Моделі, прилади, фізичні досліди

Свою практичну роботу в гуртку юні фізики починають з виготовлення найпростіших приладів і моделей, які є їх першим кроком на шляху до конструювання. Тому в цьому розділі ми даємо опис не тільки складних моделей, а й простих.

При будівництві моделей керівник повинен пам'ятати, що розміри і окремі вузли наведених в цьому розділі моделей і приладів можуть бути ускладнені або перероблені в залежності від творчих задумів конструктора.

ПРОСТЕЙШИЕ ПРИЛАДИ І МОДЕЛІ З ФІЗИКИ

Модель блочних ваг (рис. 9). Прилад складається з дерев'яного блоку діаметром 300 мм, в якому у краю окружності випив отвір діаметром 50 мм і залито свинцем. По колу блоку обрана канавка, по якій рухається мотузка. Один кінець мотузки наглухо закріплений на блоці, до іншого кінця підвішена чашка вагів. Через отвір в центрі блок за допомогою гвинта прикрутити до вертикальної дерев'яної стійці так, щоб він міг легко обертатися. Висота стійки 600 мм, перетин 50X ^ 0 мм. Стійка прибивається до дерев'яної основи розміром 200X200 мм. Після виготовлення ваги градуюються за допомогою гирьок різної ваги. Гирьки накладають на шальку терезів, а на шкалі, наклеєною на диск, пишуть цифру кожного ділення в грамах. Близько шкали на стійці зміцнюється стрілка-покажчик.

Модель реактивної візки (рис. 10). Цей прилад демонструє третій закон Ньютона. Візок приладу, на якій укріплена скляна пробірка, вигинається з товстої жерсті або алюмінію. Приблизні розміри візка: довжина 120 мм, ширина 70 мм. Як коліс можуть бути використані котушки від ниток або від фотоплівки, що обертаються на осях з дроту діаметром 3-4 мм. При нагріванні води за допомогою спиртівки пара, що утворилася в пробірці, викидає пробку, і візок відкочується назад. При демонстрації досвіду необхідно вжити заходів обережності і не забивати пробку дуже туго, інакше можливий розрив пробірки.

На горизонтальному підставі приладу укріплений підковоподібний електромагніт, сердечник якого можна зігнути з залізного стержня довжиною 120 мм і діаметром 10-12 мм або зібрати зі смужок жерсті. Сердечник на кінцях рівно обпилюють, і на кожен його керн, обклеєний папером, намотується 5 рядів мідного дроту діаметром від 0,5 до 0,8 мм в будь-який ізоляції (рис. 11).

Посередині підстави встановлена ​​дерев'яна стійка, до якої прикрутити вільно хитний важіль. На одному кінці важеля точно над сердечником електромагніта укріплена залізна пластинка, на іншому - олівець. Зліва від вертикальної стоїки важіль відтягується пружиною, що регулює відстань між пластиною і електромагнітом. При включенні струму платівка притягується до електромагніту і олівець доторкається до паперовій стрічці, що рухається між двома дерев'яними роликами, укріпленими на другий вертикальній стійці.

Паперова стрічка змотується з котушки, укріпленої на верхньому кінці першої стійки, і намотується на котушку другий стійки. Для пересування стрічки застосовують саморобний електромотор або годинниковий механізм. Для демонстрації роботи телеграфу потрібно побудувати два прилади з додаванням до них телеграфних ключів. При включенні струму в електромагніт останній притягує платівку важеля, і в залежності від тривалості включення струму олівець залишає на паперовій стрічці знаки у вигляді точки або риски, комбінація яких відтворює букви телеграфної азбуки.

Найпростіший вимірювальний прилад. Робота приладу заснована на принципі використання здатності соленоїда при проходженні через його обмотку електричного струму втягувати залізний сердечник. Залежно від сили струму сердечник втягівается- в котушку на різну глибину і за допомогою важеля і стрілки вказує на шкалі силу що проходить через котушку струму.

Основна деталь приладу (рис. 12) - котушка соленоїда - склеюється з картону або виточується з дерева. Розміри котушки залежать від масштабу приладу. Внутрішній діаметр котушки дорівнює 6-10 мм.

У котушку вільно, але не теліпаючись, входить циліндрик. спаяний з жерсті. Коромисло (важіль), на якому укріплений циліндрик, має в центрі вісь, що обертається в підшипнику, зробленому з смужки латуні. На одному кінці коромисла укріплений циліндрик, інший кінець коромисла утримується пружиною або смужкою гуми, натягнутою так, щоб циліндрик при знеструмленій котушці входив в неї на 3-4 мм.

При використанні приладу в якості амперметра на котушку намотується 80-100 витків дроту діаметром 1-2 мм в будь-який ізоляції. При використанні приладу в якості вольтметра на котушку намотується 500-600 витків дроту діаметром 0,2-0,3 мм.

Прилад повинен бути відградуйовану по лабораторному приладу і може бути використаний для найпростіших вимірювань і лабораторних робіт.

Модель парової турбіни (рис. 13). Модель складається з великого горизонтально встановленого котла, в якості якого використовується добре пропаяв бляшана консервна банка, парової турбіни, яка є для отримання більшого коефіцієнта корисної дії в кожух, і паропроводу - трубки, що з'єднує котел з турбіною. Колесо турбіни робиться з жерсті, вирізаної у формі кола діаметром 80 мм. За радіусів кола робляться прорізи, і шматочки жерсті, що утворилися між прорізами, вигинаються в формі лопаток. На осі ротора турбіни встановлюється шки-вок, який. можна використовувати для приведення в дію невеликої моделі. Для підігріву води використовуються спиртівки.

Модель ваг (рис. 14). У приладі для свідчення ваги використаний Г-подібний важіль, один кінець якого є стрілкою-покажчиком, на другому кінці укріплена чашка .Вага. Конструкція приладу ясна з малюнка.

Модель маятника Максвелла з динамометром (рис. 15). Прилад ілюструє закон механіки: перетворення потенційної енергії в кінетичну і назад. З'єднання маятника з динамометром дозволяє поставити надзвичайно цікаве завдання для юних фізиків: що буде показувати стрілка динамометра при русі маховичка маятника вгору і вниз

Біметалічне реле (рис. 16). Прилад призначений для демонстрації неоднакового теплового розширення різних металів.

На підставі приладу, виготовленого з дерев'яної дощечки або товстої фанери, укріплені патрон з лампочкою на 120 в н дерев'яна стійка, по якій переміщається дерев'яний брусок з біметалічною пластинкою. Платівка складається зі смужок заліза і цинку, склепаних разом мідними або железньвмі заклепками. Довжина смужок 150 мм, ширина 10 мм, товщина від 0,3 до 1 мм. Одним своїм кінцем биметаллическая платівка прикручується шурупа:;: до дерев'яного бруска цинкової смужці вниз, до другого кінця пластинки приклепується вигнутий дугою контакт з мідного дроту.

Включена електролампочка своїм теплом нагріває розташовану над нею біметалічну платівку, яка згинається в бік металу, що володіє великим коефіцієнтом теплового розширення, і відключає дротяний контакт від контактної пластинки. Лампа гасне, біметалічна пластинка остигає, приймає горизонтальне положення, потім знову включає лампочку, і все явища повторюються. Таким _образом, лампочка періодично гасне і спалахує. Частота спалахів може регулюватися зміною відстані між біметалічною пластинкою і лампочкою за допомогою пересування дерев'яного бруска по стійці.

При виготовленні біметалевих реле велику увагу слід приділити виготовленню контактів, за допомогою яких відбувається замикання і розмикання електричного кола з лампочкою.

Утворена при цьому іскра сильно руйнує матеріал контактів, вони швидко зношуються і окислюються, що тягне за собою порушення нормальної роботи всього реле.

Найбільш стійким матеріалом для контактів є срібло.

Тому в тих випадках, коли реле має працювати особливо надійно, до біметалічним пластинках приварюється невелика пластинка з срібла. Електричне навантаження на контакти не повинна перевищувати 30-35 пн.

Прилад для демонстрації теплового розширення металевого стержня (рис. 17). Прилад складається з дерев'яної основи з двома стійками. На цвяху, вбитому в середню стійку і слугує віссю, обертається фігурна стрілка, виготовлена ​​із залізної смужки товщиною близько 1 мм. На одному кінці в виступ, випиляний біля основи стрілки, з невеликим тертям входить металевий стрижень діаметром від 3 до 5 мм. Інший кінець стержня вкладений в паз другий стійки.

Підігріваючи стрижень над спиртівкою, ми помічаємо, як він подовжується. Ступінь подовження стрижня фіксується загостреним кінцем стрілки, ковзної по циферблату.

Вставляючи в прилад стрижні, виготовлені з різних металів, можна наочно показати їх різне теплове розширення.

Електросирена (рис. 18). Прилад дозволяє дуже наочно продемонструвати магнітне поле змінного струму. Робота його супроводжується звуковим ефектом.

У центрі дерев'яного підстави приладу укріплений електромагніт, що складається з залізного стрижня діаметром 10-12 мм і довжиною 50 мм. На стрижень надіта котушка, склеєна з картону з обмоткою з мідного ізольованого дроту діаметром 0,4-0,5 мм. Необхідна кількість витків - 2 000. Над електромагнітом на трьох стійках укріплена відкрита зверху кругла коробка з жерсті (благається використовувати консервну банку). Дно коробки має відстояти від площини стрижня електромагніту на 2-3 мм.

При включенні електромагнітів в мережу змінного струму 120 в дно коробки починає вібрувати з частотою струму і видає різкий звук. Гучність звуку регулюється зміною відстані між дном коробки і електромагнітом.

Лічильник обертів. У практиці роботи фізико-технічного гуртка часто необхідно підрахувати кількість обертів виготовленого електромотора, витки намотуваного трансформатора і т. Д .; зробити це можна за допомогою простого самодельного- лічильника обертів, основною деталлю якого є зірочки з 10 зубцями, випиляні з жёйеза, латуні або дюралюмінію товщиною близько 1 мм (рис. 19). Перша зірочка, що показує одиниці, приводиться в рух дротовим важелем, вісь якого з'єднується з випробовуваним приладом. В зірочку, в зубець, позначений цифрою «0», вклепивается короткий залізний штифтик, який необхідний для пересування сусідньої другий зірочки, яка б показала десятки. Друга зірочка, в свою чергу, теж має штифтик, передвигающий третю зірочку, яка ніколи сотні.

Зірочки за допомогою шурупів прикручуються одна над іншою до дерев'яної основи. Таким чином, щоб штифтик першої зірочки при обертанні зачіпався за зубці другий і міг її пересувати, а штифтик другий зірочки - за зубці третьої і теж пересував її, необхідна висота кожної зірочки над підставою підбирається за допомогою шайб. - Обертатися зірочки повинні з невеликим тертям.

Працює лічильник наступним чином: при обертанні основний осі, число обертів якої відзначає лічильник, її важіль зачіпає за зубці верхньої зірочки і при кожному повному обороті повертає вісь на один зубець. Через кожні 10 обертів перша зірочка, що показує одиниці, зробить повний оборот і своїм штифтиком поверне на один зубець другу зірочку, яка ніколи десятки, а друга зірочка при повному обороті поверне на один зубець третю і т. Д.

Виготовлений механізм встановлюється в коробці, верхня кришка якої проти кожної зірочки має віконце. Через нього видно зубці з написаними на них цифрами. Перше віконце на малюнку показує число сотень, друге - число десятків, третє - число одиниць. Найбільше показання лічильника - 999. Якщо необхідно відраховувати не сотні, а тисячі обертів, лічильник робиться з 4 зірочками.

Селектор. Селектор призначений для автоматичного включення моделей, що демонструються на виставці. Конструкція його показана на малюнку 20 і складається з фанерного диска діаметром 100-150 мм, на якому розмічені концентричні кола. За їх лініях до диска прибиті дрібним? гвоздиками контактні латунні смужки, показані на малюнку. Найбільш довга смужка розташована біля краю диска, кожна: з наступних, які прямують до центру, зроблена коротшою і зміщена по отношенік до попередньої під кутом в 30 °. Кількість контактних смуг, тим кількістю демонстрованих моделей.

На вісь повзунка, що обертається в підшипнику, надітий шківок для з'єднання селектора з електромотором. Для данпой конструкції необхідний мотор, що дає від 1 до 10 оборотів в хвилину. Дуже гарні для цієї мети наявні в фізичних кабінетах шкіл електромоторчиків Уоррена. У разі використання більш швидкохідних двигунів необхідно застосувати редуктор, що знижує число обертів.

При включенні селектора повзунок, рухаючись, включає спочатку модель, з'єднаний-'ную з 1-м контактом, і потім, поступово пересуваючись, замикає наступні контакти з включеними в їх ланцюг моделями.

Найпростіший аерограф. Виготовлену в гуртку модель можна вважати закінченою тільки після остаточної обробки. Забарвлення моделі необхідна не тільки для додання їй красивого зовнішнього вигляду, але і для запобігання від вогкості, бруду і т. Д. Найбільш швидку і якісну забарвлення моделі можна зробити за допомогою розпилювача-аерографа.

Основною деталлю нашої конструкції (рис. 21) є насос, що подає сильний струмінь стисненого повітря для розпилення рідкої фарби. Корпус насоса згортається з жерсті або латуні товщиною близько 1 мм на дерев'яній болванці відповідного діаметру і в місці стику пропаивают. За зовнішнім діаметром отриманого циліндричного корпусу з того ж металу вирізається гурток, в центрі якого сверлится отвір діаметром 5 мм. У цей отвір упаюється горизонтальна мідна трубочка воздухопровода з внутрішнім діаметром близько 4 мм. Гурток з трубкою припаюється до корпусу, утворюючи денце насоса. З іншого боку корпус насоса закривається дерев'яною пробкою з отвором в центрі для руху штока поршня. Близько дерев'яної пробки в стінці корпусу сверлится наскрізний отвір діаметром 6 мм для'прітока повітря.

Поршень насоса складається з штока - сталевого прута діаметром 5 мм, на одному кінці якого на різьбі за допомогою гайок затискаються дві залізні шайби діаметром 35 мм. Між ними поміщається гурток діаметром 60 мм, вирізаний з шкіри. Перед тим як вставити поршень в корпус насоса, шкіряний кружок розм'якшується в гарячій воді і обжимается навколо шайби. З протилежного боку штока зміцнюється ручка.

Виготовлений насос за допомогою залізних кутників, зроблених так, як показано на малюнку, зміцнюється на кришці. Кришка спаяна з жерсті або латуні за розмірами наявної в наявності скляної банки місткістю від 0,5 до 1 л. В кришку під прямим кутом до горизонтальної мідній трубці воздухопровода впаяна вертикальна трубка з внутрішнім діаметром 3 мм для подачі рідкої фарби.

Скляна банка заповнюється на 8 / д фарбою, щільно закривається добре підігнаній пробкою, в якій зроблено отвір для пропуску вертикальної трубки, і зверху накривається кришкою. Краокопо-дає трубка повинна діставати до дна банки. Якщо трубка коротка, на неї надівається відрізок гумової трубки потрібної довжини. Для жорсткого з'єднання корпусу насоса з банкою служить обойма, виготовлена ​​з смужки заліза товщиною 2-3 мм і затиснута болтом с- гайкою. Щоб уникнути пошкодження банки під обойму підкладали-ється повстяна прокладка. Перехідна частина обойми обмотується мотузкою і служить рукояткою.

Регулювання виготовленого аерографа зводиться до підбору найкращого розташування горизонтальної та вертикальної Трубаков. Досягається це перепайкой вертикальної трубки. Для перевірки роботи аерографа налийте в банку розведену розчинником нітрофарби, пріверніте насос обоймою і, накачуючи насосом повітря, добийтеся того, щоб фарба з трубки розбризкувалася рівномірно дрібними бризками.

Через аерограф можна розпорошувати нітроемалі, лаки, анілінові барвники, алюмінієві і бронзові фарби і т. Д. Модель повинна бути ретельно очищена і зашпакльована. Покриття виробляється 2-3 рази після просушування кожного шару. Дуже важливо підібрати правильну концентрацію фарби. Занадто густа фарба буде погано розпорошуватися, лягати на поверхню грудками і засмічувати краскоподающую трубку.

Після роботи необхідно ретельно промити подає трубку. Роботу з аерографом можна вести тільки на відкритому повітрі.