Изготовление действующей модели генератора Ван-де-Граафа с целью более глубокого изучения электричества на уроках физики в рамках профильного обучения предмета

Автор: Гусева Кристина Сергеевна

Организация: МБОУ СОШ №50

Населенный пункт: г.Пенза

Введение

В современном мире повсеместно применяется электричество и с каждым днем область его применения стремительно увеличивается. Для современного человека достаточно важно понимать откуда и как берется электричество, как его можно создать, откуда получить и как с ним обращаться. Все это можно объяснить с помощью законов физики.

Одним из главнейших методов познания в физике является научный метод. Наблюдения позволяют нам накапливать фактический материал. Для того, чтобы разобраться в этом, нам необходимо рассуждать, выдвинуть гипотезу, то есть предположение.

Особенность такой науки, как физика заключается в том, что для сравнения наблюдений или же полученных результатов необходимо прибегнуть к эксперименту, в ходе которого мы можем получить более точные числовые значения.

Курс обучения в преподавании физики научного знания происходит от ключевых фактов к определению проблемы, впоследствии следует выдвижение предположения, постановка моделей и заключения, после которого важна проверка обретенных значений. Главное показать ученикам значимость совместной практики как основы знаний, показать значимость модели в эксперименте, важность верности выводов, указать учащимся какое особое место занимает практика как аспект знаний. Одним из примеров применения эксперимента на уроках по физике является исследование с генератором Ван-де-Граафа. Чтобы более подробно рассмотреть, какие именно эксперименты можно провести с генератором Ван-де-Граафа, нужно достаточно хорошо изучить раздел “Электродинамика” в 10-11 классах.

Электродинамика - это раздел физики в котором рассматривается электромагнитное поле, его взаимодействие с телами имеющими электрический заряд. Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение, электрический ток и его взаимодействие с электромагнитным полем.

В 10-м классе в разделе «Электродинамика» по учебнику «Физика. 10 класс: базовый уровень/ Г. Я. Мякишев» предстоит изучить следующие главы: «Электростатика», «Законы постоянного тока» и «Электрический ток в различных средах».

В 11-м классе в разделе «Электродинамика» по учебнику «Физика. 11 класс: базовый и профильный уровень/ Г. Я. Мякишев» предстоит изучить главы: «Магнитное поле» и «Электромагнитная индукция».

Актуальность исследования данной работы заключается в том, что электричество в наше время используется везде и количество областей употребления его с каждым годом только увеличивается, для современного человека безгранично важно понимать откуда электричество можно извлечь, как с ним обращаться и откуда оно берется.

Цель исследования: создание действующей модели генератора Ван-де-Граафа своими руками для использования на уроках и факультативах по физики при углубленном изучении раздела «Электродинамика», а также разработка рекомендаций по изготовлению реально действующей модели.

Задачи:

1. Рассмотреть методику использования учебного физического эксперимента из курса «Электродинамика» на уроках по физике.
2. Исследовать методику факультативных занятий по физике, как способ углубленного изучения предмета.
3. Изучить принцип работы генератора Ван де Граафа и выбрать наиболее подходящую конструкцию для изготовления модели. Подобрать необходимые материалы и инструменты для создания модели генератора.
4. Разработать подробную инструкцию по изготовлению модели генератора Ван-де-Граафа
5. Разработать конспект урока по теме “Электрическое поле. Напряженность электрического поля” для 10 класса с демонстрацией экспериментов на самодельном генераторе Ван-де-Граафа.

Объектом исследования является изготовка реально действующей модели генератора Ван-де-Граафа.

Предмет исследования: разработка конспекта урока из раздела «Электродинамика» по теме “Электрическое поле. Напряженность электрического поля” для 10 класса с использованием самодельного действующего генератора Ван-де-Граафа.

Гипотезой моего исследования является предположение, что вполне реально создать самодельную действующую модель генератора Ван-де-Граафа для углубленного изучения электричества на уроках и факультативах по физике.

 

Глава 1. Методика организации деятельности учащихся при углубленном изучении раздела “электродинамика”

1.1 Значение демонстрационных опытов на уроках в средних и старших классах

Правильно проведенные демонстрации по физике с соответствующими пояснениями позволяют учащимся наблюдать изучаемые физические явления, процессы и закономерности, а не только отдельные устройства, предметы, детали и т.п., прикрепленные к специальным нагрузкам.. Все это запечатлевается у учащихся в виде различных представлений и относительно легко распределяется в памяти в отношении определенных конкретных образов, остающихся после каждого опыта.. Кроме того, демонстрации показывают учащимся на сколько важно быть более сосредоточенными и внимательно наблюдать под непосредственным руководством преподавателя. В явлениях внешнего мира они учат искать источник познания в физике через опыты и эксперименты. Наконец, хорошо спланированные демонстрационные эксперименты прививают учащимся живой и легко поддерживаемый интерес к физике.

Различные физические понятия, усвоенные учащимися в результате организованных наблюдений на уроке, и возникающий из них интерес к физике обеспечивают правильное обучение.. Они позволяют и естественно перейти от представлений о простейших явлениях, физических величинах, методах измерения, отдельных приборах, установках и т. д. к основным физическим понятиям.. По другим предметам (лабораторная работа, решение задач, исследование) эти понятия устанавливаются, развиваются и углубляются на протяжении всего периода обучения. Между ними постепенно устанавливаются связи и зависимости, т.е.. Студенты естественным образом тяготеют к изучению физических законов и теорий — реальному, глубокому знанию предмета.

1.2 Особенности организации учебного процесса при углубленном изучении раздела “электродинамика” в старшей школе

Курс “Электродинамика” в старшей школе включает в себя следующие главы: «Электростатика», «Законы постоянного тока», «Электрический ток в различных средах», «Магнитное поле» и «Электромагнитная индукция».

Изучение раздела “Электродинамика” базового и углубленного уровня в 10-11 классе осуществляется с учетом содержательных межпредметных связей с курсами математики, биологии, химии, географии и технологии.

Ведущая роль в преподавании физики отводится физическому эксперименту. Не исключение и раздел «Электродинамика». Особое внимание стоит обратить при организации учебного процесса для углубленного изучения физики на демонстрационные опыты и эксперименты, которые не мало важны при изучении физики в школе.

В школе физику следует рассматривать как одну из дисциплин, выполняющей не только образовательную, но и развивающую, воспитывающую функцию для учащихся. Важно научить школьников применять основные положения науки для объяснения физических явлений, результатов экспериментов, работы приборов и установок изолированно, что является фундаментальной наукой.

Учителя используют разнообразные подходы и форматы обучения для решения основных образовательных проблем в классе. Учащиеся высоко ценятся за самостоятельную работу, которая предполагает самостоятельное повторение и закрепление основного теоретического материала, лабораторные работы, физические практикумы, практическое применение физики, применение знаний при решении задач, систематизацию знаний.

При изучении электромагнитных явлений широко применяют и аналогии: между гравитационным и электростатическим полями; между электрическим током и потоком жидкости; явлением самоиндукции и инерции; явлением термоэлектронной эмиссии и испарением жидкости.

Таким образом, мы можем достаточно много выделить особенностей при изучение раздела “Электродинамика”, прежде всего это связано с уровнем подготовки обучающихся и непосредственным уровнем лабораторного оснащения школы. Наличие таких различий, безусловно должно учитываться при особенности организации учебного процесса при углубленном изучении раздела “Электродинамика”.

 

Глава 2. Демонстрационные опыты с генератором ван-де-граафа и рекомендации по его использованию на уроках и факультативах по физике.

2.1 разработка рекомендаций для создания и использования модели генератора ван-де-граафа для демонстрации опытов на уроках и факультативах в 10–11 классе

Первоначальный этап подготовки к сборке генератора Ван-де-Граафа заключается в том, что нужно определится со схемой установки. Генератор может быть, как вертикальный, так и горизонтальный. Я выбрала модель в вертикальном положении. Генератор Ван-де-Граафа для получения электрического заряда состоит из металлической сферы, ленты из диэлектрика, которая натянута между двумя роликами, один верхний ролик - диэлектрический, а другой нижний - металлический, соединенный с землей, ручкой для запуска роликов, металлической сферы и металлической щетки, в виде тонких проволок, прикрепленной к сфере.

Для того, чтобы начать сборку генератора Ван-де-Граафа необходимо тщательно подготовиться и определиться с деталями генератора. За основу я взяла детский набор для опытов “Электростанция”, но в ходе сборки поняла, что данную модель из набора нужно совершенствовать, так как для демонстраций на уроках и факультативах нужна более устойчивая модель.

См. приложение

Рисунок 1.1 Детали для сборки генератора Ван-де-Граафа

Сборка генератора Ван-де-Граафа проходила в несколько этапов:

1 этап: сборка основы;

2 этап: сборка нижнего опорного вала;

3 этап: сборка верхнего опорного вала;

4 этап: установка сферы на корпус генератора.

Перейдем к рекомендациям для создания и использования действующей модели генератора Ван-де-Граафа:

1. 1.Сборка основы

1. 1)Для начала необходимо свернуть каркас основы по линиям сгиба или же сделать коробку размером 15х15 см.
2. 2)Соедините все боковые части клеем-пистолетом.
3. 3)С двух боковых сторон вырежите 2 круглых отверстия диаметром 1 см канцелярским ножом.
4. 4)С двух других боковых сторон вырежьте две полоски размером 0,5х5 см.
5. 5)Проверьте, не отходят ли стороны корпуса, ровно ли все стоит(Рис.1.2)

См. приложение

Рисунок 1.2 Корпус генератора в собранном виде

1. 6)Отрежьте кусок алюминиевой клейкой ленты 5х10,5 см. Приклейте его на прямоугольную часть 5х10,5 см.
2. 7) Вставьте в середину корпуса пластину, собранную в пункте 6, алюминиевой стороной вверх.
3. 8)Отрежьте два кусочка алюминиевой клейкой ленты 5х3 см. Приклейте их на выступы пластины, как на рисунке 1.3. Данная пластина будет служить нам заземлением, при работе генератора Ван-де-Граафа.
4. 9)Далее обклейте корпус по всему периметру изолентой, для устойчивости корпуса. (Рис. 1.4)

См. приложение

Рисунок 1.3 Корпус генератора Ван-де-Граафа

1. 10)Корпус генератора готов!

2. Сборка нижнего опорного вала

1. 1)Соберите конструкцию из деревянной ручки, палочки и металлического цилиндра с гайкой. С помощью клея-пистолета соедините деревянную палочку и ручку между собой.
2. 2)Проденьте металлический цилиндр через отверстия в корпусе и наденьте на него 2 канцелярские резинки.
3. 3)Опорный вал готов!

3. Сборка верхнего опорного вала

1. 1)На деревянный цилиндр сверху наденьте пластиковую трубочку и поместите ее в центр
2. 2)Протяните через деревянный цилиндр резинки, так чтобы они оказались на середине пластиковой трубки.
3. 3)В прозрачной пластине сделайте отверстия для соединения.
4. 4)Проденьте концы получившегося вала в отверстия прозрачной пластины.
5. 5)Поместите прозрачную пластину вертикально, растянув резинки и сформировав цилиндр.
6. 6)Закрепите получившуюся часть на корпусе с помощью клея-пистолета, как показано на рисунке 1.7.

См. приложение

Рисунок 1.7 Верхний и нижний ролик генератора

1. 7)Проверните ручку, чтобы убедиться, что верхний ролик плавно вращается. Если конец пластиковой трубки соприкасается с прозрачной пластиной и мешает поворачивать ручку, подрежьте трубочку, чтобы она стала немного короче и не задевала края цилиндра.
2. 8)Сборка верхнего опорного вала завершена!

4. Установка сферы на корпус генератора:

1. Я взяла металлическую сферу. Наверх металлической сферы я прикрепила зеркальные ленты, которые будут служить у меня “султанчиком” в ходе экспериментов.
2. К внутренней поверхности следует прикрепить щетку из металлической проволоки.
3. Надеть сферу на прозрачную пластину, таким образом, чтобы металлическая щетка из проволоки касалась канцелярских резинок верхнего ролика, как на рисунке 1.9.

См. приложение

Рисунок 1.9 Готовый генератор Ван-де-Граафа

Таким образом можно собрать действующий самодельный генератор Ван-де-Граафа для демонстрации опытов и экспериментов в школе по курсу “Электродинамика” в старшей школе для углубленного изучения тем.

Действие данного самодельного генератора могут показать, как образуется электрическое поле и заряд.

Действие генератора основано на электризации движущейся диэлектрической ленты, которая переносит заряды внутрь сферы. Далее заряд накапливается на сфере, отсюда и возникает на сфере заряд.

2.2 ОПЫТЫ С ГЕНЕРАТОРОМ ВАН-ДЕ-ГРААФА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ НА УРОКАХ ФИЗИКИ

При помощи генератора Ван-де-Граафа можно провести достаточно большое количество интересных опытов для изучение раздела “Электродинамика” на уроках физики для старших классов. Я рассмотрела наиболее подходящие опыты для самодельного действующего генератора.

1. 1.Опыт с “султаном”

На верхнюю часть генератора мы прикрепляем устройство под названием “султан” сделанный из тонких зеркальных лент и начнем крутить ручку, набирая заряд на сферу.

Заряд, поступает на тонкие зеркальные ленты, и мы можем наблюдать, как ленты “султана” расходятся поскольку они заряжаются одноименным зарядом, отталкиваясь друг от друга как на рисунке 2.2.

См. приложение

Рисунок 2.2 Опыт с “султанчиком”

1. 2.Опыт с лампочкой

Для данного опыта нам понадобится неоновая лампочка. Для начала мы заряжаем купол генератора Ван-де-Граафа, создавая на нем электрическое поле. Между большим и указательным пальцем руки мы зажимаем пробник с неоновой лампочкой и подносим его к заряженной сфере нашего генератора. Далее мы можем наблюдать, как заряд перейдет с купола на неоновую лампочку, в ходе чего она загорится на некоторое время. (рис. 2.3)

См. приложение

Рисунок 2.3 Опыт с лампочкой

1. 3.Опыт с “Ветряной мельницей”

Для следующего опыта нам понадобится “Ветряная мельница”, сбалансированная на игле. Мы помещаем ее на сферу генератора. При помощи ручки начинаем вращать нижний ролик генератора. Положительные ионы движутся по ленте вверх на верхний ролик. Электрическое поле увеличивается, в ходе этого “Ветряная мельница” будет вращаться, реагируя на давление ионов, удаляющихся с острых концов мельницы.

Данные эксперименты позволяют ученикам рассмотреть вблизи действие генератора Ван-де-Граафа, на опыте показывают, как с помощью несложной установки можно накапливать статическое электричество.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении можно сделать вывод, что демонстрационные эксперименты достаточно важны, для изучения физики в средних и старших классах в школе. Эксперимент играет огромную роль в изучении предмета, развития у учащихся внимательности, наблюдательности, логического мышления и умения делать выводы исходя из полученных знаний. Наблюдения позволяют учащимся накапливать фактический материал. Модель, изготовленную своими руками можно использовать на уроках и факультативах по физике для демонстрации экспериментов и опытов с электричеством в старших классах.

В ходе данной работы была поставлена цель создания генератора Ван-де-Граафа для демонстрации опытов и экспериментов для углубленного изучения электричества на уроках в школе. По итогу работы можно сделать вывод, что вполне реально создать своими руками генератор высокого напряжения Ван-де-Граафа, для использования на уроках, как демонстрационный вариант. Электричество в наше время используется везде и с каждым годом его потребление только увеличивается. Опытным путем мы доказали, что его можно вырабатывать, создавая самому.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Демонстрационные опыты по физике в классах средней школы. Под ред. А.А. Покровского. – М., Просвещение, 1970. – 278 с.
2. Формирование ключевых компетенций учащихся в процессе обучения физике в школе. П.В. Зуев: методическое пособие для учителей
3. Программно- методические материалы. Физика. 7-11 классы.—М.: Дрова, 1998.
4. Внеурочная работа по физике. Под ред. О.Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 1983. – 220 с.
5. Внеклассная работа по физике. И.Я. Ланина. – М.: Просвещение, 1977.
6. Методика факультативных занятий по физике: Пособие для учителя под ред. О.Ф. Кабардина, В.А. Орлова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение, 1988. – 240 с.
7. Физика. 10 класс: учеб, для общеобразоват. организаций с прил. на электрон, носителе : базовый уровень / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Парфентьевой.

Полный текст статьи см. приложение

1. file0.docx (2,8 МБ)

Опубликовано: 09.10.2025