Методика применения гидро- и аэродинамических аналогий в физике

В процессе преподавания фундаментальных разделов физики ключевое место занимает формирование у учащихся наглядных физических моделей. При изложении учения об электричестве эффективным педагогическим приемом является применение гидродинамических и аэродинамических аналогий. Их использование целесообразно и обоснованно не только на первой, но и на второй ступени школьного и вузовского курсов физики, поскольку оно позволяет перевести абстрактные понятия прохождения электрического тока на язык наглядных механических явлений.

При введении наглядных аналогий методически неверно полагаться лишь на имеющиеся знания учащихся о законах течения жидкости и газа, ограничиваясь простым вычерчиванием схем на доске. Безусловно, необходимо демонстрировать действующие экспериментальные установки, показывающие непрерывный поток жидкости или циркуляцию воздуха. Многие из применяемых гидро- и аэродинамических моделей сами по себе представляют собой довольно сложные физические системы, требующие предварительного детального разбора и глубокого изучения.

Однако при демонстрации подобных физических моделей педагог должен всегда подчёркивать их относительность и условный характер. С физической точки зрения наиболее правомерна и строга аналогия постоянного электрического тока с установившимся постоянным потоком жидкости или газа, текущего по изолированным трубам. В рамках данной физической модели устанавливаются следующие строгие соответствия:

- Электрическое напряжение (U) аналогизируется разности гидростатического давления или напору (Δp);

- Сила электрического тока (I) соответствует расходу жидкости или газа — их количеству (Q), протекающему через поперечное сечение трубопровода в единицу времени (Δt);

- Электрическое сопротивление (R) уподобляется внутреннему трению (вязкости) рабочей среды и ее внешнему трению о внутренние стенки трубопровода.

Кроме того, весьма интересные и продуктивные аналогии возможны для демонстрации физических процессов в электрических цепях с емкостью и индуктивностью, позволяющие наглядно проиллюстрировать явления электрического резонанса и колебательных процессов.

Гидродинамическое моделирование электрической цепи. Наиболее распространенной и простой в демонстрационном отношении является классическая гидравлическая установка.

Рис. 86. Простейшая гидродинамическая модель перетекания жидкости

В состав простейшей установки (Рис. 86) входят две банки А и В с тубусами, соединённые между собой гибкой резиновой трубкой с пережимным устройством. В такой системе разность уровней жидкости (Δh) уподобляется разности потенциалов (Δφ), а количество перелившейся воды — протекающему электрическому заряду (q). Учитывая время протекания процесса, вводится базовое понятие о силе электрического тока.

Данная простейшая гидродинамическая схема оказывается весьма полезной при изучении электростатики и процессов разрядки конденсатора. Однако как аналогия гальванической цепи постоянного тока эта установка принципиально непригодна, так как:

1. Она не содержит ярко выраженного аналога генератора электрического тока (источника эдс);
2. Она не дает учащимся представления о замкнутой электрической цепи, работающей в непрерывном стационарном режиме.

Рис. 87. Гидродинамическая модель замкнутой цепи с насосом

Для устранения этих недостатков используется более совершенная гидродинамическая аналогия замкнутой цепи (Рис. 87). В эту демонстрационную установку в качестве «генератора» введён водяной насос С, работающий непрерывно. Насос создает постоянную разность давлений и поддерживает непрерывную циркуляцию жидкости по замкнутому контуру, что идеально соответствует поведению источника сторонних сил в реальной электрической цепи.

Аэродинамическая модель замкнутой электрической цепи. С дидактической точки зрения ещё более удачной и наглядной, чем гидравлическая, является аэродинамическая модель цепи (Рис. 88).

Рис. 88. Аэродинамическая аналогия замкнутой электрической цепи

Рис. 89. Схема электрической цепи, изображённая по аналогии с рис. 88

Для сборки и демонстрации действующей аэродинамической установки необходимо использовать качественный воздушный насос А (вращающуюся воздуходувку, насос Комовского или ручной насос Шинца), приводимый в движение от руки или электрического мотора. Насос дает возможность перекачивать воздух из одного конца замкнутой системы стеклянных и резиновых трубок в другой, заставляя воздушный ток циркулировать по всей цепи.

В качестве нагрузки и потребителя энергии применяется специальная воздушная турбина В со прозрачной стеклянной стенкой, которая уподобляется приёмнику электрической энергии (электродвигателю). При работе воздушного насоса турбина приходит во вращение, наглядно демонстрируя превращение кинетической и потенциальной энергии «воздушного тока» в механическую работу. Роль выключателя цепи исполняет зажим Мора К, пережимающий резиновую трубку.

Для контроля параметров газового потока в схему могут монтироваться ртутный манометр, стеклянные тройники и регулировочные зажимы.

Методика проведения демонстрационного эксперимента. Для достижения максимального обучающего эффекта параллельно с аэродинамической установкой необходимо демонстрировать реальную электрическую цепь (Рис. 89), составленную из следующих элементов:

- Батарея аккумуляторов или динамо-машина А (источник тока);
- Однополюсный выключатель К;
- Действующая модель электродвигателя В (приёмник энергии).

Демонстрационный эксперимент рекомендуется проводить по следующему методическому алгоритму:

1. Создание разности давлений и потенциалов. При закрытом зажиме К приводят в действие воздушный насос А и с помощью ртутного манометра фиксируют возникающую разность давлений. Вслед за этим аналогичные действия повторяют на электрической установке: размыкают выключатель К и вольтметром измеряют электродвижущую силу (ЭДС) источника. На данном этапе вводятся понятие о ключевой роли генератора тока, формируются понятия о полярности полюсов («плюс» и «минус») и наличии сторонних сил.

2. Замыкание цепи и передача энергии. Открывают зажим К на аэродинамической модели, в результате чего поток воздуха приводит во вращение турбину В. Замыкают выключатель К в электрической цепи, наблюдая запуск и непрерывную работу электродвигателя. На этом этапе преподаватель подробно объясняет учащимся функциональное назначение приёмника энергии и выключателя, а также вводит физические понятия силы тока (I) и закона сохранения энергии в неразветвлённой замкнутой цепи.

Систематическое применение рассмотренных моделей позволяет сформировать у учащихся глубокие физические ассоциации и существенно облегчает последующий переход к изучению закона Ома для полной цепи и других сложных разделов электродинамики.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.