. IV,
1969.
24» 871

Рис. 403. Схема оптической части киноаппарата:
/ — рефлектор; 2 — лампа; 3 — конденсор; 4 — кадровое
окно; 5 — объектив.
Основное внимание уделяют изучени»о оптической части, схему
которой вычерчивают на классной доске (рис, 403).
Объектив 5 состоит из двух линз, благодаря чему оп в
значительной мере лишен тех недостатков, которые присущи
отдельным линзам. Конденсор 3 собран из двух плосковыпуклых
короткофокусных .линз, обращенных сферическими
поверхностями друг к другу. При таком расположении линз потери
света на отражение наименьшие. Рефлектор / в виде вогнутого
короткофокусного зеркала позволяет лучше использовать свет
проекционной лампы 2: ее волосок расположен в центре
кривизны зеркала.
Отмечают сходство оптической части киноаппарата с
оптической частью проекционного фонаря. Проецируемые кадры
помещаются также между фокусом и двойным фокусным
расстоянием объектива.
После этого кратко объясняют устройство лентопротяжного
механизма, позволяющего демонстрировать быстро
чередующийся ряд кадров, снятых на пленку, с интервалом примерно
0,04 сек. Основное внимание обращают на устройство и
принцип действия грейферного механизма и связанного с пим
обтюратора.
Для выяснения принципа действия кино учащихся знакомят
со свойством нашего глаза сохранять в течение некоторого
времени световое раздражение. С этой целью демонстрируют
следующий опыт.
С помощью проекционного аппарата проецируют на экран
изображение какого-либо диапозитива. На пути пучка света,
выходящего из конденсора или объектива, располагают
стробоскопический диск (картонный диск с вырезом в виде сектора),
укрепленный на оси центробежной машины (рис. 404).
Приводят диск, выполняющий роль обтюратора, в медленное
вращение и наблюдают на экране мелькания изображения. Увеличп-
372
Рис. 404. Демонстрация действия обтюратора.
вают скорость вращения диска: частота мельканий сначала
возрастает, а затем они становятся совсем незаметными.
Наблюдаемое явление объясняют тем, что впечатление, воз«
пикающее в глазу при световом раздражении, не исчезает
мгновенно, когда пучок света перекрывается непрозрачной
частью диска-обтюратора, а сохраняется в «течение некоторого
времени (до 0,1 сек). Если перерывы в раздражении следуют
друг за другом через промежутки времени, в течение которых
сохраняется зрительное впечатление, то они не замечаются
глазом и создается непрерывное, длительное впечатление.
Этот опыт полезно продолжить и показать зависимость
длительности зрительного впечатления от цвета пучка,
вызывающего зрительное раздражение.
В рамку для диапозитивов вставляют два светофильтра —
зеленый и синий. Вначале проецируют синий светофильтр. Диск
приводят во вращение с такой скоростью, чтобы мелькания
синего света на экране стали незаметными. Затем быстро
сменяют синий светофильтр на зеленый. На экране снова
появляются мелькания зеленого света. Они исчезают только при
увеличении скорости вращения диска.
Диапозитивную рамку со светофильтрами можно установить
так, чтобы одновременно проецировались оба светофильтра в
виде полосок, разделенных темным промежутком. Тогда можно
наблюдать па экране сразу два цвета; при постепенном
увеличении скорости вращения мелькания исчезнут сначала у
синей полоски, а затем у зеленой.
Опыт показывает, что продолжительность зрительного
впечатления для синего света больше, чем для зеленого. Вместо
синего светофильтра можно взять красный.
Однако объяснение принципа действия кино не следует
ограничивать одним только сохранением зрительного
впечатления. Важную роль при этом играет и действие обтюратора, на
что надо обратить внимание учащихся. При его отсутствии бы-
373

ло бы наложение одного изображения на другое и на экране
вместо четкого движущегося изображения получалась бы
неясная, размытая картина. В действительности же каждый из
кадров проецируется 0,02—0,03 сек в неподвижном состоянии,
после чего заменяется следующим. В момент смены кадров
проекционное окно закрывается обтюратором. Благодаря
рассмотренному свойству глаза интервалы времени, в течение которых
происходит смена кадров, остаются незамеченными глазом и
потому он видит движущееся изображение.
опыт
Устройство и действие эпидиаскопа
Оборудование: I) эпидиаскоп школьный, 2) экран проекционный,
3) схема устройства эпидиаскопа, 4) диапозитив на стекле.
Вначале учащихся знакомят с внешним видом прибора, а
затем объясняют его устройство. С эпидиаскопа снимают
крышку, отвернув предварительно три крепежных винта, и
показывают следующие основные части (они видны на рисунке 405):
осветительную камеру, в которой установлена проекционная
лампа 500 вт с рефлектором, три плоских зеркала-отражателя
(одно из них заднее и два боковых), конденсор, состоящий из
двух плосковыпуклых линз, объектив для эпипроекции типа
«Триплет» и объектив для диапроекции типа «Перископ»,
отражательное зеркало поверхностного серебрения, установленное
в съемной крышке прибора, откидной столик, служащий для
расположения рисунков и объемных предметов.
Рис. 405. Схема устройства эпидиаскопа:
/ — лампа; 2 — рефлектор: 3— плоское зеркало; 4— конденсор;
6 — объектив для эпипроекции; 6 — объектив для диапроекции;
7 — плоское веркало; 8•— предметный столик; 9— пружина; 10—
выключатель.
374
Затем крышку с зеркалом и объективом ставят на прежнее
место и закрепляют винтами. Эпидиаскоп устанавливают на
расстоянии примерно 4 м от экрана и включают в
осветительную сеть. Рефлектор переводят в положение для эпипроекции,
поворачивая ручку, связанную с рефлектором, в сторону
объектива. На столик эпидиаскопа кладут рисунок 405,
поясняющий устройство прибора, накрывают его тонким чистым
стеклом и проецируют на экран К
Рассматривая изображение рисунка на экране, еще раз
уточняют расположение отдельных частей прибора и поясняют ход
пучков света. Поток света от лампы / с помощью рефлектора 2
и плоских зеркал 3 направляется в сторону проецируемого
рисунка, создавая достаточно высокую освещенность. Свет,
рассеянный рисунком, после отражения от плоского зеркала 7
проходит объектив 5 и попадает на экран. Изображение на
экране получается увеличенным, так как рисунок располагается
от объектива на расстоянии, немного большем фокусного
расстояния. Достаточно высокая освещенность изображения
обеспечивается благодаря мощному источнику света и большой
светосиле объектива.
После этого показывают второе применение прибора —для
диапроекции. Рисунок с предметного столика удаляют, а
рефлектор 2 с помощью ручки переводят в положение, показанное
на рисунке 405 пунктиром. В рамку, расположенную между
конденсором и вторым (нижним) объективом, вставляют
какой-либо диапозитив и проецируют его изображение *на экран.
Обращают внимание на то, что ход пучков света в этом случае
соответствует ходу пучков в проекционном аппарате.
ОПЫТ Ход лучков света
453 в микроскопе и телескопе
Оборудование: 1) прибор по геометрической оптике, 2)
проекционный аппарат, 3) стенные таблицы: «Микроскоп», «Телескоп».
Предварительно учащихся знакомят с устройством и
назначением микроскопа и телескопа по стенным таблицам
«Микроскоп» и «Телескоп». Затем переходят к опыту, цель которого
состоит в том, чтобы экспериментально проследить ход пучков
света в указанных приборах.
Ход пучков света в микроскопе демонстрируют на
установке, описанной в опыте 148 (рис. 393). На щелевое устройство
надевают светофильтр. На экране (поД третьей отметкой,
считая от щелевого устройства) устанавливают малую собираю-
1 Рисунок покрывают стеклом, чтобы при нагревании от лампы он не
коробился и не нарушалась резкость по всему полю изображения.
375

m ^
•7+7—«
^n9,1
щую линзу с фокусным рас*
стоянием 70 лл (рис. 406, aj.
Эта линза служит объекти*
вом. Плоские зеркала
располагают против щелей /, 2,
6 и 7.
В щелевом устройстве
открывают щель 4 и
получают на экране белую
полоску, изображающую
главную оптическую ось
объектива. Перемещая немного
линзу в вертикальной
плоскости, добиваются такого
положения, при котором
она не изменяет
направления белого пучка света.
Затем открывают щель 3 и
получают окрашенный пучок
(например,, красный),
идущий параллельно главной
оптической оси. После
этого открывают щель / и,
поворачивая плоские зеркала,
расположенные против
первой и второй щелей,
направляют окрашенный пучок
на оптический центр линзы.
Получают изображение побочной оптической оси. Оба пучка
пересекаются перед линзой в точке А, которая служит одной
из крайних точек рассматриваемого объекта. Она
расположена между главным и двойным фокусным расстоянием объекта-»
ва. Поэтому ее действительное изображение получается в точ«
ке А\ за двойным фокусным расстоянием линзы.
После этого на экране под шестой меткой устанавливают
вторую линзу-окуляр с фокусным расстоянием 140 мм.
Световые пучки, пройдя вторую линзу, остаются расходящимися, так-
как окуляр действует, как лупа. Следует сказать, что далее
пучки попадают в глаз наблюдателя, преломляются еще раз в
хрусталике и собираются на сетчатке глаза, давая
действительное изображение точки. При этом наблюдателю кажется, что
пучки выходят из мнимой точки А2.
Затем демонстрируют ход пучков от другой крайней точки
В. Пучок, параллельный главной оптической оси, получают от
щели 5, а пучок, проходящий через оптический центр
объектива,— с помощью плоских зеркал от щелей 6 и 7.
Учащимся сообщают, что таким же образом можно
получить мнимое изображение других точек. Все они будут распо-
Рис. '406. Ход пучков света в
оптических приборах:
а —а микроскопе; б—в трубе Кеплера;
в — в трубе Галилея.
376
лагаться между изображениями точек А2 и В2. В результате
глаз наблюдателя видит мнимое, увеличенное, обратное
относительно объекта изображение, расположенное от глаза па
расстоянии наилучшего зрения (25 см для нормального глаза).
Далее демонстрируют на той же установке ход пучков
света в телескопе. Линзы на экране располагают согласно
рисунку 406, б. Принимающие свет плоские зеркала устанавливают
против щелей / и 7, а направляющие —против щелей 3 и 5.
Строят изображение удаленной точки объекта. Пучок,
параллельный главной оптической оси, получают от щели 2, а
пучок, проходящий через оптический центр объектива,— с
помощью первых двух плоских зеркал. Таким образом получают
действительное изображение рассматриваемой точки недалеко
от главной фокальной плоскости объектива.
Учащимся поясняют, что объект находится очень далеко ог
телескопа, поэтому пучки, попадающие в объектив От одной
точки объекта, можно считать практически параллельными
друг другу. В нашем же случае угол между этими пучками
значительно увеличен.
Далее так же получают действительное изображение второй
v точки объекта. Пучок, параллельный главной оптической оси,
образуется от щели 6, а пучок, проходящий через оптический
центр объектива,— с помощью плоских зеркал от щелей 5 и 7.
В результате получают действительное, обратное,
уменьшенное изображение А\Ви которое рассматривается через окуляр,
как через лупу.
При этом наблюдатель видит изображение А2В2 мнимое и
обратное относительно объекта.
Наконец, демонстрируют ход пучков света в трубе Галилея.
В этом случае в качестве объектива берут ту же линзу с
фокусным расстоянием 140 мм, а в качестве окуляра
—рассеивающую линзу с фокусным расстоянием 70 мм. Окулярную
линзу располагают между главным фокусом объектива и
действительным изображением объекта (рис. 406, в). Теперь
окуляр перехватывает сходящиеся пучки раньше, чем образуется
действительное изображение от объектива, и глаз видит
мнимое, прямое изображение предмета А2В2.
ОПЫТ Демонстрация призматического
154 монокуляра и приемов обращения с ним
Оборудование: 1) лабораторный прибор для сборки
призматического монокуляра, 2) проекционный аппара^ 3) экран проекционный,
4) стенная таблица «Призматический бинокль».
Опыт состоит в том, чтобы ознакомить учащихся с
устройством лабораторного прибора, применяемого в практикуме для
377

сборки призматического монокуляра, показать принцип
действия прибора и порядок выполнения работы с ним.
Сначала демонстрируют прибор в собранном виде и кратко
объясняют его устройство.
Прибор (рис. 407) состоит из деревянной подставки,
покрытой стальной пластинкой, и комплекта оптики, в который
входят объектив 1, две прямоугольные призмы 2, 3 и окуляр 4,
состоящий из двух линз в общей оправе.
Оптические детали укреплены на отдельных стойках,
основанием которых служат магнитные шайбы 5. Благодаря этому
нее детали могут легко передвигаться по стальной пластинке
и достаточно прочно удерживаются на своих местах.
Обращают внимание также на конструкцию стоек: они дают
возможность передвигать деталь в вертикальном направлении и
поворачивать призмы вокруг горизонтальной оси. Все это облегчает
настройку прибора.
Затем показывают порядок сборки монокуляра. На
подставке оставляют только объектив и окуляр; их располагают так,
чтобы получилась труба Кеплера.
Ход пучков света в трубе Кеплера учащимся известен из
предыдущего опыта, поэтому достаточно сообщить, что глаз
видит при этом обратное, мнимое изображение.
Для полного обращения изображения применяют две
призмы, сложенные под прямым углом друг к другу. Их
располагают между объективом и окуляром так, как показано на
рисунке 407.
Чтобы показать учащимся действие призм, собирают
установку, как показано на рисунке 408.
Рис. 407. Лабораторный прибор для сборки
призматического монокуляра.
878
Рис. 408. Демонсграгшя действия оборотных призм
монокуляра.
В проекционном аппарате удаляют объектив, а на его
место ставят на подъемном столике объектив монокуляра. В
диапозитивную рамку вставляют какой-либо контрастный
диапозитив н проецируют его изображение на экран. При этом
диапозитив устанавливают в прямом положении, чтобы на экране
получилось перевернутое изображение. Обращают внимание
учащихся на то, что объектив переворачивает изображение не
только сверху вниз, но и справа налево, т. е. создает
обращенное изображение.
После этого на подставку ставят две призмы и
располагают их вначале горизонтально. Призмы соединяют друг с дцу-
гом основаниями так, чтобы половина одной призмы
закрывала половину другой. Свободную поверхность основания одной
призмы устанавливают против объектива.
Свет, прежде чем попасть на экран, проходит обе призмы,
испытывая в каждой из них дважды полное отражение. При
этом каждая призма один раз переворачивает изображение, з
результате чего на экране снова получается прежнее обратное
изображение.
Затем одну из призм поворачивают вокруг горизонтальной
оси относительно другой на 90° и наблюдают за изменением
изображения: оно поворачивается на 180° и становится прямым.
Таким образом, учащиеся получают предварительное
представление о том, как при помощи двух призм, расположенных
под прямым углом друг к другу, создается полное обращение
изображения в монокуляре.
Ход пучков света в монокуляре объясняют с помощью
стенной таблицы «Призматический бинокль»1.
1 См. сноску на стр. 371.
379

ГЛАВА VIII
ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
§ 1. ВИДЫ СПЕКТРОВ. СПЕКТРОСКОПИЯ
опыт
... Получение на экране сплошного спектра
155
Оборудование: !) проекционный аппарат, 2) призмы трехгранные:
одна — из флинтгласа, другая — из кронгласа, 3) призма прямого зрения,
4) экран переносный.
Получение яркого и четкого сплошного спектра на экране
необходимо не только для демонстрации явления дисперсии, но
и для демонстрации линейчатых спектров испускания,
спектров поглощения, синтеза спектральных цветов и проведения
других опытов.
Установка собирается на скамье проекционного аппарата
из осветителя с конденсором, ширмы со щелью, объектива и
трехгранной призмы из флинтгласа, как показано на схеме
(рис. 409).
Источник света располагают приблизительно в главном
фокусе задней линзы конденсора. В образовавшемся после
конденсора световом конусе перемещают вдоль оптической оси
раздвижную щель и закрепляют ее в таком месте, где сечение
Рис. 409. Ход пучков света в установке дли й,г-
монстрации сплошного спектра (вид сверху).
380
светового конуса полностью перекрывает
щель. Между «ножами» щели оставляют
просвет 1,5—2 мм. С помощью
объектива получают на экране, расположенном
у другого края демонстрационного
стола, увеличенное, резкое, равномерно
освещенное изображение щели.
После этого перед объективом на п .1Л п
v Рис. 410. Правильное
подъемном столике устанавливают приз- расположение призмы при
му так, чтобы ее преломляющее ребро демонстрации сплошного
было параллельно щели, а весь пучок спектра,
света проходил сквозь грани
преломляющего угла. Тогда на экране, переставленном из положения I
в новое положение 2, при полном затемнении класса будет
хорошо виден сплошной спектр.
Для более точной установки призмы ее слегка поворачиваюг
вокруг вертикальной оси до тех пор, пока угол между пучком
света, выходящим из призмы, и главной оптической осью
объектива не станет минимальным (метод минимального
отклонения преломленного луча)1. В таком положении
преломленный пучок света будет направлен параллельно основанию
призмы и образует внутри нее с боковыми гранями равные углы
(рис. 410).
Чтобы показать зависимость длины спектра от рода
вещества призмы (при одном и том же преломляющем угле), опыт
продолжают со второй призмой такого же размера, но из
кронгласа. Эту призму устанавливают на первую так, чтобы их
плоскости и ребра совпали, а пучок света из объектива noni-
дал на обе призмы. При этом на экране получаются
одновременно два спектра, которые удобно сравнивать: спектр от
призмы из флинтгласа оказывается более растянутым,
Сплошной спектр получается значительно ярче и
отчетливее, если пользоваться призмой прямого зрения. В этом случае
экран устанавливают не в стороне от проекционного аппарата,
а на продолжении главной оптической оси конденсора и
объектива. В остальном подготовка установки для получения
спектра с призмой прямого зрения не отличается от описанной выше.
Разумеется, учащимся надо кратко рассказать об устройстве
призмы прямого зрения и по чертежу пояснить ход крайних
пучков видимого спектра (красного и фиолетового) (рис.411).
При этом можно указать, что в такой призме углы cti и гх2 и
показатели преломления щ и п2 подобраны так, чтобы один из
цветных пучков выходил из призмы по направлению
падающего пучка, а дисперсия получалась бы по возможности более
значительной.
1 При разложении в спектр белого света указанный угол отсчитывается
по одному из цветных пучков, например желтому. ,
381

НрйС»Ь'И.._ ^
Рис. 411 Схема устройства и ход пучков света в призме
прямого зрения.
Если в школе нет демонстрационной призмы прямого
зрения, можно воспользоваться небольшой призмой из
лабораторного спектроскопа прямого зрения. Призма легко вынимается.
Для проведения опытов ее надо укрепить в деревянной или
картонной оправе с ширмой, которая бы перекрывала выходное
отверстие объектива проекционного аппарата.
ОПЫТ
156
Сложение* спектральных цветов
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) призма трехгранная
из флинтгласа или призма прямого зрения, 3) прибор для сложения цветов
спектра, 4) кристаллизатор или химический стакаи с водой, 5) призма
тонкая, 6) экран переносный.
1. Прибор для сложения
спектральных цветов (рис. 412) состоит из десяти
узких плоских зеркальных пластинок/,
расположенных почти вплотную друг к
другу. Пластинки укреплены на метал*
лических осях с головками вверху 2.
Оси с зеркальными пластинками
вставлены вертикально в металлическую
рамку .3 с опорным стержнем 4, пред*
назначенным для закрепления в муфте
штатива. За головки, имеющие накатку,
каждое зеркальце можно поворачивать
от руки вокруг вертикальной оси на
требуемый угол,
Внизу рамки под зеркалами
укреплен узкий белый экран 5, который ел у*
жит для контроля за размещением
спектра на зеркалах во время демон*
страции опыта. Этот экран помогает
быстро определить место расположения
прибора по отношению к проекционно*
му аппарату.
Рис. 412. Прибор для Получив с помощью проекционного
сложения иветов спектра, аппарата и призмы яркий и четкий
Рис. 413. Схема установки для сложения
спектральных цветов.
сплошной спектр на переносном экране, помещают за призмой
описанный выше прибор (рис. 413). Расстояние от прибора до
призмы подбирают таким, чтобы весь спектр (от красных До
фиолетовых лучей) попадал па зеркала прибора'.
Вследствие отражения пучков от зеркал прибора на
экране, перемещенном теперь в новое положение, получаются
отдельные одноцветные полосы. Не меняя установки, осторожно
поворачивают за головки зеркала так, чтобы все отраженные
к экрану цветные пучки света собрались в одну узкую полоску.
Цвета спектра, накладываясь один на другой, дадут на
экране белый цвет, близкий к тому, какой дает источник света.
Поочередно накладывая на экране цветные полосы друг
на друга, можно демонстрировать смешение двух или
нескольких отдельных цветов, например желтого с синим (получается
зеленый), красного с зеленым (получается оранжевый) и т. д.
Собирая на экране в одну полоску все цвета спектра,
кроме одного, например, красного, получают сравнительно яркую
зелено-голубую полоску. Рядом с ней помешают красную.
Обращают внимание па то, что эти цвета являются
дополнительными: при наложении их друг на друга получается белый цвет.
Таким же приемом показывают образование еще нескольких
других пар дополнительных цветов.
2. Сложение спектральных цветов можно
продемонстрировать и при помощи цилиндрической линзы. В качестве
последней можно воспользоваться кристаллизатором (или большим
химическим стаканом), наполненным чистой водой.
Кристаллизатор помещают на подъемном столике за призмой так,
чтобы на экране получилось вместо спектра отчетливое белое
изображение щели.
После этого помещают тонкую призму (ее можно
изготовить из пластинки органического стекла размером 40x5X2 мм)
1 На рисунке 413 для простоты показаны лишь три зеркала вместо
десяти.
383

за кристаллизатором и отклоняют часть спектра, например
красные лучи в сторону. Наблюдают на экране два цветных
изображения щели: красное (отклоненное призмой) и зелено-голубое
(от всех других лучей спектра), идущих мимо призмы. Эти
цвета взаимно дополняют друг друга до белого.
Продвигая призму дальше, отклоняют все большую часть
спектра и получают все новые пары дополнительных цветов.
ОПЫТ
Получение на экране линейчатого спектра
157
Оборудование: 1) проекционный аппарат с дуговой лампой, 2)
осветитель с ртутно кварцевой лампой, 3) угли для дуговой лампы длиной
15—20 см — один сплошной и два начиненных солями металлов, 4)
дисперсионная прнзма прямого зрения или трехгранная, 5) сетка с асбестом.
1. Наиболее прбстая и удобная установка для наблюдения на
экране линейчатого спектра испускания получается с
применением ртутной лампы. В этом случае вся подготовка установки
проводится так же, как и для получения сплошного спектра,
только вместо осветителя с лампой накаливания
устанавливают на оптической скамье проекционного аппарата осветитель
с ртутпо-кварцевой лампой '.
На экране учащиеся будут видеть три яркие линии спектра
паров ртути: желто-оранжевую, зеленую и фиолетовую.
Четвертая же линия (синяя) выражена слабо. Учащиеся могут се
заметить, если на это специально обратить их внимание.
Так как лампа ПРК-4 должна гореть в горизонтальном
положении, то и щель полезно расположить так же, т. е.
параллельно оси лампы. Тогда наблюдаемые линии будут видны
несколько ярче.
2. Линейчатый спектр может быть получен и с помощью
дуговой лампы. Для проведения этого опыта необходимо
заранее подготовить угли, начинив их солями или поместив в них
кусочки проволоки (медной, железной или цинковой). С этой
целью по оси сплошных углей просверливают небольшой канал
(глубиной 20—30 мм и диаметром 2—3 мм), в который плотно
набивают соли (глауберову, поваренную, медный купорос) или
вставляют небольшие кусочки проволоки. Один уголь можно
начинить обычным мелом.
В дуговой лампе горизонтальный уголь должен быть
начиненным, а вертикальный — сплошным. Горизонтальный уголь
соединяют с положительным полюсом (при питании дуги
постоянным током), а вертикальный — с отрицательным.
1 Описание осветителя с ртутно-кварцевой лампой н обращение с ней
см. во введении, § 2.
384
Во время демонстрации опыта необходимо угли разводить
возможно шире и проецировать на экран не кратер, а саму
дугу, так как именно в дуге будут содержаться раскаленные
пары соответствующего элемента.
После наблюдения одного линейчатого спектра выключают
ток и вынимают горизонтальный уголь (закрепленный конец
угля после недлительного горения почти холодный). Вместо
него устанавливают другой начиненный уголь и повторяют опыт.
Обращают внимание учащихся на то, что характер
линейчатого спектра изменился.
Следует иметь в виду, что получаемые таким путем
линейчатые спектры оказываются наложенными на сплошной спектр
от раскаленных углей дуги.
ОПЫТ
158
Демонстрация спектров поглощения
Оборудование; 1) проекционный аппарат, 2) призма прямого
зрения, 3) горелка для получения пламени, окрашенного парами натрия,
4) кювета плоскопараллельная для проекции, 5) светофильтры стеклянные —
набор, 6) смесь сухого спирта и сульфита натрия, 7) спирт
денатурированный в пробирке, 8) растворы двухромовокиелого калия и медного купороса,
9) спички.
1. При изучении спектров поглощения
весьма важно показать обращение линии
натрия. Это мо^кно сделать, получив
пламя, окрашенное парами натрия, с помощью
простой самодельной горелкой (рис. 414).
Корпус горелки изготавливается из
полоски жести размером 200X40 мм. Он
закрепляется на стержне, предназначенном
для установки горелки в рейтере
проекционного аппарата. Над основанием корпуса
па высоте 5—7 мм крепится металлическая
сетка, на которую помещается горючая
смесь из растертой в порошок таблетки су»
хого спирта и приблизительно такого же
количества сульфита натрия (Na2SC>3) '.
Чтобы порошок не просыпался через
сетку, его смачивают несколькими каплями
денатурированного спирта до образования
густой кашицы, которую и кладут на сетку.
Сначала получают на экране отчетли*
вое изображение сплошного спектра.
Затем устанавливают горелку с зажженной
Рис. 414. Горелка для
получения пламени,
окрашенного парами
натрия.
1 Возможно применение и других солей натрия, например сернистого
натрия (Na2S) или азотнокислого натрия (ЫаМОз).
25 Заказ № 6047
385

Рис. 415. Ход пучков света в установке для
демонстрации спектра поглощения:
а ^источник света; 6 — конденсор; в— пламя,
окрашенное парами натрия; г — щель; д — объектив;
е— призма прямого арення; ж — экран.
смесью между щелью и конденсором проекционного аппарата.
Свет от конденсора должен проходить через окрашенное
пламя (рис. 415). При этом на экране появляется хорошо
видимая темная узкая линия поглощения натрия. Регулировкой
щели добиваются наилучшей четкости линии поглощения.
Если после этого закрыть щель наполовину картонкой, поместив
ее снизу между конденсором и пламенем, то на экране будет
наблюдаться вверху на темном фоне желтая линия
испускания натрия, а внизу, в оставшейся половине спектра,—темная
линия поглощения. Линии переходят одна в другую при не
очень резкой границе между ними. Если полностью закрыть
конденсор, то будет видна лишь одна желтая линия
испускания натрия.
2. Для демонстрации спектров поглощения жидких
светофильтров следует заранее приготовить водные растворы
марганцовокислого калия или медного купороса. Эти растворы
хранят в колбах. Перед демонстрацией необходимый раствор
наливают в кювету, которую устанавливают в рейтере
проекционного аппарата между щелью и объективом. Во время опыта
можно концентрацию раствора менять, если предварительно
кювету заполнить слабым раствором, а затем добавлять более
кбнцентрированный с помощью пипетки.
Точно так же демонстрируют на экране спектры
поглощения твердых светофильтров — цветных стекол. При этом на
экране будут видны не отдельные линии, а целые полосы
поглощения.
ОПЫТ Устройство спектроскопа и приемы
159 обращения с ним
Оборудование: 1) спектроскоп двухтрубный с микрометрическим
винтом и шкалой для отсчета, 2) спектральная трубка, 3) штатив
лабораторный с лапкой и муфтой, 4) индуктор высоковольтный типа ИВ-50, 5)
батарея аккумуляторов З-НКН-10, 6) провода соединительные, 7) таблица
стенная.
386
Рис 416. Спектроскоп двухтрубный.
Ознакомление с
устройством спектроскопа и
приемами обращения с
ним имеет целью
подготовить учащихся к
выполнению в практикуме
лабораторной работы
«Градуирование
спектроскопа и определение
длины световой волны по
градуированной кривой».
Сначала показывают
общий вид прибора и
объясняют основные
детали его устройства
(рис. 416). При этом
снимают с трехгранной
призмы / картонную крышку
2, которой закрывают призму от постороннего света во время
опыта.
Непосредственно к столику, на котором расположена
призма, примыкают две трубы: коллиматорная 3 с раздвижной
щелью 4 и зрительная 5 с окуляром 6. Обращают внимание
учащихся на то, что коллиматорная труба укреплена на
столике неподвижно, а зрительная труба с помощью
микрометрического винта 7 может перемещаться в 'горизонтальной
плоскости. При этом показывают это смещение, слегка нажав от руки
на трубу в направлении, противоположном действию
прижимной пружинки 8, которая расположена с нижней стороны
столика (рис. 417). Микрометрический винт позволяет
осуществить незначительное угловое перемещение зрительной трубы и
тем самым совместить изображение нити, натянутой внутри
трубы, в плоскости, где образу- •
ется-" спектр, с той или иной
частью спектра. Отсчеты
производятся по неподвижной
шкале 9 и круговой шкале 10,
нанесенной на головке винта.
Можно напомнить, как
производятся такие отсчеты,
используя демонстрационную
модель микрометра.
После этого, пользуясь
схематической таблицей,
объясняют устройство
спектроскопа и ход пучков света в
нем (рис. 418). Пучок света
от источника А проходит че<
25*
Рис. 417. Детали устройства
спектроскопа.
387

Рис. 418. Ход пучков света в спектроскопе.
рез щель Б, находящуюся в главном фокусе линзы В. После
линзы свет параллельным пучком падает на грань призмы Г.
Проходя через призму, параллельный пучок, дважды
преломляясь, разлагается на множество параллельных пучков
различной длины волны, которые попадают в зрительную трубу.
Пройдя -линзы D и Е сложного объектива зрительной
трубы, каждый пучок одноцветных лучей дает действительное
цветное изображение щели коллиматора. Из ряда таких
изображений получается спектр, красная область которого
обращена в сторону вершины призмы, а фиолетовая — в сторону
основания. Изображение спектра рассматривается через
окуляр Ж.
Чтобы показать, как следует располагать спектроскоп
относительно источника света (газоразрядной трубки), собираюг
установку, на которой учащиеся будут выполнять лабораторную
работу (рис. 419). При этом обращают внимание на
соблюдение мер предосторожности; высоковольтный индуктор
включается только на время выполнения наблюдений и отсчетов;
изменения в цепях производятся только при выключенном
питании; расстояния между коллиматором и проводниками, подво-
Рис. 419. Установка для лабораторной работы со
спектроскопом.
388
дящими высокое напряжение к газоразрядной трубке, должны
быть достаточны, чтобы между ними во время наблюдения не
проскочила искра.
и"1'" Распределение энергии в спектре
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) призма трехгранная
из флинтгласа, 3) термостолбик, 4) гальванометр демонстрационный
зеркальный ', 5) экран переносный, 6) провода соединительные, 7) экран-ширма.
Собирают установку по рисунку 420 (на рисунке 421
показана схема расположения приборов) и получают на экране
слегка растянутый спектр (экран ставят под небольшим углом
к направлению пучка). Раздвижную щель перед конденсором
проекционного аппарата открывают полностью, чтобы получить
спектр возможно большей интенсивности. На расстоянии 30—
40 см от проекционного аппарата помещают термостолбик. При
этом предусматривают возможность его перемещения вдоль
всего спектра — От ультрафиолетовой до инфракрасной части.
Осветитель проекционного аппарата загораживают от
термостолбика экраном-ширмой, чтобы исключить попадание па
термостолбик прямых лучей.
С термостолбика снимают конусную насадку и сверху
укрепляют небольшой заостренный картонный (или
пластилиновый) указатель /. Тень указателя хорошо видна на экране, и
по ней удобно наблюдать за положением окна термостолбика
в спектре.
Установив световой указатель гальванометра, соединенного
с термостолбиком, на нулевое деление шкалы (начало
горизонтального участка), вносят термостолбик сначала в фиолетовую
Рис. 420. Установка для демонстрации опыта.
1 Можно воспользоваться и обычным гальванометром с усилителем к
нему, выпускаемым Главучтехпромом.
389

Рис. 421. Схема расположения приборов для
демонстрации распределения энергии в спектре.
часть спектра. Выждав некоторое время, замечают слабое
отклонение указателя гальванометра. Затем через определенные
интервалы времени переставляют термостолбик в сторону
краской части спектра и наблюдают увеличение показаний
гальванометра. При этом каждый раз выжидают, пока указатель
гальванометра установится. Так постепенно проходят по всему
спектру и обнаруживают, что максимальное показание
гальванометра наблюдается за красной частью спектра — в
инфракрасной области.
Чтобы в процессе демонстрации подчеркнуть, на какое
место спектра приходится максимум энергии излучения,
перемещают термостолбик несколько раз около этого места и
показывают, что при его смещении вправо и влево показания
гальванометра уменьшаются. Продвигая дальше термостолбик в
инфракрасной части спектра, наблюдают постепенное
уменьшение показаний гальванометра и возвращение светового
указателя на нулевое
деление шкалы.
~ При выполнении
описанного опыта не
производятся отсчеты
показаний гальванометра и не
вычерчивается график.
Основная цель
эксперимента состоит в том,
чтобы познакомить
учащихся с методом наблюдений.
Это способствует
пониманию учащимися кривых
распределения энергии в
спектре, которые
целесообразно представить на
большой учебной таблице
(рис. 422).
Термостолбик относит-
в
летодог
излучение
is
*>3
шшшшш
Инфракрасное
излучение
Рис. 422. Кривые распределения энергии
в спектре излучения абсолютно черного
тела при различных температурах.
390
ся к числу чувствительных приборов, и его применение в
качестве индикатора излучения требует соблюдения определенных
правил:
1. Нужно заботиться об исключении воздействия на него
посторонних излучений и потоков воздуха (не допускать
сквозняков), могущих вызвать добавочное нагревание или
охлаждение прибора.
2. Не следует часто прикасаться к корпусу прибора
руками, так как это может повести к нагреву нерабочих спаев и
появлению обратного тока.
3. В целях увеличения чувствительности прибора
открытая рабочая часть термобатареи покрыта тонким слоем копоти,
который периодически необходимо восстанавливать. Для
этого надо прибор подержать рабочей частью над пламенем
керосиновой горелки при неполном сгорании керосина, следя за
тем, чтобы не разогрелся весь прибор, иначе может
расплавиться имеющаяся внутри корпуса мастика.
§ 2. ИНФРАКРАСНОЕ
И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Успешное проведение опытов с инфракрасными лучами
связано с применением специально подобранного оборудования
(рис. 423): двух светофильтров / и 2, сернистосеребряного
фотоэлемента 3 и небольшого фосфоресцирующего экрана 4.Это
оборудование применяется в опытах вместе с другими
приборами, имеющимися в школьном кабинете физики
(проекционный аппарат, трехгранная призма, демонстрационный
гальванометр, вогнутое зеркало).
Один светофильтр должен быть прозрачен только для
инфракрасных лучей. Весьма подходящим для этой цели
является стеклянный фильтр марки ИКС-1, выпускаемый
промышленностью. Такой фильтр следует укрепить на металлической
ножке, чтобы удобно было устанавливать его в рейтере
проекционного аппарата.
Может быть применен во всех опытах и самодельный
светофильтр, изготовленный по следующему рецепту: в 10—15 мл
воды растворяют, слегка подогревая и помешивая, одну
чайную ложку желатина, а в 15—20 мл горячей воды —половину
чайной ложки черной анилиновой краски. Оба раствора
смешивают и полученный состав аккуратно разливают по
поверхности 'заранее подготовленной тонкой стеклянной пластинки
размером 110X110 мм (стекло от старого фотонегатива или
тонкое оконное стекло). После высыхания желатинового слоя
на него накладывают второе тонкое стекло, окантовывают и
помещают в рамку или круглую оправу с опорным стержнем,
предназначенным для установки прибора в рейтере аппарата.
391

Рис 423. Оборудование для опытов с инфракрасными лучами:
/- фильтр пропускания на рейтере; г - фильтр поглощения-
S - сер.шстосеребряный фотоэлемент; 4 - Фосфоресцирующий" мр." '
• Можно также воспользоваться имеющимся в продаже
темно-коричневым светофильтром № 166, применяемым при
цветной фотопечати. С такого фильтра снимают окантовку и
разделяют стекла; последние имеют на внутренних поверхностях
слои желатина. Желатиновый слой одного из стекол
окрашивают с помощью мягкой кисточки черной анилиновой краской
или черными чернилами для авторучки (тушь не годится).
Далее поступают так же, как и в предыдущем случае.
Светофильтром, пропускающим только инфракрасные лучи,
может также служить плоская кювета, заполненная черными
чернилами для авторучки или разведенной в воде черной
анилиновой краской. Толщина слоя жидкости должна быть равна
5—8 мм.
Другой светофильтр должен поглощать инфракрасные лучи
и пропускать видимую часть спектра. Такой светофильтр
легко подобрать путем испытания различных сортов простого
екониого или настольного стекла (можно сложить несколько
пластин вместе). Этот светофильтр также заделывается в
оправу с опорным стержнем, предназначенным для установки
прибора в рейтере проекционного аппарата (в последней
модели проекционного аппарата фильтр поглощения входит в
комплект прибора).
Наиболее подходящим индикатором для обнаружения
инфракрасного излучения (но не распределения энергии в спектре)
является сернистосеребряный фотоэлемент ФЭСС-УЮ,
соединенный со школьным демонстрационным гальванометром
392
(от демонстрационного амперметра последнего выпуска).
Фотоэлемент следует укрепить на стержне, чтобы его удобно было
держать в руке или закреплять в подставке.
Фосфоресцирующий экран 4 представляет собой
пластмассовую или металлическую пластинку размером 1.0 X 15 см,
покрытую тонким слоем сернистого цинка или другого
люминофора с длительным послесвечением.
ОПЫТ Обнаружение инфракрасного излучения
J6J в спектре
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) призма прямого
зрения или трехгранная призма, 3) фотоэлемент ФЭСС-УЮ на стойке,
4) гальванометр демонстрационный от амперметра, 5) экран переносный.
Собирают установку по рисунку 424 и с помощью призмы
прямого зрения или трехгранной призмы из флинтгласа
получают на переносном экране яркий сплошной спектр. Чтобы
растянуть спектр, экран немного поворачивают. Кроме того,
его располагают так, чтобы за красным краем спектра
оставалось свободное место.
На расстоянии 1—1,5 м от призмы помещают фотоэлемент,
соединенный с гальванометром. Если опыт проводится в
полностью затемненном помещении, то шкалу гальванометра
следует подсветить, например, при помощи осветителя для
теневой проекции.
Медленно перемещают фотоэлемент перпендикулярно
световым лучам от фиолетового края спектра в сторону красного
края (тень от фотоэлемента проецируется на экран) и
наблюдают за стрелкой гальванометра.
По мере продвижения фотоэлемента показания
гальванометра постепенно растут, достигая наибольшего значения,
когда фотоэлемент находится за видимой красной частью
спектра. Таким образом и обнаруживается инфракрасная область
спектра.
Рис. 424. Установка для демонстрации инфракрасной части спектра.
393

Рис. 426. Отражение инфракрасных лучей от вогнутого
зеркала и зажигание пленки.
Поворачивают экран черной стороной к пучку
инфракрасных лучей и убеждаются, что теперь при любом положении
экрана ток в гальванометре не обнаруживается: черная
матовая поверхность полностью поглощает все инфракрасные лучи.
После этого демонстрируют отражение инфракрасных
лучей от вогнутого зеркала. От проекционного аппарата
направляют немного расходящийся пучок света на вогнутое зеркало.
Расстояние от зеркала до аппарата должно быть 1—1,5 м.
Определяют экспериментально точку, в которой
пересекаются отраженные от зеркала световые лучи, и устанавливают
в этом месте лапку от штатива.
Перед конденсором помещают фильтр, пропускающий
инфракрасное излучение (рис. 426). Закрывают конденсор на
некоторое время куском картона и в лапке зажимают небольшой
кусок темной (засвеченной) легковоспламеняющейся фото- или
кинопленки.
Сосредоточив внимание учащихся на описанной установке,
убирают картон. Через несколько секунд пленка, нагретая
невидимым для наблюдателя инфракрасным излучением,
сначала начинает дымить, а затем вспыхивает.
2. Для демонстрации преломления инфракрасных лучей
выделяют с помощью щелевой диафрагмы, установленной на
скамье проекционного аппарата, узкий параллельный пучок-
инфракрасных лучей. С помощью фотоэлемента, соединенного
с гальванометром и помещенного на расстоянии 1—1,5 м от
проекционного аппарата, определяют направление пучка.
Вблизи щели устанавливают па подъемном столике
трехгранную призму так, чтобы весь пучок попадал под некоторым
углом на одну из ее граней (рис. 427). Стрелка гальванометра
вернется на нулевое деление шкалы, так как инфракрасные
лучи, преломляясь в призме, отклоняются от своего
первоначального направления. Перенося фотоэлемент, находят такое его
положение (при сохранении прежнего расстояния от призмы),
396
в котором стрелка
гальванометра снова отклоняется.
(Некоторое уменьшение показаний
гальванометра объясняется тем, что
инфракрасные лучи частично
отражаются И Поглощаются Приз- Рис. 427. Схема установки для
МОЙ), демонстрации преломления инфра-
Не меня,я установки, повора- красных лучей:
чивают немного призму вокруг aeZ^2™*sJlZ%P™Z™-l7*™l
вертикальной оси и снова
определяют при помощи фотоэлемента направление прошедшего
через призму пучка инфракрасных лучей; учащиеся еще раз
убеждаются в том, что инфракрасные лучи преломляются.
При подготовке опыта надо воспользоваться пучком
видимого света и по его отклонению заранее приблизительно
заметить, в какое место надо будет поместить фотоэлемент, чтобы
обнаружить отклонение призмой инфракрасных лучей.
Продолжают опыт и с помощью конденсора проекционного
аппарата получают сходящийся пучок лучей.
Экспериментально определяют место их пересечения и помещают в нем
небольшой отрезок пленки, закрепленный в лапке от штатива. Далее
эксперимент проводят так же, как и в случае зажигания
пленки в фокусе вогнутого зеркала.
При окончательном определении места расположения
пленки следует иметь в виду, что для инфракрасных лучей фокус
находится несколько дальше от конденсора, чем для пучка
видимого света.
ОПЫТ „ ^
Сигнализация инфракрасными лучами
164
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) фильтр,
пропускающий инфракрасное излучение, 3) фотоэлемент ФЭСС-УЮ иа стойке,
4) универсальный усилитель из комплекта приборов по раднотелемеханике,
5) звонок демонстрационный, 6) батарея аккумуляторов З-НК.Н-10, 7)
провода соединительные. •
На одном конце демонстрационного стола устанавливают
источник инфракрасных лучей— проекционный аппарат с одно-
линзовым конденсором и фильтром, пропускающим
инфракрасные лучи. На другом конце стола располагают фотоэлемент,
соединенный с универсальным усилителем из комплекта приоо-
ров по ра-диотелемеханике; в исполнительную цепь включают
электрический звонок (рис. 428). „„*„„,
Если перекрыть пучок инфракрасных лучей каким-нибуд,
непрозрачным для этих лучей предметом, то испол"™*:на.
цепь реле замкнется и звонок даст сигнал. В этом и закл.о.
397

Рис. 428. Схема и установка сигнализации инфракрасными лучами.
чается принцип действия автоматической защиты с помощью
невидимых для глаза лучей.
Так как чувствительность установки большая, то
фотоэлемент с усилителем, аккумулятором и электрическим звонком
можно поместить на переносном столике и расположить в
3—5 м от демонстрационного стола. В этом случае можно
предложить нескольким ученикам пройти по классу, пересекая
невидимый инфракрасный пучок. Каждый раз звонок будет
■давать сигнал.
ОПЫТ Обнаружение и выделение
165 ультрафиолетового излучения
Оборудование: 1) проекционный аппарат с дуговой лампой, 2)
призма трехгранная (флинт), 3) осветитель с ртутно-кварцевой лампой
ПРК-4, 4) дроссель и реостат для включения лампы, 5) реостат на 10 ом,
5а, 6) экран, люминесцирующий под действием ультрафиолетовых лучей,
7) экран настольный, 8) штатив с муфтой и лапкой.
Располагают приборы, как описано в опыте 155, и
получают на настольном экране небольшой, но яркий сплошной
спектр от дуговой лампы проекционного аппарата.
Затем закрепленный в лапке штатива люминесцирующий
&кран устанавливают так, чтобы его нижний правый угол
перекрывал верхнюю часть фиолетовой области спектра
(рис. 429). При этом наблюдают, что на люмннесцирующем
экране спектр становится длиннее: внесенный экран светится
светло-зеленым светом и в невидимой части спектра.
Таким образом учащиеся убеждаются в наличии излучения
за фиолетовой частью спектра.
398
Рис. 429. Свечение люминесцирующего экрана в
ультрафиолетовой части спектра.
Для получения достаточно интенсивного пучка
ультрафиолетового излучения пользуются специальным осветителем с
ртутно-кварцевой лампой ПРК^4. Установку собирают по
рисунку 430.
В качестве дросселя для зажигания лампы применяется
катушка, надетая на сердечник универсального
трансформатора. Реостат служит для ограничения тока в установившемся
режиме горения. Зажигают лампу при помощи кнопки,
расположенной на корпусе осветителя снизу '. В окно осветителя
вставлен специальный темный фильтр — увиолевое стекло,
пропускающее ультрафиолетовые лучи почти полностью.
Рис. 430. Установка для включения в сеть осветителя
с ртутной лампой ПРК-4.
"Тописание осветителя с ртутно-кварцевой лампой, схему включения я
обращение с лампой см. во введении, § 2.
399

Направив пучок ультрафиолетового излучения так, чтобы
он не попадал на учащихся, вносят в него различные люми-
несцирующие вещества и наблюдают их яркое разноцветное
свечение. В качестве люминесцирующих образцов можно
использовать входящие в набор по флюоресценции три
стеклянные запаянные трубки, наполненные растворами эозина,
флюоресцина и родамина, а также набор по фосфоресценции
в виде трех секторов с люминофорами в пластмассовой
коробочке и экран, покрытый фосфоресцирующими солями. С
помощью последнего показывают явление послесвечения, т. е,
продолжительное свечение после облучения.
ГЛАВА IX
КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА.
ФИЗИКА АТОМА .
ОПЫТ
166
§ 1. КВАНТЫ СВЕТА, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ЭФФЕКТ
Обнаружение квантов света
Оборудование: 1) счетчик фотонов, 2) усилитель низкой частоты
демонстрационный, 3) громкоговоритель, 4) выпрямитель ВУП-1, 5)
электрическая лампа на подставке, 6) провода соединительные.
В опыте применяется самодельный газоразрядный счетчик
фотонов, изготовленный из стабилитрона СГ-4С1.
Стабилитрон типа СГ-4С имеет стеклянный баллон,
наполненный смесью инертных газов при давлении в несколько
сантиметров ртутного столба. Внутри его находятся два
электрода. Цилиндрический электрод, закрытый с обоих концов
слюдяными пластинками, является катодом. Вдоль оси катода
укреплен анод — отрезок никелевой проволоки. Поверхность
катода активирована слоем бария, тория или цезия.
Активирование катода значительно понижает потенциал зажигания
лампы, который у данного стабилитрона равен 180 в.
В режиме счетчика работает не каждый стабилитрон;
поэтому необходимо испытать в действии несколько и выбрать
из них наилучший. Важно, чтобы слюдяные пластины,
закрывающие цилиндрический катод, были по возможности более
прозрачны.
Электрическая схема счетчика представлена на рисунке 431
Напряжение к электродам стабилитрона подается с потенцио
метра #2=500 ком через нагрузочный резистор /?i=200 Моя
Для плавного регулирования этого напряжения послёдова
тельно с потенциометром R^ включается резистор /?3 = 400-ком
на котором падает примерно половина напряжения, снимае
мого с выпрямителя. Резистор /?4—15 ком вместе с электро
1 См.: В. А Буров. Счетчик ионизирующих частиц. «Физика в школе»,
1957, № 3, стр. 50—54,
26 Заказ № G047 401

Рис. 431. Схема' счетчика фотонов.
литическим конденсатором
С2^Ю мкф на 300—400 в
служит дополнительной
ячейкой сглаживающего
фильтра выпрямителя.
Напряжение на стаби-
литроне устанавливается не*
сколько меньшим
напряжения его зажигания.
При попадании в лампу
фотона или ионизирующей
частицы в ней вспыхивает
коронный разряд, который за счет большого падения
напряжения на резисторе R\ быстро прекращается.
Восстанавливается первоначальный режим счетчика, и он
становится чувствительным для регистрации следующей
ионизирующей частицы. Время восстановления в основном
определяется произведением R\C, где С<— входная емкость
стабилитрона (включая и емкость монтажа).
Из-за большой величины сопротивления резистора R\
время восстановления велико, что ограничивает скорость счета.
В результате счетчик не регистрирует значительную долю
влетающих в него частиц. Однако для демонстрационных опытов
это не имеет большого значения.
Через конденсатор Ci = 100 пф импульсы подаются на вход
усилителя и воспроизводятся громкоговорителем в виде
громких щелчков.
Делитель напряжения монтируется внутри алюминиевой
коробки размером 10x12x15 см. Ручка потенциометра
выводится наверх (рис. 432).
От делителя напряжения выводят три пары проводов
длиной около 50 см. По ним подается напряжение на делитель, с
делителя—на счетчик, со счетчика —на усилитель.
Экранированные провода, по которым напряжение подается к
стабилитрону, заканчиваются ламповой панелькой, вмонтированной
в электроламповый патрон. Конец внутреннего провода
припаивается к пятому лепестку, а экран — ко второму лепестку
панельки. Провода, идущие к усилителю, также должны быть
заключены в экран.
Рис. 432. Счетчик
фотонов.
402
. Рис. 433. Демонстрация действия счетчика фотонов.
Для проведения демонстрации собирают установку по
рисунку 433.
Вначале счетчик закрывают от света колпаком из черной'
бумаги. Поворачивая ручку потенциометра, увеличивают
напряжение иа стабилитроне до тех пор, пока в
громкоговорителе не будут слышны громкие щелчки, обусловленные
действием космических лучей и рассеянного радиоактивного
излучения. Этот «фон» составляет около десятка «щелчков» в
минуту.
Затем стабилитрон освещают электрической лампой.
Частота щелчков в громкоговорителе резко увеличивается.
При приближении осветителя к стабилитрону число
регистрируемых фотонов возрастает.
Из опыта делают вывод: излучение и поглощение света
происходит квантами.
ОПЫТ в
Внешний фотоэффект
167
Оборудование: 1) осветитель с ртутно-кварцевой лампой или
электрическая дуга, 2) дроссель к лампе, 3) реостат иа 10 ом, 5 я, 4)
электрометр, 5) цинковая пластинка, 6) палочки из эбоиита и стекла для
электризации, 7) мех, кожа, 8) штатив универсальный, 9) кусок картона.
Цинковую пластинку, например из набора по электролизу,
зачищают с одной стороны до блеска и при помощи
небольшой трубочки устанавливают вертикально на стержне
электрометра (рис. '434).
На расстоянии примерно 50 см от электрометра укрепляют
в штативе ртутно-кварцевую лампу и включают ее через
дроссель и реостат в осветительную сеть (описание лампы см. во
Введении). Отверстие в корпусе лампы закрывают ширмой —
куском картона.
26*
403

Рис. 435. Демонстрация зависимости фотоэффекта от рода вещества.
ролизу. Желательно также приготовить пластинки из других
металлов и провести с ними опыт. Все пластинки с одной
стороны предварительно зачищают наждачной бумагой до
блеска, а их края округляют и шлифуют. В качестве
неметаллического вещества удобно взять сажу; ее наносят тонким слоем
на металлическую пластинку, для чего последнюю помещают в
коптящее пламя керосиновой горелки.
Пластинки поочередно устанавливают на электрометре,
заряжают отрицательно до одинакового потенциала, а затем
разряжают при помощи светового пучка от ртутной или дуговой
лампы (рис. 435). Время разряда в каждом случае измеряют
при помощи демонстрационного или ручного секундомера.
Измерения показывают, что медленнее всех разряжается
пластинка, покрытая сажей, а быстрее — цинковая пластинка;
немного медленнее цинковой разряжается алюминиевая
пластинка и еще примерно в два раза медленнее теряют заряд
свинцовая и медная пластинки.
Так как размеры пластин, начальный заряд и величина
светового потока в этих опытах не меняются, то результаты
измерения разряда пластин позволяют сделать важный вывод
о том, что различные тела под действием света неодинаково
освобождают электроны. Иначе говоря, величина так
называемой работы выхода электронов у различных тел различна.
Чем работа выхода меньше, тем больше электронов выбивает
свет в единицу времени и тем быстрее пластина разряжается.
В связи с этим желательно познакомить учащихся с
табличными данными работы выхода у различных металлов и
отметить, что она имеет наименьшее значение у щелочных
металлов (калий, цезий). По этой причине щелочные металлы
широко применяются для изготовления катодов современных
фотоэлементов.
406
ОПЫТ Зависимость интенсивности внешнего
169 фотоэффекта от величины
светового потока и частоты света
Оборудование: 1) осветитель с ртутно-кварцевой лампой или
электрическая дуга, 2) дроссель к лампе, 3) реостат на 10 ом, 5 а, 4) электрометр,
5) секундомер электрический демонстрационный, 6) пластинки: цинковал,
медная, свинцовая, 7) палочка из эбонита или органического стекла и .мех,
8) кусок картона, 9) кусок оконного стекла, целлофана или тонкого
органического стекла, 10) метр демонстрационный, 11) штатив универсальным,
12) электрическая лампа.
Собирают установку, показанную на рисунке 435.
Электрометр с цинковой пластинкой располагают на расстоянии 50см
от ртутной лампы и заряжают отрицательно. Зажигают лампу
и, отодвинув в сторону ширму, наблюдают начавшийся разряд
пластинки. Как только стрелка электрометра будет проходить,
например, пятое деление шкалы, включают демонстрационный
секундомер и измеряют время полного разряда пластинки.
После этого световой поток уменьшают в четыре раза
(электрометр отодвигают от лампы на расстояние 100 ел) и
повторяют опыт.
Даже при такой несовершенной постановке опыта можно
показать, что интенсивность фотоэффекта, определяемая
числом электронов, вылетающих в единицу времени с единицы
поверхности тела, прямо пропорциональна величине
падающего светового потока (закон Столетова).
Снова заряжают цинковую пластинку отрицательно и ос~
вещают ее зачищенную сторону электрической лампой
накаливания. Убеждаются в полном отсутствии фотоэффекта. Затем
зажигают ртутную лампу и перекрывают выходящий из нее
световой пучок оконным стеклом. Проходящий через стекло
свет также не оказывает действия на отрицательный заряд
цинковой пластинки. Фотоэффект не наблюдается и в том
случае, если увеличить освещенность цинковой пластинки
(приблизить электрометр к лампе).
Затем вместо оконного стекла берут тонкую пластинку из
плексигласа или целлофана, пропускающих длинноволновую
часть ультрафиолета. Теперь электрометр обнаруживает
потерю отрицательного заряда цинковой пластиной, но на меди
и свинце фотоэффект не наблюдается.
Если световой пучок от лампы перекрыть увиолевым
стеклом, прозрачным для широкого диапазона ультрафиолетового
излучения и непрозрачным для видимого света, то фотоэффект
наблюдается на различных металлах.
Опираясь на эти опыты, подводят учащихся к выводу, что
для каждого вещества фотоэффект наступает при
определенной частоте света, независимо от величины светового потока.
407

Граница фотоэффекта целиком определяется величиной работы
выхода электронов с поверхности тела.
В связи с этим полезно познакомить учащихся с таблицей,
в которой указаны значения граничных частот света для
различных металлов, и отметить, что граница фотоэффекта у
таких распространенных металлов, как цинк, медь, свинец,
алюминий, лежит в ультрафиолетовой части спектра, тогда как у
щелочных металлов (натрий, калий) она находится в видимой,
а у цезия даже в инфракрасной части спектра. Поэтому в
фотоэлементах, чувствительных к видимому свету, катоды
обрабатывают щелочными металлами.
ОПЫТ
170
Законы внешнего фотоэффекта
Оборудование: 1) фотоэлемент СЦВ-4 на подставке, 2)
гальванометр демонстрационный, 3) усилитель к гальванометру, 4) вольтметр
демонстрационный, 5) выпрямитель ВУП-1, 6) проекционный аппарат,
7) батареи аккумуляторов — 3 шт., 8) реостат сопротивлением 600 ом,
9) метр демонстрационный, 10) штатив универсальный, 11) провода
соединительные, 12) стенная таблица «Фотоэлементы», 13) кинофильм «Фотоэффект»,
14) кинопроектор.
Как известно, внешний фотоэффект характеризуется
законом Столетова и уравнением Эйнштейна.
Для демонстрации закона Столетова собирают установку
по рисунку 436. В корпус осветителя проекционного аппарата
вставляют автомобильную лампу («точечный» источник света),
а конденсор снимают. Позади проекционного аппарата
горизонтально укрепляют демонстрационный метр так, чтобы его
Рис, 436. Установка для демонстрации законов фотоэфф;
408
Рис. 437. Схемы включения фотоэлемента .и измерительных
приборов в электрическую цепь.
начало приходилось против нити лампы. В рейтере укрепляют
вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, смонтированный на
самодельной подставке; фотоэлемент включают в электрическую цепь
по схеме, показанной на рисунке 437, а (схему вычерчивают
па классной доске).
Регулируемое постоянное напряжение берут от
универсального выпрямителя (зажимы 0±100) и контролируют
демонстрационным вольтметром. Гальванометр включают в цепь
совместно с усилителем постоянного тока (см. Введение).
Автомобильную лампу питают от батареи аккумуляторов.
Вначале кратко знакомят учащихся с устройством
фотоэлемента по стенной таблице «Фотоэлементы». Затем объясняют
собранную установку и в полузатемненном классе приступают
к демонстрации опытов.
1. Фотоэлемент закрывают от постороннего света черной
бумагой, на его электроды подают напряжение примерно' 10—
15 в и устанавливают стрелку гальванометра на нуль шкалы.
Освещают катод фотоэлемента и наблюдают появление
тока в цепи. Выключают лампу — ток прекращается.
Прохождение тока внутри вакуумного фотоэлемента
объясняют движением от катода к аноду электронов, вырванных
светом.
2. Фотоэлемент устанавливают на расстоянии примерно
40 см от лампы и при неизменном световом потоке постепенно
увеличивают напряжение на его электродах. Ток сначала
увеличивается пропорционально приложенному напряжению, а
затем, начиная примерно с 30 в, достигает некоторого
постоянного значения (ток насыщения).
Учащимся поясняют, что ток насыщения возникает в тот
момент, когда все вылетающие с катода электроны доходят до
анода. Дальнейшее увеличение тока может быть достигнуто
лишь при увеличении светового потока. Приближают
фотоэлемент к лампе и убеждаются в этом.
3. Фотоэлемент возвращают в исходное положение и при
неизменном напряжении па электродах замечают по
гальванометру величину тока насыщения. Затем световой поток, падаю-
409

щий на фотоэлемент, уменьшают в четыре раза (увеличивают
расстояние между фотоэлементом и лампой в два раза).
Замечают по гальванометру, что при этом ток уменьшается в
четыре раза.
Следовательно, величина тока, определяемая числом
вылетающих в единицу времени электронов, прямо
пропорциональна падающему световому потоку (закон Столетова).
4. Для иллюстрации на опытах основных выводов,
вытекающих из уравнения Эйнштейна, включают фотоэлемент в
электрическую цепь по схеме, показанной на рисунке 437, б.
На фотоэлемент подают с потенциометра напряжение
обратной полярности. Это напряжение контролируют
демонстрационным вольтметром, который включают с заранее
подобранным дополнительным сопротивлением такой величины, чтобы
стрелка отклонялась на всю шкалу при напряжении 1,5 в.
Демонстрационный гальванометр включают совместно с
усилителем постоянного тока.
Подготавливая установку к проведению опыта, вставляют в
проекционный аппарат конденсор и диапозитивную рамку с
оранжевым светофильтром; ползунок потенциометра
перемещают в такое положение, при котором снимаемое с
потенциометра напряжение равно нулю; фотоэлемент затемняют и
устанавливают стрелку гальванометра на нуль.
Затем фотоэлемент освещают оранжевым светом.
Гальванометр обнаруживает ток. С помощью потенциометр.а
увеличивают постепенно тормозящую разность потенциалов. Ток
постепенно убывает до нуля. Это доказывает, что электроны
вылетают с катода с различными скоростями и в момент
прекращения тока они не имеют достаточной энергии, чтобы
преодолеть тормозящее поле. Очевидно, в этом случае можно
написать равенство:
2 °
где е — заряд электрона, т — масса электрона, f/о —
тормозящее напряжение, vmn — максимальная скорость электронов.
Обращают внимание учащихся на то, что из приведенного
выше уравнения можно найти максимальную скорость вылета
электронов, соответствующую данной частоте света.
Затем пучок света от лампы перекрывают поочередно
зеленым и синим светофильтрами. Замечают, что для прекращения
тока приходится все время увеличивать тормозящую разность
потенциалов.'
Наконец, при постоянной частоте света изменяют величину
светового потока, падающего на фотоэлемент. Устанавливают,
что тормозящее напряжение не зависит от величины светового
потока. Из описанных опытов следуют важные выводы,
подтверждающие уравнение Эйнштейна: 1) максимальная скорость
410
электронов, а следовательно, и их кинетическая энергия
увеличиваются с возрастанием частоты падающего света; 2) скорость
электронов не зависит от величины светового потока.
5. Для объяснения законов фотоэффекта демонстрируют
цветной учебный кинофильм «Фотоэффект»1.
ОПЫТ Фотореле с газонаполненным
f 7f фотоэлементом
Оборудование: 1) универсальное электронное реле с
фотоэлементом ЦГ-3, 2) выпрямитель ВУП-1, 3) электрическая лампа накаливания
на подставке, 4) фонарь электрический, карманный, 5) провода
соединительные.
Небольшие токи (микроамперы), получаемые от
фотоэлементов с внешним фотоэффектом, недостаточны для
срабатывания электромагнитного реле, непосредственно включенного
в цепь фотоэлемента. Поэтому электромагнитное реле
приходится включать через усилитель. В качестве такого усилителя
можно взять универсальное электронное реле, подробно
описанное в главе III, § 1.
На панели электронного реле устанавливают
газонаполненный фотоэлемент ЦГ-3. При этом анод фотоэлемента
соединяют с верхним левым зажимом, а катод — с зажимом,
соединенным с сеткой лампы (рис. 438). Подвижный контакт
переменного резистора, включенного между сеткой и катодом лампы,
устанавливают так, чтобы была введена примерно одна треть
его сопротивления.
Рис. 438. Демонстрация действия фотореле с электронной лампой.
1 Автор сценария — Б. Мдлишевский, производство Ленинградской
киностудии научно-популярных фильмов, 1963, 1970.
411

В исполнительную цепь электромагнитного реле через
нормально разомкнутые контакты включают обычную лампу
накаливания. Питание фотореле осуществляют от выпрямителя
ВУП-1 или кенотронного выпрямителя, а питание
исполнительной цепи — от осветительной сети.
Чтобы во время демонстрации общее освещение в классе не
создавало помехи, на фотоэлемент надевают защитный
колпачок с небольшим окошком.
При неосвещенном фотоэлементе обращают внимание
учащихся на то, что якорь электромагнитного реле не
притягивается к сердечнику и исполнительная цепь разомкнута. При этом
полезно слегка нажать рукой на якорь и показать, что лампа
загорается, если .исполнительную цепь замкнуть. При
отпускании якоря цепь размыкается и лампа гаснет. Значит, при
неосвещенном фотоэлементе ток в анодной цепи отсутствует или
его величина недостаточна для срабатывания реле.
Затем освещают фотоэлемент, направив на него пучок
света от электрического фонарика. Под действием света возникает
эмиссия электронов с фотокатода. В цепи фотоэлемента
возникает ток и на включенной части переменного резистора
образуется разность потенциалов. Потенциал сетки электронной
лампы повышается. Ток в анодной цепи значительно
возрастает. При этом электромагнитное реле срабатывает и
включает лампу.
Если убрать фонарик или выключить его, ток в цепи
фотоэлемента уменьшается; соответственно понижается потенциал
сетки электронной лампы и уменьшается ток в анодной цепи.
Якорь под действием пружины отходит от сердечника катушки
электромагнитного реле, исполнительная цепь размыкается и
лампа гаснет.
Затем включают лампу накаливания в цепь нормально
замкнутых контактов электромагнитного . реле и .повторяют опыт.
Теперь при затемненном фотоэлементе лампа накаливания
горит, а при освещенном — гаснет.
После этого на панели реле устанавливают приставку дли'
воспроизведения звука с киноленты, как показано на
рисунке 118. На диск приставки надевают кольцо, склеенное из
очищенной от эмульсии кинопленки. На кинопленку
предварительно наносят черной краской различной длины зачерненные
участки, которые вместе с оставшимися прозрачными участками
определят заданную программу действия реле.
К электродвигателю подключают батарею аккумуляторов
напряжением 4 в; пленка приходит в движение и лампа в
исполнительной цепи то загорается, то гаснет в соответствии с
заданной на пленке программой.
С описанным фотореле можно демонстрировать те же
опыты, что и с полупроводниковым фотореле (см. гл. III. § 2, опыт
60).
412
Для более полного ознакомления учащихся с
практическими применениями фотореле демонстрируют соответствующий
фрагмент из учебного кинофильма «Фотоэлементы и их
применение».
В фрагменте показывается использование фотореле для
звуковой сигнализации, управления движением автомобиля,
фиксирования момента финиша в спортивных состязаниях,
автоматического включения огней на бакенах и т. п.
ОПЫТ Л
Воспроизведение звука с кинопленки
Оборудование: 1) комплект приборов для воспроизведения звука
с киноленты, 2) усилитель низкой частоты, 3) динамический
громкоговоритель, 4) кинокольцовка с записью речи, Ъ) батарея аккумуляторов, 6)
выключатель, 7) провода соединительные, 8) штатив универсальный, 9) стенные
таблицы «Схема оптической записи звука» и «Схема оптического
воспроизведения звука».
Перед опытом учащихся кратко знакомят по стенной
таблице с принципом оптической записи звука с помощью
зеркального осциллографа. Эта система записи звука имеет широкое
распространение. При рассмотрении таблицы основное
внимание следует уделить процессу воздействия электрического
сигнала на световой поток, который фиксируется на фотопленке
в виде фонограммы.
Процесс звукозаписи состоит в следующем. На
движущуюся с постоянной скоростью фотопленку проецируется
изображение узкой щели. Ширина щели непрерывно изменяется в
соответствии со звуковым сигналом,, который с помощью
микрофона преобразуется в электрический, усиливается и
подается на шлейф осциллографа.
Воспроизведение звука с киноленты демонстрируют с
помощью комплекта простых приборов, показанных на рисунке
4391. Лентопротяжный механизм / представляет собой
текстолитовый барабан диаметром 60 мм и толщиной 18 мм,
насаженный на ось синхронного электродвигателя, который
рассчитан на 220 в и дает 60 об/мин (электродвигатель укреплен
на обратной стороне панели).
Фотоэлектрический преобразователь 2 состоит из
газонаполненного фотоэлемента а типа ЦГ-3 осветителя г (лампочка
для карманного фонаря) и цилиндрической линзы в,
выточенной из плексигласа. Нить накаливания лампочки
располагается параллельно оси цилиндрической линзы. Изображение нити
проецируется на фонограмму киноленты, которая скользит по
1 См.: Л. И. Анциферов. Учебное оборудование для записи и
воспроизведения звука?* «Фмзика в школе», 1964, Ks 6.
413

Рис. 439. Комплект прнборов^воспроизведения звука с кии0.
направляющему полуцилиндру б, имеющему отверстие для
прохождения светового пучка.
Напряжение на фотоэлемент подается от заряженного до
200—300 в электролитического конденсатора д емкостью
20 мкф (он вставляется в специальную обойму,
расположенную на панели). Для ограничения тока разряда конденсатора
в цепь фотоэлемента включают резистор сопротивлением
3,0 Мом. Одного заряда конденсатора достаточно для
воспроизведения звука в течение 5—7 мин.
Натяжной ролик 3 может свободно вращаться в
металлической скобе. К последней прикреплена упругая
пластинка-держатель. Пластинка обеспечивает равномерное натяжение
ленты при ее движении.
Для демонстрации опыта собирают установку, показанную
на рисунке 440. В нижней' части стойки универсального
штатива укрепляют лентопротяжный механизм, примерно в середине
стойки штатива — фотоэлектрический преобразователь', а на
верхнем конце—натяжной ролик. На тянущий барабан,
натяжной ролик и направляющий полуцилиндр надевают кинокольцов-
ку с записью речи. Выходные зажимы цепи фотоэлемента
соединяют экранированным проводом с микрофонным входом
усилителя низкой частоты. К выходу усилителя подключают
динамический громкоговоритель. Осветительную лампочку соединяют
с батареей аккумуляторов. Конденсатор, питающий цепь
фотоэлемента, заряжают от универсального полупроводникового
выпрямителя (ВУП-1) или кенотронного выпрямителя и
вставляют в обойму на панели.
.Сначала включают электродвигатель и, слегка изменяя
положение натяжного ролика, добиваются равномерного движения
киноленты. Затем включают усилитель и после прогрева ламп
замыкают цепь питания осветительной лампочки. В течение 1—
2 минут слушают воспроизведение записанного звука.
414
Рис. 440. Установка и ее схема для воспроизведения звука с кинопленки.
Процесс воспроизведения звука объясняют по схеме,
представленной на рисунке 440. Эту схему вычерчивают на классной
доске.
Свет от лампочки, пройдя цилиндрическую линзу, собирает*
ся в узкий пучок и в виде тонкого светлого штриха падает на
движущуюся звуковую дорожку киноленты. Фонограмма
модулирует световой поток, который далее падает на катод
фотоэлемента. В фотоэлементе колебания светового потока
преобразуются в электрические колебания, которые после усиления
поступают в громкоговоритель..
При пояснении процесса воспроизведения звука, записанного
оптическим способом, можно воспользоваться стенной таблицей
«Схема оптического воспроизведения звука» или показать ля-
тый фрагмент из учебного кинофильма «Фотоэлементы и их
применение».
Воспроизведение звука можно демонстрировать также с
помощью универсального электронного реле. В этом случае
собирают установку по рисунку 441.
На универсальном электронном реле закрепляют приставку с
кинокольцовкой. Для этого опорный стержень приставки
вставляют в обойму с обратной стороны панели так, чтобы диск был
415

Рис. 441. Установка для воспроизведения звука с кинопленки с помощью
универсального электронного реле.
расположен строго в вертикальной плоскости. На бортик диска
надевают кинолепту матовой стороной внутрь кольца. При этом
фонограмма должна выступать за край бортика. На свободный
конец петли киноленты помещают натяжной ролик.
К зажимам приставки подключают батарею аккумуляторов,
соблюдая полярность.
Чтобы проверить правильность расположения приставки,
замыкают на некоторое время цепь выключателем и наблюдают за
движением кинокольцовки, которая не должна соскакивать и
тормозиться боковой поверхностью диска. В случае
необходимости, слегка ослабив винт крепления опорного стержня,
поворачивают приставку в нужном направлении. Регулировочным
винтом с натяжной пружиной устанавливают нормальную скорость
вращения диска.
На лицевой стороне панели универсального электронною
реле устанавливают фотоэлемент между зажимами 4 и 5.
Переставную шторку располагают в верхнем положении, чтобы
три вывода от контактных пластин электромагнитного реле
оказались закрытыми. Переменный резистор вводят полностью.
Выход электронного реле, выполняющего роль
предварительного однолампового усилителя, соединяют со
входом-демонстрационного двухлампового усилителя, а к выходу усилителя
подключают динамик.
Для согласования выхода универсального электронного
реле со входом демонстрационного усилителя и получения
неискаженного воспроизведения звука включают между входными
зажимами усилителя дополнительно сопротивление а порядка 2—
3 ком.
Электронное реле и демонстрационный усилитель питают от
одного универсального полупроводникового выпрямителя или
кенотронного выпрямителя.
416
опыт
173
Световой телефон
Оборудование: 1) универсальное электронное реле, 2) усилитель
низкой частоты демонстрационный, 3) усилитель низкой частоты
эксплуатационный, 4) микрофон или телефонная трубка, 5)динампк на подставке, 6)
выпрямитель ВУП-1, 7) электрическая лампочка для карманного фонаря
на подставке, 8) линза иа подставке, 9) провода соединительные.
Для демонстрации опыта размещают на одном конце
демонстрационного стола передающую установку, а на другом —
приемную (рис. 442). Передающая установка представляет
усилитель низкой частоты, на вход которого включен микрофон, а
на выход — электрическая лампочка на 3,5 в, укрепленная на
некоторой высоте в лапке штатива. Против лампочки
располагают на подставке собирающую линзу с фокусным расстоянием
10—15 см.
Приемное устройство представляет собой установку,
идентичную той, которая собирается на базе универсального
электронного реле для воспроизведения звука оптическим способом
(но без приставки).
После того как сделаны все соединения, уточняют
положение линзы. Она должна быть расположена на таком расстоянии
от лампочки, чтобы увеличенное изображение нити
проецировалось па катод фотоэлемента, закрепленного на универсальном
электронном реле. Установку линзы производят при горящей
лампочке, к которой необходимое напряжение подводится от
универсального полупроводникового выпрямителя. После
подбора положения линзы лампочку снова подключают к выходу
усилителя.
При воздействии на микрофон звука лампочка загорается,
причем накал нити, а следовательно, и ее световой поток
изменяются в соответствии с громкостью и частотой звука. Световые
колебания звуковой частоты преобразуются фотоэлементом в
Рис. 442. Установка для демонстрации светового телефона.
27 Заказ № 60-17 417

слабые электрические колебания, которые далее усиливаются и
воспроизводятся громкоговорителем.
Для устранения удвоения частоты звука и обеспечения его
неискаженного воспроизведения в цепь вторичной обмотки
выходного трансформатора необходимо последовательно с
лампочкой включить источник постоянного напряжения на
1,5—2 в (при отсутствии сигнала лампочка должна светить
слабо).
Опыт не требует затемнения. Вместо универсального
электронного реле и демонстрационного усилителя можно взять один
усилитель, например от школьной звуковой киноустановки.
§ 2. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
ОПЫТ
174
Фотохимические реакции
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) раствор йодистого
калия, 3) раствор железного купороса с метиленовой синькой, 4) фотобумага
бромосеребряная, 4) раствор проявителя, 6) светофильтры, 7) экран
настольный, 8) кювета прямоугольная и химический стакан на 200 мл, 9)
кнопки канцелярские.
Фотохимические реакции являются одним из проявлений
взаимодействия света и вещества, при котором отчетливо
проявляются квантовые свойства света. Для демонстрации таких
реакций показывают следующие опыты.
1. В проекционный аппарат с мощным источником свега
(электрическая дуга или лампа накаливания на 300 вт)
помещают между конденсором и объективом ширму с двойной
рамкой для диапозитивов (рис. 443). Перед объективом на подъ-
Рие. 443. Демонстрация фотохимической реакции.
4)8
емном столике ставят прямоугольную кювету из органического
стекла с 50-процентным водным раствором йодистого калия.
Раствор готовят заранее и хранят в сосуде из темно-желтого
стекла. Некоторое количество раствора оставляют для
последующего сравнения. Его наливают в химический стакан и
закрывают от света колпаком, склеенным из черной бумаги. Для
ускорения фотохимической реакции в обе части раствора перед
опытом наливают по 1 мл 10-процентного раствора соляной
кислоты. Затем включают лампу осветителя в сеть и в течение
нескольких минут наблюдают постепенное изменение цвета
раствора (он желтеет).
Учащимся поясняют, что под действием света происходит
реакция, в результате в растворе-выделяется свободный йод,
который и окрашивает раствор:
4К1+2Н20+02 + 4КОН+212.
В реакции принимает участие атмосферный кислород."
Затем при рассеянном свете учащимся показывают для
сравнения вторую часть раствора, которая находилась в
темноте; она осталась неокрашенной. Затем проводят опыт с
прозрачной частью раствора, причем световой пучок от
проекционного аппарата перекрывают красным светофильтром. После
2—3 мин облучения раствор рассматривают при рассеянном
свете и обнаруживают, что красный свет химического действия
не производит.
2. Фотохимическую реакцию можно показать и с раствором
железного купороса и метиленовой синьки, который готовят
заранее следующим образом. Берут 10 г железного купороса и
растворяют в 200 мл холодной воды. Чтобы исчезли ионы
трехвалентного железа, раствор смешивают с небольшим
количеством железного порошка или железных опилок. Далее раствор
фильтруют и добавляют в него 1 мл 10-процентного раствора
соляной кислоты и немного метиленовой сииьки, не
содержащей хлористого цинка.
Приготовленный раствор наливают в колбу, плотно
закрывают пробкой и вносят в световой пучок проекционного
аппарата. Под действием света голубой раствор очень быстро
теряет свой цвет, но, будучи потом перенесен в темноту, он
почти также быстро приобретает свою первоначальную окраску.
3. На демонстрационном столе рядом с проекционным
аппаратом располагают настольный экран. В рамку для
диапозитивов вставляют красный и синий светофильтры. При красном
свете на экране с помощью канцелярских кнопок укрепляют
лист фотобумаги, предварительно смоченной проявителем.
Показывают, что при облучении красным светом
фотобумага остается белой, а под действием синего — темнеет. Степень
потемнения находится в прямой зависимости от времени
облучения.
27*
419

Учащимся сообщают, что последняя фотохимическая
реакция сопровождается разложением галоидного серебра; она
получила широкое практическое применение в фотографии,
Затем на другой лист фотобумаги, смоченной проявителем,
проецируют изображение какого-либо контрастного
диапозитива или нити электрической лампы осветителя. Через несколько
секунд на фотобумаге появляется негативное изображение.
Для ускорения опыта следует воспользоваться
быстродействующим теплым проявителем.
Фотохимические реакции объясняют на основе квантовых
представлений о природе света. Сообщают, что каждый
поглощенный квант света вызывает превращение одной молекулы
данного вещества. Энергия кванта должна быть достаточна,
чтобы вызвать это превращение. В противном случае реакция
не происходит и поглощение света приводит лишь к
увеличению внутренней энергии тела. Фотохимическая реакция не
возникает также и в том случае, если вещество прозрачно для
света данной частоты.
Эти сведения позволяют подвести учащихся к пониманию
основного закона, которому подчиняются все фотохимические
реакции: масса вещества, прореагировавшего в фотохимической
реакции, прямо пропорциональна энергии поглощенного света.
ОПЫТ Люминесценция газов, жидкостей
175 и твердых тел
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) осветитель с ртутно-
кварцевой лампой, 3) дроссель к лампе, 4) набор флюоресцирующих
жидкостей, 5) набор фосфоресцирующих экранов, 6) экран для обнаружения
ультрафиолетовых лучей, 7) экран для обнаружения рентгеновских лучей,
8) набор газонаполненных трубок — с водородом, гелием, неоном, 9) трубка
вакуумная с люминесцирующим экраном, 10) электрофорная машина,
индуктор высоковольтный или высоковольтный выпрямитель, 11) кювета
прямоугольная и химический стакан на 200 мл, 12) раствор флюоресцина, 13)
спиртовой раствор канифоли, 14) светофильтры.
Явление люминесценции газов, жидкостей и твердых тел
рекомендуется демонстрировать в затемненном классе при
различных воздействиях на вещество: при освещении, трении,
бомбардировке электронным пучком и т. п.
1. Для демонстрации фотолюминесценции жидкостей
собирают установку, описанную в предыдущем опыте (см. рис.443)
и в кювету наливают дистиллированную воду.
Обращают внимание учащихся на то, что пучок света в
воде при рассматривании его сбоку почти невидим, так как в
воде нет частиц, рассеивающих свет.
Затем в воду вводят несколько капель раствора канифоли в
спирте. Теперь световой пучок в воде становится видимым:
частицы канифоли рассеивают свет.
420
Далее перекрывают световой пучок, падающий на кювету,
различными светофильтрами. При этом цвет рассеянного света
совпадает с цветом светофильтров. Значит, частицы канифоли
рассеивают те лучи, которые на них падают. Наблюдаемое
явление представляет собой обычное отражение света.
Теперь жидкость из кюветы выливают и наливают чистую
дистиллированную воду, в которую подливают несколько
капель раствора флюоресцина. По мере того как флюореецнн
тонкими неравными струйками распространяется в воде,
учащиеся наблюдают его яркое зеленоватое свечение. При
перемешивании раствора его свечение постепенно становится
равномерным.
Чтобы выяснить, не является ли это свечение результатом
рассеивания зеленых лучей, имеющихся в спектре
возбуждающего белого света, снова закрывают объектив поочередно
фиолетовым, синим и зеленым светофильтрами. Цвет свечения
флюоресцина при этом не изменяется, значит, зеленоватое
свечение является излучением молекул флюоресцина.
После этого зажигают ртутно-кварцевую. лампу с увиоле-
вым светофильрром (см. описание лампы во Введении) и в
пучок ультрафиолетовых лучей вносят трубки, наполненные
спиртовом раствором эозина, флюоресцина и ^-кислоты или рс»-
дамина (рис. 444). Кроме указанных жидкостей, можно взять
керосин, раствор хинина, хвойного экстракта, спиртовой настой
листьев крапивы и др.
Учащиеся сбоку наблюдают на темном фоне светло-зеленый
цвет у флюоресцина и хвойного экстракта, фиолетовый — у
^-кислоты, синеватый ^-у хинина и керосина,
желто-оранжевый— у эозина, желто-зеленый—у родамина и т. д.
2. Для' демонстрации фотолюминесценции твердых тел в
пучок ультрафиолетовых лучей вносят люминесцирующий
экран, (рис. 445). Он представляет собой прямоугольную
металлическую пластинку размером 10x15 см, покрытую с одной
стороны люминофором. К
обратной стороне экрана
прикреплена откидная ручка. Под
действием ультрафиолетовых
лучей экран светится ярко-
зеленым цветом.
После нескольких секунд
облучения экран выносят из
Рис. 444. Набор флюоресцирующих Рис. 445. Люминесцирующий экран,
жидкостей.
421

светлого пучка и в темноте
рассматривают постепенно
угасающее зеленоватое свечение.
Вместо этого экрана можно
взять экран для обнаружения
рентгеновских лучей. Он
светится желтоватым цветом.
Опыт повторяют с набором
фосфоресцирующих экранов
(рис. 446), состоящим из трех
бумажных полосок, на которые
нанесены различные люминофо-
Рис. 446. Набор фосфоресцирую- ры
щнх экранов. Основными компонентами
люминофоров являются
сернистый цинк и сернистый кадмий; активатором служит медь.
После возбуждения ультрафиолетовым светом наблюдают
различное по длительности и цвету свечение — голубое,
красное и зеленое.
Круг опытов по наблюдению фотолюминесценции жидких и
твердых. тел можно расширить. В ультрафиолетовых лучах
светятся многие вещества, преимущественно органические.
Можно наблюдать люминесценцию кожи, ногтей, зубной
эмали, молока, яиц, фруктов, жира и различных красителей.
В ультрафиолетовых лучах особенно ярко светятся некоторые
сорта бумаги и хлопчатобумажные ткани.
3. Триболюминесценцию демонстрируют с помощью
экрана для обнаружения рентгеновских лучей. По экрану (с
оборотной стороны) проводят пальцами: след их движения
обнаруживается в виде светящихся полос. При легком
постукивании пальцами по экрану возникают кратковременные вспышки
света.
4. Электролюминесценцию газов и твердых тел
демонстрируют с помощью газонаполненных трубок и вакуумной трубки
с люминесцнрующим экраном.
Трубки питают от источника высокого напряжения — элект-
рофорной машины, индукционной катушки или
высоковольтного выпрямителя. При этом наблюдают характерное для
каждого газа и твердого вещества свечение.
Кратковременное свечение газов можно наблюдать с
помощью наэлектризованной палочки. При приближений сильно
наэлектризованной палочки к газонаполненной трубке (с
водородом, гелием, неоном) возникает довольно яркая вспышка
света.
Более подробное описание различных способов возбуждения
люминесценции можно найти в методической литературе'.
1 См.: В. А. Буров. Об изложении люминесценции в X классе.
«Физика в школе», 1955, № 2, стр. 47—52.
422
Описанные опыты показывают, что возбудить
люминесценцию можно различными способами, причем не все вещества
могут люминесцировать. Состав света люминесценции
отличается от света, который вызвал свечение. Цвет свечения
является характерным свойством люминесцирующего вещества и в
ряде случаев не зависит от способа возбуждения.
Для люминесценции характерно послесвечение,
длительность которого для разных веществ неодинакова. У газов и
жидкостей, как видно из проделанных опытов, свечение
исчезает практически сразу (оно длится миллиардные доли
секунды). Люминесценцию с очень непродолжительным
послесвечением называют флюоресценцией.
Продолжительное остаточное свечение наблюдается, как
правило, только у твердых тел. Послесвечение может
продолжаться много часов и даже суток. Длительную
люминесценцию называют фосфоресценцией. Фосфоресцирующие вещества
являются своеобразными аккумуляторами света.
Важно заметить, что приведенная классификация
люминофоров по времени затухания свечения достаточно условна и не
вполне отражает особенности механизма люминесценции раз-,
личных веществ.
В случае фосфоресценции накопленная световая энергия
излучается только с помощью теплового движения. Поэтому
высвечивание фосфоров может быть совершенно «заморожено»
достаточным охлаждением (этот вопрос более подробно
выясняется в опыте 177).
Иначе обстоит дело с флюоресценцией. При этом виде
люминесценции свечение происходит без участия теплового дви-
ження и длительность затухания его почти не зависит от
температуры.
Надо обратить внимание школьников на главную
особенность люминесценции: люминесцирующее вещество излучает
видимый свет, находясь при такой температуре, при которой в
тепловом излучении совершенно не содержится видимого
излучения. Люминесценция представляет собой избыток свечения
тела над его тепловым излучением при данной температуре в
определенной спектральной области, обладающий конечной
длительностью.
ОПЫТ Зависимость люминесценции от частоты
474 возбуждающего света
Оборудование: 1) проекционный аппарат с электрической дугой,
2) набор флюоресцирующих жидкостей, 3) набор фосфоресцирующих экранов,
4) экран для обнаружения ультрафиолетовых лучей, 5) экран для
обнаружения рентгеновских лучей, 6) призма трехгранная нз флинтгласа или призма
прямого зрения, 7) экран настольный, 8) лампа люминесцентная, 9)
кинофильм «Люминесценция», 10) кинопроектор.
423

Собирают установку для получения сплошного спектра
электрической дуги по рисунку 409.
Спектр проецируют на черную поверхность настольного
экрана и в различные участки спектра вносят трубки, наполненные
спиртовым раствором флюоресцина, эозина и родамина.
Трубки располагают вдоль спектра, чтобы все они освещались
одновременно одним и тем же участком спектра (рис. 447).
Обращают внимание учащихся на то, что на участке от
красной до желтой области ни одна из жидкостей не
флюоресцирует; в зеленой области возникает желто-оранжевое свечение
у эозина, в голубой и синей — свечение наблюдается у всех
жидкостей. Зеленоватое свечение флюоресцина
обнаруживается и в фиолетовой части спектра.
Опыт повторяют с набором по фосфоресценции. Бумажные
полоски, покрытые люминофорами, вносят на несколько секунд
в красную часть спектра и, рассматривая их после этого в
темноте, убеждаются, что красное и инфракрасное излучение
фосфоресценции не вызывает. Затем люминофоры вносят в
середину спектра; в зеленой части спектра хорошо возбуждается
люминофор, фосфоресцирующий красным цветом. Это
свечение настолько яркое, что оно заметно еще во время
нахождения люминофора в спектре.
Третий раз вносят люминофоры в сине-фиолетовую часть
спектра. Обнаруживают, что зеленый люминофор лучше всего
возбуждается синим светом, а голубой — фиолетовым.
Наконец,' в спектр вносят.экран для обнаружения
рентгеновских лучей и замечают на нем положение спектральных
цветов. Когда экран переносится в темноту, учащиеся сразу видят
его неравномерное свечение. Наиболее ярко светится та часть,
на которую падал синий свет. В сторону фиолетовых лучей ярт
кость свечения постепенно убывает, а в сторону красных лучей
свечение резко обрывается в том месте, где падал желтый свет.
Последний опыт можно демонстрировать и с экраном для
обнаружения ультрафиолетовых лучей.
На основе описанных опытов формулируют вывод, что
длина световых волн, испускаемых люминесцирующим веществом,
ф К
Рис. 447. Расположение трубок с
флюоресцирующими жидкостями в сплошном спектре.
424
больше длин волн возбуждающего света, т. е. спектр
люминесценции сдвинут по отношению к спектру поглощения в сторону
длинных волн (правило Стокса).
Люминесцирующее вещество является своеобразным
трансформатором частоты света, причем одно и то же вещество,
возбужденное светом различной частоты, дает один и тот же
спектр излучения, характерный для данного люмииесцирующе-
го вещества. Спектр люминесценции характеризует вещество
и не зависит от способа возбуждения.
Яркость люминесценции зависит от рода вещества и
условий возбуждения. Яркость тем больше, чем меньше разность
между длинами волн (частотами), света люминесценции и
возбуждающего света. Последнее особенно отчетливо
наблюдается в опыте с экраном для обнаружения рентгеновских лучей.
Существование порога люминесценции подтверждает
квантовую природу света.
На основе квантовых представлений разъясняют механизм
явления люминесценции. С этой целью демонстрируют цветной
учебный кинофильм «Люминесценция» (первый фрагмент), где
показывается, как при поглощении фотона атомы или
молекулы возбуждаются, а затем самопроизвольно испускают новые
фотоны меньшей энергии; часть энергии поглощенных фотонов
идет на увеличение внутренней энергии тела. Поэтому частота
света люминесценции меньше частоты возбуждающего
излучения.
Из разнообразных применений явления люминесценции в
науке и технике (светящиеся экраны в рентгеноскопии, в
осциллографии, телевидении и радиолокации; люминесцентные
лампы; люминесцентный анализ), показываемых во втором
фрагменте кинофильма, подробно рассматривают устройство и
принцип' Действия люминесцентной лампы (опыт 96), в которой
ультрафиолетовое излучение паров ртути преобразуется
люминофорами в видимый свет.
ОПЫТ Зависимость фосфоресценции
{77 от температуры
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) экран для
обнаружения рентгеновских лучей, 3) металлический диск или брусок, 4)
электрическая плитка или газовая горелка, 5) лед или снег.
1) К обратной стороне экрана для обнаружения
рентгеновских лучей прижимают слегка нагретое тело, например
металлический диск. Когда экран прогреется, его вносят в световой
пучок от проекционного аппарата, а затем в темноте
наблюдают свечение. Прогретая область экрана фосфоресцирует
очень слабо и контрастно выделяется в виде темного пятна
425

^^BBJ»"
а 6
Рис. 448. Фосфоресценция экрана:
а —при нагревании; б —при -охлаждении металлическим
диском.
на фоне остальной ярко светящейся части (рис. 448, а). Форма
пятна соответствует форме тела, которым прогревался
экран.
Затем к обратной стороне экрана прижимают
металлический диск, предварительно охлажденный льдом или снегом, и,
подождав немного, вновь возбуждают свечение экрана. Теперь
охлажденная область светится ярче и дольше, чем остальная
его часть (рис. 448, б). Учащиеся убеждаются в том, что
повышение температуры фосфоресцирующего вещества
уменьшает, а понижение увеличивает яркость и длительность
люминесценции.
Можно отметить, что многие вещества (например, парафин,
яичная скорлупа и др.)," не люминесцирующие при обычной
температуре, начинают люминесцировать при сильном
охлаждении (при температуре жидкого воздуха). Наоборот, при
температуре выше 500° С большинство люминесцирующих веществ
теряет способность люминесцировать.
2. К предварительно засвеченному экрану для обнаружения
рентгеновских лучей с обратной стороны прижимают в темноте
слегка нагретый металлический диск. Экран в этом месте ярко
вспыхивает, отчетливо передавая контуры прижатого тела, а
через несколько секунд вспышка гаснет, в то время как
остальная область экрана, имеющая пониженную температуру,
продолжает еще фосфоресцировать.
Из опыта следует, что с повышением температуры время
высвечивания энергии, запасенной люминофором,
уменьшается. С понижением же температуры, наоборот, время излучения
увеличивается. При этом, как показывают точные измерения,
общее количество излучаемой энергии остается постоянным.
Учащимся сообщают, что при достаточно сильном
охлаждении фосфоресценция может быть прекращена совсем. В этом
случае накопленная световая энергия может сохраняться в
люминофоре неограниченное время. Высвечивание энергии
можно вызвать нагреванием, инфракрасными лучами, элект-
рическим или магнитным переменным полем.
426
ОПЫТ
178
Тушение люминесценции
Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) экран длп
обнаружения ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, 3) инфракрасный
светофильтр, 4) диапозитив.
1. Вначале демонстрируют тушение фосфоресценции
инфракрасными лучами. На экран для обнаружения
ультрафиолетовых или рентгеновских лучей проецируют с помощью проекци*
опного аппарата изображение четырехугольного окна
диапозитивной рамки, а затем закрывают конденсор инфракрасным
светофильтром. Под действием инфракрасных лучей экран "
внаТале ярко вспыхивает, а затем быстро гаснет. Опыт
повторяют, располагая на пути инфракрасных лучей какой-либо
предмет: область его тени на погасшем экране продолжает
светиться.
Это явление называют тушением фосфоресценции. Оно
складывается, как показывает опыт, из двух частей: высвечивания
и тушения. Высвечивание состоит в том, что энергия,
накопленная в фосфоресцирующем веществе, излучается под действием
инфракрасных лучей в виде света; при тушении же
накопленная в люминофоре энергия превращается во внутреннюю
энергию тела и уже не может быть выделена в процессе
фосфоресценции.
Высвечивание и тушение сильно зависят от температуры
фосфоресцирую'щего вещества (см. предыдущий опыт). При
высоких температурах значительно преобладает тушение, а
при низких — высвечивание.
2. Явление тушения фосфоресценции применяется для
получения изображений. Принцип использования явления
тушения фосфоресценции можно показать на опыте.
На люминесцирующий экран проецируют с помощью
проекционного аппарата в течение нескольких секунд изображение
какого-либо контрастного диапозитива или нити лампы
осветителя. Выключив свет, наблюдают на экране постепенно
угасающее позитивное изображение. После этого экран
возбуждают белым светом и снова проецируют на него изображение
того же предмета, но через инфракрасный светофильтр. В
результате тушения фосфоресценции на экране получается
негативное изображение.
Опыт следует производить быстро, так как свечение
возбужденного экрана продолжается сравнительно недолго. Это
достигается быстрым перемещением в ширме двойной рамки с
диапозитивом. При одном ее положении проецируется
диапозитив, а при другом — свободное кадровое окно, через которое
производится возбуждение экрана.
W

§ 3. СПОСОБЫ РЕГИСТРАЦИИ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
ОПЫТ Ионизирующее действие радиоактивного
179 излучения
Оборудование: 1) радиоактивные препараты от спинтарископа и
камеры Вильсона, 2) электрометры демонстрационные с двумя круглыми
дисками— 2 шт., 3) эбонитовая палочка с мехом, 4) штатив универсальный,
5) провода соединительные.
Для демонстрации опыта берут два одинаковых стрелочных
электрометра; па стержень одного из них надевают
металлический диск диаметром 10 см. На высоте 4—5 см от диска
укрепляют в лапке штатива второй диск такого же размера
(рис. 449)'. Верхний диск соединяют проводником с корпусами
обоих электрометров и заземляют. Получают простейшую
ионизационную камеру, представляющую собой плоский
конденсатор, соединенный с электрометром.
В конденсатор вносят радиоактивный препарат от
спинтарископа, располагая его в середине нижнего диска. Оба
электрометра заряжают с помощью наэлектризованной палочки так,
чтобы их стрелки отклонились на одинаковые углы.
1 Диски входят в комплект электрометров.
426
Учащимся сообщают, что под действием радиоактивного
излучения происходит ионизация воздуха, находящегося между
пластинами конденсатора. Ионизация происходит главным
образом под действием альфа-частиц. Образующиеся ионы,
двигаясь в электрическом поле, создают электрический ток, за
счет которого конденсатор постепенно разряжается. Скорость
разряда относительно невелика; стрелка электрометра
перемещается на одно деление шкалы примерно за 2—3 мин. За то
же время угол отклонения стрелки у второго (контрольного)
электрометра практически не изменяется.
Опыт повторяют с радиоактивным препаратом, взятым от
школьной камеры Вильсона, и, сравнивая скорость разряда
электрометра в первом и во втором случаях, делают
заключение об относительной активности применяемых источников.
Учащимся сообщают, что многие методы обнаружения и
измерения активности радиоактивных препаратов основаны на
ионизирующем действии излучения.
Для ознакомления учащихся с другими действиями
радиоактивных излучений (люминесцентное, химическое, тепловое)
демонстрируют первый фрагмент кинофильма «Атом и
атомное ядро». В нем рассказывается об открытии
радиоактивности, составе радиоактивного излучения и его свойствах.
После демонстрации опыта радиоактивные препараты
следует сразу же убрать на место, т. е. поместить соответственно
в корпус спинтарископа или камеру Вильсона.
ОПЫТ Йаблюдение следов заряженных частиц
180 / в камеРе Вильсона
Оборудование: 1) камера для наблюдения следов альфа-частиц,
2) проекционный аппарат, 3) выпрямитель ВУП-1, 4) колба стеклянная
емкостью I л с резиновой грушей, 5) штатив универсальный, 6) спирт,
7) спички, 8) провода соединительные.
Перед демонстрацией опыта учащихся кратко знакомят с
устройством школьной камеры для наблюдения следов альфа-
частиц (рис. 450, о). Камера (конструкция Г. М. Иванова)
представляет собой металлическое или пластмассовое кольцо,
плотно закрытое сверху и снизу стеклянными пластинками.
Для герметизации камеры применены резиновые прокладки.
Пластинки прижимаются к корпусу при помощи двух
(верхнего и нижнего) металлических колец и четырех винтов с
гайками. На боковой поверхности камеры имеется патрубок для
присоединения резиновой груши. Внутри камеры находитея
легко вынимающийся радиоактивный препарат. Верхняя
стеклянная пластинка имеет на внутренней поверхности прозрачный то-
копроводящий слой. Внутри камеры находится металлическая
429

Рис. 450. Камеры для наблюдения следов заряженных частиц.
кольцеобразная диафрагма, имеющая ряд щелевых отверстий.
С последней соприкасается гофрированная диафрагма,
которая является боковой стенкой рабочего пространства камеры
и служит для устранения вихревых движений воздуха.
Прибор укреплен на деревянной панели, на которой
установлены две клеммы; одна из них имеет соединение с
проводящим слоем верхней стеклянной пластины, а вторая — с
металлической кольцеобразной диафрагмой.
На рисунке 450, б изображена другая камера,
предложенная Э. Н. Скурьят. Она отличается от первой камеры в
основном только тем, что ее рабочее пространство ограничено
сверху и снизу двумя прозрачными пластинами из органического
стекла, которые приклеены к корпусу прибора.
Действие камер основано на конденсации пересыщенных
паров этилового спирта вокруг ионов, которые образуются в
газах при прохождении через них альфа-частиц. Охлаждение
паров, необходимое для создания пересыщенного состояния,
.достигается в результате их адиабатного расширения при
помощи резиновой груши. При определенной скорости
расширения газа конденсация содержащихся в нем паров происходит
только на ионах. При этом полет каждой альфа-частицы
отмечается появлением полоски тумана (трека).
1. Конденсация водяного пара на частицах
Этот опыт является предварительной демонстрацией,
раскрывающей принцип действия камеры Вильсона.
Стеклянную колбу споласкивают водой и укрепляют вверх
дном в лапке штатива (рис. 451). Отверстие колбы закрывают
резиновой пробкой, в которую вставляют резиновую грушу.
Сначала грушу медленно сжимают, а затем быстро отпускают.
При расширении воздуха существенных изменений в колбе не
наблюдается (в демонстрации применяют подсвет). После
этого колбу открывают и к ее отверстию подносят пламя от спич-
430
кн. Снова закрывают колбу и повторяют
опыт. Теперь при расширении воздуха
колба наполняется густым туманом:
насыщающий водяной пар переходит в
перенасыщенный и конденсируется на
частицах копоти и ионах, введенных и
колбу пламенем спички.
Опыт убеждает учащихся в том, что
частицы могут быть центрами конденса-*
ции пара.
2. Наблюдение следов альфа-частиц.
- Камеру для наблюдения следов
альфа-частиц устанавливают на
проекционном аппарате с приспособлением для
горизонтального проецированиями
присоединяют к выпрямителю тока напряжени-
ем 250—300 в (рис. 452).
Включают проекционную лампу и,
передвигая объектив, добиваются на
экране четкого изображения шарика с
радиоактивным препаратом.
В резиновую гаушу набирают 2—3 Рис- ш- к?лба c.Pew'
7%<-*Q&l-5 £fi jQl__ новой грушей для демон-
капли сп^рт^-рёктйфй'кэта И Присоеди- страции конденсации па-
няют ее с помощью резиновой трубки ра на заряженных ча-
к камере. станах.
Сосредоточив внимание учащихся на
изображении радиоактивного аппарата на экране, медленно
сжимают грушу, а затем быстро отпускают. Повторяя это
несколько раз и постепенно увеличивая степень сжатия груши,
находят соотношение объемов, при котором получается на*
илучшая видимость треков (рис. 453, а).
Так как следы альфа-частиц можно наблюдать лишь в
течение 1,5—2 сек после расширения воздуха, то опыт следует
еще несколько раз повторить при найденном оптимальном
сжатии груши и обратить внимание учащихся на
прямолинейность следов, их одинаковую толщину и длину, что указывает
на одинаковую энергию всех вылетающих альфа-частиц. Все
следы начинаются от поверхности радиоактивного препарата
и резко обрываются в воздухе1. Длина пробега альфа-частиц
зависит от величины их энергии и плотности среды, в которой
они движутся.
Электрическое поле, приложенное к камере, играет в
опыте второстепенную роль: оно удаляет из камеры ионы,
непрерывно образующиеся под действием радиоактивного излуче-
i В случае загрязнения камеры радиоактивными веществами могут
также наблюдаться следы, начинающиеся от стенок камеры.
431

Рис. 452. Устаеговка камеры па проекционном аппарате.
пия. Без электрического поля наблюдение следов
заряженных частиц было бы невозможно из-за образования в камере
сплошного тумана.
В случае применения камеры, изображенной на
рисунке 450, б, электрическое поле создают зарядами статического
электричества, которые получают на поверхности
органического стекла (крышек камеры) путем протирания их суконкой
или мехом.
3. Наблюдение следов протонов
С камеры снимают верхнюю стеклянную пластинку,
отвернув предварительно со всех четырех стяжных болтов
ганки. Внутрь камеры
вносят полоску из
алюминиевой фольги толщиной
0,1 —0,\Ъмм. Полоску
располагают вокруг
радиоактивного препарата в
виде дуги (рис. 453,6'),
причем следят за тем,
чтобы она не
касалась токопроводящего
слоя верхней стеклянной
Рис. 453. Следы заряженных частиц в ка- »лас™нки. Затем камеру
мере Вильсона: закрывают и снова пов-
я — альфа-частиц; 6 ~ протонов. ТОрЯЮТ ОПЫТ,
432
Обращают внимание учащихся, во-первых, на малую
проникающую способность альфа-частиц (все они поглощаются
тонкой алюминиевой фольгой) и, во-вторых, на отдельные
тонкие и длинные следы, которые оставляют в камере
прогоны, вылетающие из алюминиевой мишени при ее
бомбардировке альфа-частицами. На классной доске записывают
уравнение ядерной реакции:
Al?37+He24=Sl?S+Hi.
В этом опыте вместо алюминия можно взять парафин.
После демонстрации опыта учащимся показывают кщюколь-
цовку «Камера Вильсона».
Успех описанных опытов зависит главным образом
от герметичности камеры. Герметичность обеспечивается
затяжкой болтов, исправностью резиновых прокладок, а также
плотным соединением резиновой трубки с камерой и грушей.
Вместо чистого спирта лучше применять смесь из 50%
спирта, 25% ацетона и 25% воды. В этом случае фон тумана
почти полностью отсутствует и следы ионизирующих частиц
видны более отчетливо,
ОПЫТ
Счетчик ионизирующих частиц
Оборудование: I) демонстрационный счетчик ионизирующих
частиц со счетной трубкой СТС-6 или СТС:8', 2) лабораторный счетчик
ионизирующих частиц, 3) усилитель низкой частоты демонстрационный,
4) динамический громкоговоритель 1ГД-5 на подставке, 5) выпрямитель
ВУП-1, 6) радиоактивный препарат от спинтарископа, 7) провода
соединительные.
Собирают установку по рисунку 454. На вход усилителя
низкой частоты включают счетную трубку, укрепленную на
демонстрационной панели, а на выход — динамический
громкоговоритель. Счетчик и усилитель питают от универсального
выпрямителя, причем на счетчик подают регулируемое в
пределах от 0 до 450 в постоянное напряжение (соединяют
последовательно зажимы, с которых снимаются постоянное
напряжение 350 в и регулируемое напряжение (0±100 в), а на
усилитель — постоянное напряжение 250 в и переменное 6,3 и.
Электрическую схему установки вычерчивают на классной
доске и разъясняют ее учащимся, причем работу усилителя
низкой частоты не рассматривают. Основное внимание обращают
на устройство, принцип действия и способ включения счетчика.
1 Прибор выпускается со счетной трубкой СТС-8, регистрирующей
только гамма-излучение, трубка же СТС-6 позволяет регистрировать также и
бета-излучение.
28 Заказ № 6047 433
.-Шк

iCTC-S C-6800
Рис. 454. Установка и ее схема для демонстрации действия счетчика нонизи^
рующих частиц.
Счетная трубка представляет собой стеклянный или
металлический баллон цилиндрической формы с двумя
электродами (рис. 455), Катодом является либо металлический баллон,
либо проводящий слой, нанесенный на внутреннюю
поверхность стеклянного баллона. АноДом служит небольшая тонкая
металлическая проволока, натянутая вдоль оси баллона.
Внутреннее пространство баллона заполнено специальной
газовой смесью (аргон и пары спирта), находящейся под
давлением порядка 100 мм рт. ст.
Напряжение на электродах счетчика выбирается такой
величины, чтобы в сильном неоднородном поле вблизи нити могла
возникнуть ионизация газа ударом электронов.
При попадании в счетчик ионизирующей частицы
происходит первичная ионизация газа.
В результате последующей
ионизации ударом ток в
счетчике резко возрастает. Этот ток,
проходя через высокоомный
резистор, создает на последнем
значительные импульсы
напряжения, которые через
разделительный конденсатор поступают
на вход усилителя низкой
частоты. После усиления они
воспроизводятся громкоговорителем в
виде громких щелчков.
Благодаря специальному под*
бору состава газа («гасящая»
Рис. 455. Счетчик Гейгера—
Мюллера (общий вид и
разрез):
/ — металлическая нить; 2 —
металлическое покрытие внутри
стеклянной трубки; 3 и 4 —
изолированные концы нити; S — контакты;
6 =- проводник.
434
смесь) возникший самостоятельный разряд прекращается.
Образовавшиеся ионы в течение очень „короткого времени
(порядка Ю-3—Ю-4 сек) нейтрализуются на электродах, и
счетчик оказывается готовым к регистрации новой частицы.
С подготовленной установкой демонстрируют следующие
опыты.
1. Обнаружение космического фона
На счетчик подают постоянное напряжение порядка 350—
380 ;в. Радиоактивный источник удаляют возможно дальше
от счётчика и, несмотря на это, громкоговоритель
воспроизводит редкие щелчки. Они возникают в результате попадания в
счетную трубку космических лучей и незначительных
радиоактивных излучений окружающих тел. Число импульсов,
регистрируемых счетчиком в течение одной минуты, называют
естественным фоном.
2. Регистрация радиоактивных излучений
К счетной трубке подносят спинтарископ, причем линзу
предварительно вывертывают. Частота щелчков резко
увеличивается. Это объясняется действием на счетчик бета-частиц
и гамма-лучей (альфа-частицы данным счетчиком не
регистрируются) .
3. Работа счетчика в различных областях напряжения
Около счетчика устанавливают радиоактивный препарат от
спинтарископа. Напряжение на счетчике плавно и медленно
увеличивают от 0 до 380 в и демонстрируют три области
работы счетчика.
..,..." а) Область низких напряжений
При низких напряжениях, порядка 200—300 в, счетчик
работает как ионизационная камера. Первичные ионы,
возникающие в счетчике под действием ионизирующих частиц,
движутся к электродам со скоростями, недостаточными для
ионизации ударом, и образуют очень слабые импульсы тока,
которые не регистрируются.
б) Пропорциональная область
Напряжение на счетчике очень плавно увеличивают до тех
пор, пока громкоговоритель не начнет издавать слабые
щелчки. В этом случае напряженность электрического поля около
нити счетчика становится достаточной для возникновения
ионизации ударом, в результате чего разряд в счетчике
приобретает лавинный характер. Число ионов резко возрастает и
28* 43S
Ж

импульсы тока после усиления регистрируются
громкоговорителем в виде слабых и редких щелчков различной
громкости. При этом напряжении величина импульса
пропорциональна числу ионов, образующихся при первичной ионизации, и
можно легко различать частицы, производящие неодинаковую
ионизацию.
в) Область Гейгера
При дальнейшем увеличении напряжения заметно
увеличивается частота и громкость импульсов, причем
пропорциональность между величиной импульса и первичной ионизацией
нарушается: все импульсы становятся одинаковыми.
При неизменном напряжении производят подсчет
импульсов два раза в течение одинаковых промежутков времени и
обнаруживают несовпадение результатов счета. Это объясняют
случайным характером радиоактивного распада.
Для подготовки к выполнению в практикуме лабораторной
работы «Изучение радиоактивных излучений при помощи
газоразрядного счетчика» учащихся знакомят с устройством и
действием лабораторного счетчика (рис. 456).
С прибора снимают крышку и показывают основные части:
самогасящуюся счетную трубку типа СТС-5, преобразователь
напряжения с выпрямителем и источник питания (батарея для
карманного фонаря); Индикатором счета служат высокоомные
головные телефоны.
Преобразователь напряжения содержит генератор
переменного тока, собранный на транзисторе. Напряжение
получаемого переменного тока повышается до 400 в при помощи
трансформатора. Повышенное напряжение выпрямляется с
помощью двух полупроводниковых диодов и подается на
счетчик. Преобразователь включается с помощью кнопки,
расположенной на тыльной стороне футляра. Схему прибора и
более подробное описание его устройства можно найти в
методической литературе'.
Для демонстрации действия счетчика его выходные гнезда,
предназначенные для включения телефона, соединяют с входом
Рис. 456. Лабораторный счетчик ионизирующих частиц.
г- „„! См': В' А БУР°В> А- А- Покровский. Школьный лабораторный
счетчик ионизирующих частиц. «Физика в школе», I960, № 2. "ииратирныи
436
усилителя низкой частоты. Нажимают кнопку и слушают
громкий звук с частотой 500—1000 гц, который создает генератор
преобразователя.
Через 3—5 сек кнопку отпускают и слушают отдельные
щелчки. Это счетчик регистрирует ионизирующие частицы.
Учащимся поясняют, что при выключенном преобразователе
счетчик питается от заряженного конденсатора
сглаживающего фильтра. Продолжительность работы зависит от
интенсивности воздействующего радиоактивного излучения и
составляет несколько минут. При проведении длительных
наблюдений периодически повторяют включение
преобразователя на 2—3 сек.
После демонстрации опыта учащимся показывают кино-
кольцовку «Ионизационная счетная трубка» или начало
второго, фрагмента из кинофильма «Атом и атомное ядро».
ОПЫТ Работа счетчика с пересчетным
182 устройством
Оборудование: 1) демонстрационный счетчик ионизирующих
частиц с, трубкой СТС-6 или СТС-8, 2) радиоактивный препарат от
спинтарископа, 3) усилитель низкой частоты демонстрационный, 4) диод
полупроводниковый Д7Ж на подставке, 5) батарея конденсаторов, 6) неоновая
лампа МН-5 на подставке, 7) громкоговоритель динамический, 8) выпрямитель
ВУП-1, 9), провода соединительные.
Пересчетные устройства применяются для уменьшения
частоты регистрации импульсов, поступающих со счетчика.
В результате применения таких устройств импульсы на
выходе появляются достаточно редко и регистрация их не
представляет затруднений.
Для демонстрации простейшего пересчетного устройства,
выполненного на неоновой лампе, собирают установку по
рисунку 457.- '.-.■■ < ■ ■ ■
■ Счетчик • подключают на вход усилителя низкой частоты.
К крайним зажимам выходного трансформатора подключают
последовательно полупроводниковый' диод, взятый из
демонстрационного комплекта полупроводниковых приборов,
неоновую лампу МН-5 и динамик; параллельно цепи из неоновой
лампы и динамика включают демонстрационную батарею
конденсаторов. Питание счетчика и усилителя осуществляют от
универсального полупроводникового выпрямителя.
При демонстрации опыта подносят к счетчику
радиоактивный препарат от спинтарископа сначала при выключенной
батарее конденсаторов и наблюдают частые вспышки неоновой
лампы и одновременно прослушивают частые щелчки в
громкоговорителе. Затем с помощью коммутатора включают бата-
• 4'37

—er ^ t ' I
Рис. -457. Установка и ее схема для демонстрации пересчетного устройства.
рею конденсаторов, увеличивая скачками ее емкость. При
этом число импульсов, регистрируемых пересчетным
устройством, заметно уменьшается. При емкости батареи в 4 якф
частота следования импульсов уменьшается примерно в 10
раз.
На классной доске вычерчивают схему пересчетного
устройства (см. рис. 457) и объясняют принцип его действия. '
Слабые импульсы от счетчика поступают вначале на
усилитель низкой частоты и после усиления подаются на
пересчетное устройство. Полупроводниковый диод, включенный на
выходе усилителя, пропускает импульсы тока к
конденсатору Сг и в то же время не дает конденсатору разряжаться
через обмотку выходного трансформатора усилителя, так как не
пропускает ток в обратном направлении. Под действием
поступающих импульсов тока конденсатор Са постепенно
заряжается, и когда напряжение на нем сравнивается с
потенциалом зажигания неоновой лампы, последняя вспыхивает.
Конденсатор разряжается через неоновую лампу и динамик до
напряжения погасания неоновой лампы. Громкоговоритель
дает громкий щелчок. Затем процесс повторяется.
Каждому разряду конденсатора соответствует
приблизительно постоянное число первичных импульсов тока,
поступающих со счетчика. Это число называют коэффициентом
пересчета. Коэффициент пересчета при прочих равных условиях
возрастает с увеличением емкости накопительного
конденсатора.
Заметим, что включение громкоговорителя в этом опыте не
является обязательным: счет импульсов можно вести по
вспышкам неоновой лампы.
438
ОПЫТ Принцип действия радиометра
183 и опыты с ним
Оборудование: 1) счетчик демонстрационный с трубкой СТС-б,
2) радиоактивные препараты от спинтарископа и школьной камеры Вильсона.
3) усилитель низкой частоты демонстрационный, 4) диод
полупроводниковый Д7Ж на подставке, 5) батарея конденсаторов, 6) гальванометр
демонстрационный от амперметра, 7) выпрямитель ВУП-1, 8) трансформатор
универсальный, 9) пластинки из различных веществ, 10) свинцовая пластинка
толщиной 2 мм с отверстием, 11) штатив универсальный, 12) провода
соединительные.
Для демонстрации принципа действия радиометра
собирают установку по рисунку 458. На вход усилителя низкой
частоты включают демонстрационный счетчик, а к низкоомному
выходу усилителя (верхние два зажима) подключают
последовательно полупроводниковый диод и батарею конденсаторов
емкостью 40—60 мкф. Параллельно батарее конденсаторов
подключают через резистор сопротивлением 5—10 ком
демонстрационный гальванометр.
По схеме объясняют принцип действия установки (рис. 458).
Конденсатор & и резистор R2 образуют так называемый
интегрирующий контур. Полупроводниковый диод,
включенный на входе этого контура, пропускает импульсы тока на
зарядку конденсатора и в то же время не дает конденсатору
разряжаться, так как не пропускает ток в обратном
направлении. С другой стороны, конденсатор непрерывно
разряжается через резистор R% и гальванометр.
Рис. 458. Установка и ее схема для демонстрации принципа действия
радиометра.
439

По мере накопления заряда на конденсаторе процесс его
зарядки происходит все медленнее, а процесс разрядки все
быстрее. Так продолжается до тех пор, пока на конденсаторе не
установится такое напряжение, при котором скорость заряд-
■ ки станет равна скорости разрядки. С этого момента сила
тока, протекающего через гальванометр, станет неизменной и
будет соответствовать данной частоте поступления импульсов.
Если импульсы станут поступать чаще, то в цепи
гальванометра установится большая сила тока. Наоборот, при
уменьшении частоты поступления импульсов показания
гальванометра также уменьшаются. Таким образом, измеряя средний
установившийся разрядный ток, определяют среднее число
импульсов в единицу времени, т. е. скорость счета.
С подготовленной установкой демонстрируют следующие,
опыты.
1. Обнаружение радиоактивного излучения
К счетчику медленно приближают радиоактивный
препарат от спинтарископа и наблюдают постепенное увеличение
показаний гальванометра. При удалении препарата
показания гальванометра уменьшаются.
2. Сравнение интенсивности излучения двух источников
Два сравниваемых источника, например от спинтарископа
и камеры Вильсона, поочередно подносят на одинаковое
расстояние к счетчику и каждый раз замечают показания
гальванометра. Отношение полученных значений силы тока (за
вычетом начального тока) равно отношению активностей
сравниваемых источников.
3. Поглощение радиоактивного излучения различными
веществами.
Радиоактивный препарат от спинтарископа устанавливают
на таком расстоянии от счетчика, чтобы стрелка
демонстрационного гальванометра отклонилась на полную шкалу.
В пространство между радиоактивным препаратом и
счетчиком вносят поочередно пластинки из различных веществ
(дерево, пластмасса, алюминий и др.) одинаковой толщины.
По показаниям гальванометра судят о различной их
способности поглощать ионизирующее излучение.
Помещая пластинки из одинакового материала, но
различной толщины, демонстрируют зависимость поглощения
излучения от толщины поглощающего слоя. Сообщают учащимся,
что измерение ослабления радиоактивного излучения при про-
440
хождении через вещество лежит в основе действия
многочисленных приборов и установок технологического контроля
(дефектоскопы, плотномеры, толщиномеры и др.).
4. Регистрация различных видов радиоактивного излучения
Разные виды радиоактивного излучения обладают
различной проникающей способностью. Это можно положить в
основу метода отделения одного вида излучения от другого.
Исследуемый источник, например от спинтарископа,
закрывают свинцовой пластинкой толщиной 1—2 мм и подносят к
счетчику. Гальванометр обнаруживает только
гамма-излучение, так как альфа- и бета-частицы задерживаются экраном.
Убирают свинцовую пластинку— показания гальванометра
резко увеличиваются: счетчик стал регистрировать, кроме
гамма-излучения, еще и бета-излучение. Альфа-частицы
обладают очень малой проникающей способностью и данным
счетчиком не регистрируются.
5. Принцип гамма-дефектоскопии
Свинцовую пластину толщиной 1—2 мм, в которой
предварительно сделано отверстие размером 20x10 лш/обертывают
тонкой алюминиевой фольгой и медленно проносят между
спинтарископом и счетной трубкой. По отклонению стрелки
гальванометра определяют место «дефекта» в пластине. Затем
пластинку вынимают из фольги и показывают учащимся.
6. Отклонение бета-частиц в магнитном поле
Счетчик укрепляют за подставку в лапке штатива над
электромагнитом, собранным из железного сердечника от
универсального трансформатора и катушки на 220 в (рис. 459),
Между полюсными наконечниками сердечника оставляют
воздушный 'зазор шириной 1,5—2 см, а внизу, под зазором,
располагают радиоактивный препарат от спинтарископа так,
чтобы он находился на расстоянии примерно 5 см от счетчика.
Источник излучения закрывают свинцовой пластинкой, в
которой сделано отверстие размером 20X10 мм.
При отсутствии тока в обмотке электромагнита счетчик
регистрирует бета- и гамма-излучение, которое свободно
попадает в него через отверстие в свинцовой пластинке и воздушный
зазор сердечника. При этом стрелка гальванометра
отклоняется на несколько делений шкалы.
После включения постоянного тока в обмотку
электромагнита показания гальванометра резко уменьшаются. Это
происходит потому, что бета-частицы отклоняются магнитным полем
и ' ие попадают в счетчик. Слегка передвигая счетчик вперед
441

Рис. 459. Установка для демонстрации отклонения
бета-частиц в магнитном поле.
или назад, можно по показаниям гальванометра отыскать
новое направление движения бета-частиц. При проведении
демонстрации можно также менять направление тока и
определять, в какую сторону должны отклониться бета-частицы, а
затем при помощи счетчика их обнаружить.
В заключение заметим, что описанные выше опыты можно
демонстрировать также на установке, показанной на
рисунке 454. Однако регистрация импульсов на слух менее удобна и
излишне затягивает опыт. •
ОПЫТ Определение направления
184 распространения космических лучей
Оборудование: 1) лабораторные счетчики ионизирующих частиц—
2 шт., 2) усилитель низкой частоты демонстрационный, 3) громкоговоритель
1ГД-5 на подставке, 4) выпрямитель ВУП-1, 5) потенциометр
радиотехнический сопротивлением 1,0—1,5 Мом на подставке, 6) провода соединительные,
7) штатив универсальный.
Направление распространения космических лучей можно
определить с помощью двух счетчиков, если включить их в
электрическую цепь по так называемой схеме совпадений.
Для этого собирают установку по рисунку 460. На стойке
демонстрационного штатива закрепляют на разной высоте два
442
Рис, 460. Установка и схема включения двух счетчиков для демонстрации
направления распространения космических лучей.
лабораторных счетчика так, чтобы нити их счетных трубок
были параллельны. Выходные гнезда счетчиков, предназначенные
для включения телефонов, соединяют последовательно и
подключают к входным зажимам усилителя низкой частоты. К
усилителю подключают еще громкоговоритель и универсальный
полупроводниковый выпрямитель. Зажимы выпрямителя, с
которых снимается регулируемое постоянное напряжение,
соединяют через реостат сопротивлением 1,0—1,5 Мом с
входными зажимами усилителя, причем зажим, обозначенный
знаком «—», соединяют с выводом сетки входной лампы, а зажим
со знаком «-4-»—с выводом катода этой лампы.
Схему включения счетчиков (см. рис. 460) вычерчивают на
классной доске и объясняют учащимся.
Выпрямитель включают в сеть и приступают к
демонстрации опыта.
У каждого счетчика включают на 2—3 сек генератор
преобразователя тока. В результате счетчики приходят в действие
и начинают регистрировать пролетающие через них
космические частицы. При этом на вход усилителя с каждого
счетчика начинают поступать положительные импульсы напряжения.
Если на сетку входной лампы напряжение смещения не подано,
то все импульсы проходят через усилитель и регистрируются
громкоговорителем в виде громких щелчков.
443

Затем плавно увеличивают напряжение отрицательного
смещения на входе усилителя. Входная лампа постепенно
запирается и перестает пропускать, приходящие импульсы. При
этом щелчки в громкоговорителе стихают. Напряжение
смещения подбирают немного меньше амплитудного значения
напряжения приходящих импульсов, чтобы они все же
прослушивались в виде тихих щелчков. Однако, если одна и та же,
космическая частица пройдет оба счетчика, импульсы
складываются и регистрируются в виде одного громкого щелчка. При
этом можно сделать заключение, что соответствующие
космические лучи приняты с направления, указываемого плоскостью,
проходящей через счетные трубки обоих счетчиков.
Устанавливая стойку штатива под разными углами к вер-,
тикали, находят опытным путем такое положение
«космического пеленгатора», при котором громкие щелчки на выходе
усилителя прослушиваются наиболее часто.
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК НОВЫХ И РЕКОНСТРУИРОВАННЫХ
ПРИБОРОВ И ПРИСПОСОБЛЕНИЙ,
ОПИСАННЫХ В ЭТОМ ПОСОБИИ
ВВЕДЕНИЕ
1. Высоковольтный выпрямитель (осваивается промышленностью).
2. Усилитель к демонстрационному гальванометру (осваивается
промышленностью).
3. Демонстрационный зеркальный гальванометр (утвержден для
промышленного изготовления).
4. Осветитель с ртутной лампой типа ПРК-4 (осваивается промышлен-.
иостью).
5. Дроссель для зажигания ртутной лампы (самодельный).
ГЛАВА I
6. Насадка, врашаюшаяся на острие, для опытов по электростатике
(самодельная).
7. Проводник с неоновой лампочкой на изолирующей ручке для
опытов по электростатике (самодельный).
8. Гальванический элемент демонстрационный (осваивается
промышленностью) .
9. Термопара демонстрационная (самодельная).
10. Сетка металлическая к электрометру для демонстрации
экранирования проводника (самодельная).
П. Электроды для демонстрации спектров электрического поля
(самодельные).
12. Три проводящих шарика одинакового размера на изолирующих
ручках (один из них легкий) для демонстрации закона Кулона (осваиваются
промышленностью).
ГЛАВА II
■13. Прибор для демонстрации вращения проводника с током вокруг
магнита (самодельный).
14. Прибор для демонстрации взаимодействия параллельных токов
(самодельный) .
15. Зонд для исследования магнитного поля (осваивается
промышленностью).
16. Модель строения магнита (осваивается промышленностью).
17. Катушка для демонстрации скачков намагничивания железа
(самодельная).
18. Электроннолучевая трубка демонстрационная (осваивается
промышленностью).
19. Модель телефонной трубки демонстрационная (самодельная).
445

ГЛАВА III f
20. Универсальное электронное реле с приспособлением для воспроизве-|
денпя звука с киноленты (осваивается промышленностью). |
21. Генератор электрических релаксационных колебаний (самодельный),!
22. Приспособление для демонстрации движения ионов в электрическом
поле (самодельное). I
23. Прибор для демонстрации искровой обработки металлов (осваивая
ется промышленностью). ;|
ГЛАВЫ IV и V
24. Прибор для демонстрации принципа действия спидометра и изучения'!
вихревых токов (осваивается промышленностью). |
25. Модель электрического звонка переменного тока (самодельная). |
26. Катушка для демонстрации поверхностного эффекта при прохожде-|
нии токов высокой частоты (осваивается промышленностью). \
27. Скоба с зажимом для развертывания петлевого контура в излучаю-'^
щий диполь при демонстрации электромагнитных волн (самодельная). :
ГЛАВЫ VI и VII
28. Прибор для демонстрации полос интерференции, состоящий из приз^
мы и плоской пластинки в оправе (самодельный).
29. Прибор для демонстрации смещения полос интерференции при иа-
гревании (самодельный).
30. Щели для демонстрации механической модели поляризации волн
(самодельные).
31. Фотометр демонстрационный (самодельный).
32. Ванна для опытов по оптике (самодельная).
33. Линзы наливные двояковыпуклая и двояковогнутая (осваиваются
промышленностью).
ГЛАВЫ VIII и IX
34. Горелка для получения пламени, окрашенного парами натрия, и
демонстрации спектра поглощения (самодельная).
35. Комплект оборудования для опытов с инфракрасными лучами
(осваивается промышленностью).
36. Счетчик фотонов (самодельный).
37. Комплект приборов для воспроизведения звука с киноленты
(утвержден для промышленного изготовления).
ЛИТЕРАТУРА
Брегг У. Г. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967.
Буров В. А. и др. Демонстрационные опыты по физике в -VI—VII
классах средней школы. М., «Просвещение», 1970.
Буров В. А. Методика изучения полупроводников в школе. М.,
«Просвещение», 1965.
Г а л а и и н Д. Д., Г о р я ч к и н Е. Н. и др. Физический эксперимент в
школе, т. III. M„ Учпедгиз, 1954.
Г а л а и и н Д. Д., Горячки н Е. Н. и др. Физический эксперимент в
школе, т. VI. М., Учпедгиз, 1941.
Горячкии Е. Н., Орехов В. П. Методика и техника физического
демонстрационного эксперимента в восьмилетней школе. М.,
«Просвещение», 1964.
Жерехов Г. И. Политехническое обучение в демонстрационных опытах.
М., Учпедгиз, 1957.
Зворыкин Б. С. Электромагнитные колебания и волны в курсе
физики средней школы. М., изд-во АПН РСФСР, 1955.
Знаменский П. А. Вопросы волновой теории света в курсе физики
средней школы. М., изд-во АПН РСФСР, 1954.
. Кузьмин А. П., Покрове кий А. А. Опыты по физике с проекци-
%ан<>й аппаратурой, изд. 2. М., Учпедгиз, 1962.
Малышев И. М. Волновые и квантовые свойства света. М.,
Учпедгиз, 1957.
Огороди иков Ю. Ф. и др. Демонстрационные опыты по оптике н
строению атома. М„ «Просвещение», 1967.
Орлов П. П. Самодельная электронная аппаратура и опыты с ие».
М, Учпедгиз, 1960.
Пинскнй А. А. Изучение переменного тока в курсе физики средней
школы, под ред. Л. И. Резникова. М„ изд-во АПН РСФСР, 1958.
Покровский А. А. и др. Физический эксперимент в школе.
Электроника, полупроводники, автоматика. М., «Просвещение», 1964.
Ушаков М. А. К изучению законов электромагнитного поля. М.,
Учпедгиз, 1953.
Ш а х м а е в Н. М„ Каменецкий С. Е. Демонстрационные опыты по
электричеству. М., Учпедгиз, 1963.
Шпрокхоф Г. Эксперимент по курсу элементарной физик», под р«Д.
пвоф. П А. Зиаменского и проф П. А. Ры.мкевича. М., Учпедгиз, % % 1У»П
ч. 6, I960.

I
I
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .............. 3
Введение. .. , . . . . . , . . . . .6
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Глава I. Электростатика. Постоянный ток ......... 22
§ 1. Электрические заряды ..........—
§ 2. Электрическое поле ............ 33
§ 3. Законы постоянного'тока .......... 4(>
Глава 11. Магнитное поле 69
§ 1. Магнитное поле тока ...........—
§ 2. Магнитные аюйетва вещества ......... 85
§ 3. Применение магнитов и электромагнитов ....... 101
Глава III. Основы электроники .......... 113
§ I. Электронные явления в вакууме . г ....... —
§ 2. Электрические свойства полупроводников , 150
§ 3. Электрический ток в электролитах ....... 4 204
§ 4. Электронные явления в газах ........ & 214
Глава IV. Электромагнитная индукция. Переменный ток . . . . ,231
§ I. Электромагнитная индукция t _
§ 2. Актившое н реактивное сопротивление в цепи переменного тока . , 246
§ 3. Приборы переменного тока ......... 261
Глава V. Электромагнитные колебания и волны ....... 274
§ 1. Электромагнитные колебания. Токн высокой частоты , —
§ 2. Электромашитные волны ......... 4 289
ОПТИКА И ФИЗИКА АТОМА
Глава VI. Волновые свойства света .....>»... 306
5 1. Интерференция света ........... —
§ 2. Дифракция света .......... s 321
§ 3. Поляризация света .......... f 331
Глава VII. Фотометрия. Оптические приборы ...... 343
§ I. Законы освещенности . . . . . . . . . . , —
§ 2. Преломление света ,354
§ 3. Оптические приборы . . . . . . . . . . ,371
Глава VIII. Дисперсия света .......... s 380
§ 1. Виды спектров. Спектроскопия . . —
§ 2. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения . . . . . ,391
Глава IX. Квантовые свойства света. Физика атома . . . . . .401
§ I. Кванты света. Фотоэлектрический эффект ......—
§ 2. Химическое действие света. Люминесценция ...... 418
§ 3. Способы регистрации заряженных частиц ...... 423
Приложение, . . . . , . ,445
Редактор Л. Л. Величко. Художник Б. Л. Николаев. Художественный редактор
Г. А. Жегин. Технический редактор Л. Я. Медведев. Корректор К. А. Иванова.
Слано в набор 4/1 1972 г. Подписано к печати 267VI 1972 г. бОХЭО'Ле. Бумага
типографская № 2. Печ. л. 28.0. Уч.-изд. л. 28.34. Тираж 100 тыс. экз. А 07267. Заказ Ш 6047.
Издательство «Просвещение» Комитета по печати прн Совете Министров РСФСР.
Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41
Типография им. Смирнова Смоленского облуправления по печати,
». Смоленск, пр. им. Ю. Гагарина, 2. Цена без переплета 77 к., переплет 13 к.