Оптимизация визуализации показаний стрелочных гальванометров в школьном физическом эксперименте

В методологии и практике современного школьного физического эксперимента ключевое значение имеет наглядность. Одним из фундаментальных измерительных приборов в физической лаборатории является магнитоэлектрический гальванометр. Однако классические демонстрационные стрелочные гальванометры, применяемые в средней школе, обладают выраженным техническим противоречием: они оказываются недостаточно чувствительными для целого ряда важных демонстрационных опытов.

Создание прибора высокой чувствительности с крупной, а следовательно, и весьма массивной стрелкой, показания которой были бы отчетливо видны всем учащимся из любого конца аудитории, невозможно в силу механических и электродинамических ограничений (увеличение момента инерции подвижной части резко снижает чувствительность и быстродействие подвижной системы). Тем не менее, обеспечение нормативной видимости шкалы и стрелки измерительного прибора достижимо сравнительно простыми оптико-методическими способами.

Методы проекционной визуализации шкал демонстрационных приборов. Широкий спектр методов улучшения визуализации предложен в классических трудах по учебной физике. В частности, немецкий физик Роберт Влихтельм Поль в фундаментальном руководстве «Введение в изучение электричества» рекомендовал применение специального типа стрелочного гальванометра с прозрачной шкалой.

Рис. 127. Гальванометр с прозрачной шкалой и проекционной системой по Р. В. Полю.

В данной схеме прозрачная шкала и стрелка при помощи оптического проекционного фонаря проектируются непосредственно на демонстрационный экран, что позволяет получить крупномасштабное изображение измерительной системы.

Развитие данного подхода нашло отражение в отечественной методике преподавания. В Институте методов обучения научным сотрудником А. Г. Дубовым была разработана оригинальная конструкция демонстрационного стрелочного гальванометра, позволяющего получить ясно видимое динамическое изображение шкалы и подвижной стрелки без полного затемнения учебной аудитории.

Рис. 128. Внешний вид демонстрационного проекционного гальванометра А. Г. Дубова (вариант 1).

Рис. 129. Альтернативное конструктивное оформление проекционного гальванометра А. Г. Дубова (вариант 2).

Конструктивные особенности и оптическая схема проекционного гальванометра. Рассматриваемый гальванометр при едином принципе устройства выпускался в двух различных конструктивных оформлениях. Базовыми узлами прибора являются:

1. Измерительный механизм магнитоэлектрической системы с поворачивающейся катушкой (типа М-110);
2. Проекционный фонарь упрощенного типа.

Рис. 131. Устройство проекционного стрелочного гальванометра.

Физико-оптическая схема функционирования установки состоит в следующем. Источник света — автомобильная лампа накаливания (напряжение U = 6 В) F, излучающая световой поток, который проходит через оптический конденсор E. Данная система служит для равномерного освещения прозрачной шкалы D и подвижной стрелки C измерительного блока магнитоэлектрического прибора A.

Питание лампы F осуществляется от стандартной сети переменного тока через специальный понижающий трансформатор, интегрированный непосредственно в корпус прибора.

Деления шкалы D и стрелка C проектируются на внешний экран посредством фокусирующего объектива O. Плоское поворотное зеркало Z, устанавливаемое под определенным углом, позволяет при расположении гальванометра на демонстрационном столе получать четкую проекцию над классной доской на вертикальном экране (в качестве которого может использоваться обычный лист белой плотной бумаги).

Данный гальванометр, серийно выпускавшийся предприятием Главучтехпром, является универсальным измерительным прибором. Подвижная катушка гальванометра содержит две независимые обмотки:

- Низкоомная обмотка (электрическое сопротивление R₁ = 0,8 Ом);
- Высокоомная обмотка (электрическое сопротивление R₂ = 200 Ом).

Обмотки подключаются к внешней цепи через соответствующие контактные клеммы. Дополнительно к гальванометру прилагается калиброванный термоэлемент (термопара), что позволяет использовать установку в качестве демонстрационного пирометра для бесконтактного и контактного измерения температур.

Рис. 132. Специализированные термоэлементы для стрелочного демонстрационного гальванометра.

Применение термоэлектрического эффекта в сочетании с проекционной системой существенно расширяет методический потенциал физического эксперимента.

Панорамный способ повышения видимости показаний. При отсутствии полного комплекта проекционной оптики достаточно качественные результаты повышения визуализируемости дает панорамный способ. В данном случае шкала стрелочного прибора наносится на матовое стекло.

В более простом исполнении шкала фотографируется для изготовления диапозитива (транспаранта). Полученный диапозитив заклеивается со стороны защитного стекла (но не со стороны фотоэмульсии!) тонкой восковой бумагой или калькой, выполняющей роль светорассеивающего транспаранта.

Если с тыльной стороны подобной просветной шкалы разместить источник света (электрическую или керосиновую лампу), а с лицевой стороны — короткофокусную линзу (например, конденсорную линзу от стандартного школьного проекционного фонаря), то формируется мнимое увеличенное изображение делений шкалы и стрелки. Оно отчетливо наблюдается учащимися даже в условиях естественной освещенности класса.

Классификация основных опытов с чувствительным гальванометром. Все ключевые демонстрационные опыты, требующие высокой sensitivity (чувствительности) измерительных приборов, по своим физическим характеристикам и параметрам входного сопротивления разделяются на две фундаментальные группы:

1. Опыты, требующие высокой чувствительности по току. Для данной категории демонстраций необходим гальванометр с большим внутренним сопротивлением (Rвн ≫ 0). К этой группе относятся:

- Регистрация слабых токов от электростатической машины (генератора Ван де Граафа или Умшоффа);
- Измерение разрядного тока конденсатора малой емкости;
- Демонстрация законов внешнего фотоэффекта и измерение фототока.

2. Опыты, требующие высокой чувствительности по напряжению. Для этой группы опытов необходим прибор с минимальным внутренним сопротивлением (Rвн → 0). К ним относятся:

- Обнаружение термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) и термотока при механическом ударе по спаю термоэлемента (прямая демонстрация перехода механической энергии в тепловую);
- Регистрация инфракрасного излучения от нагретых тел и анализ инфракрасной области спектра с помощью термостолбика;

- Опыты с термокрестами;
- Демонстрация явления электромагнитной индукции при перемещении прямого проводника в постоянном магнитном поле;
- Регистрация индукционных токов в земном магнитном поле (опыт с вращающейся рамкой или проводником).

Методическое резюме. Из приведенной классификации следует, что традиционная методика требует наличия в кабинете физики двух отдельных зеркальных гальванометров — с малым и большим внутренним сопротивлением. Однако применение описанного выше проекционного стрелочного гальванометра с двухслайдовой двухпроводной катушкой (низкоомной и высокоомной обмотками) позволяет полностью удовлетворить потребности учебного процесса и ограничиться установкой всего одного универсального прибора.

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.