С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
6.2. Изготовление учебных приборов для оснащения физического кабинета
Приступая к изготовлению самодельного устройства, учителю предстоит решить ряд технических и организационных вопросов. Исходя из конструкции прибора, необходимо выбрать технологию изготовления его отдельных частей и деталей. Это значит, что определению подлежат способы и последовательность изготовления, инструмент, материал и оснастка, которые для этого потребуются. Далее определяют, где и какими силами прибор будет изготавливаться. Эти работы могут проводиться непосредственно в кабинете физики, в школьных мастерских или на шефском предприятии.
Помещение, занимаемое кабинетом физики, инструменты, имеющиеся обычно в распоряжении учителя, направленность его практических умений позволяют на базе физического кабинета проводить виды работ, связанные с обработкой подручных материалов, таких, например, как стекло, пенопласт, резина, полиэтилен, выполнять монтаж и настройку электрических и электронных схем, производить отдельные операции по доработке деталей из металла и дерева.
Полнее представить характер действий с подручными материалами, названными выше, можно из анализа конструкций трех устройств, описание которых часто встречается в методической литературе.
Первое устройство (рис. 6.3а) представляет собой капельницу, причем частота капель не зависит от высоты столба воды в сосуде до тех пор, пока уровень воды не сравняется с нижним концом вертикальной трубки. Для изготовления капельницы берут двугорлую банку. Оба ее отверстия затыкают пробками со вставленными трубками, причем правая трубка изогнута и конец ее оттянут.
Второе устройство (рис. 6.3б) используется как сливной сосуд в опыте с ведерком Архимеда. Его делают из прозрачной пластиковой бутылки из-под шампуня с удаленным дном. В горловину вставлена пробка с трубкой, изогнутой по профилю бутылки.
Третий прибор (рис. 6.3в) используют для демонстрации зависимости атмосферного давления от высоты. Его делают из большой банки или колбы, горло которой закрывают пробкой с двумя трубками. Одна из них имеет Г-образную форму, на другую надет кусочек шланга с зажимом. Для того чтобы в горизонтальную часть трубки ввести каплю подкрашенной жидкости, через шланг отсасывают воздух. Как только капля дойдет до середины колена, шланг зажимают. Если прибор поднять на 1–1,5 м, то можно заметить смещение капли из-за разницы давлений вне и внутри банки.
Рассмотренные примеры убеждают в том, что, собирая простейшие самодельные устройства, довольно часто приходится сталкиваться с резкой, изгибанием и оттяжкой концов стеклянных трубок.
Рис. 6.3. Устройства из подручных материалов: а) капельница, б) сливной сосуд для опыта с ведерком Архимеда, в) прибор для демонстрации зависимости атмосферного давления от высоты
Перед тем как от стеклянной трубки отрезать нужный кусок, с помощью напильника или надфилем наносят в нужном месте метку. От этой метки процарапывают по кругу несколько рисок. Причем, чем больше диаметр трубки, тем плотнее должны наноситься риски. Затем трубку берут двумя руками по обе стороны от надреза и, разламывая ее в месте надреза, стараются еще как бы разорвать. Если края линии излома получились неровными, то выступающие части подравнивают плоскогубцами. Осторожно и понемногу крошат неровный край, касаясь его самыми кончиками плоских губ. Для более тонкой обработки края используют напильник или точильный брусок. После того как край станет ровным, его оплавляют в пламени горелки.
Выбирая трубку для того, чтобы изогнуть, обращают внимание, из какого материала она изготовлена. Качество стекла определяют по цвету торца трубки, направленной на источник света. Если цвет голубоватый, то трубка годится для обработки, если желтоватый – нет, поскольку такой цвет характерен для тугоплавких сортов стекла.
Чтобы согнуть стеклянную трубку, то место, где должен появиться изгиб, прогревают в верхней части пламени горелки, непрерывно вращая ее вокруг оси. Когда стекло размягчится, начинают осторожно сближать концы, стараясь удерживать оба колена в одной плоскости. После придания нужной формы, трубку прекращают нагревать, однако продолжают удерживать некоторое время в руках до затвердевания стекла.
Встречающиеся дефекты изгибов связаны с неравномерным нагревом заготовки. Так, например, в результате более сильного разогрева вогнутой стороны внутри изгиба может образоваться складка. Более сильный разогрев выгнутой стороны приведет к тому, что при изгибании она сплющивается, уменьшая сечение отверстия трубки. Иногда к таким же дефектам приводит слишком быстрый изгиб.
Трубку с оттянутым концом изготовляют в три приема. Сначала в нужном месте ее разогревают и, после размягчения, медленно растягивают за концы вдоль продольной оси до получения перешейка с нужным внутренним диаметром. Когда трубка остынет, перешеек в нужном месте перерезают, а затем немного оплавляют.
Как видно из приведенных примеров конструкций, для закрепления трубок в сосудах применяют пробки. Для кабинетов физики выпускаются наборы корковых и резиновых пробок. Корковые пробки легче обрабатываются, но в силу своей пористой структуры не могут использоваться для герметизации сосудов. Резиновые пробки обрабатывать труднее, но они надежно закупоривают сосуд и более устойчивы к действию агрессивных сред. Работая с пробками, часто приходится проделывать в них отверстия. Для выполнения этой операции лучше приобрести в учколлекторе набор пробочных сверл, которые представляют собой тонкостенные металлические трубки, отточенные с одного конца и насаженные на рукоятки.
Для заточки сверл используется специальный нож, изображенный на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Нож для заточки сверл
Сверло, подлежащее заточке, плотно надевают на конус. Большим пальцем прижимают нож и вращают сверло. Заточенный край должен иметь ровную поверхность в виде правильного усеченного конуса.
Пробку, в которой необходимо проделать отверстие, удерживают в одной руке. В другую берут сверло так, чтобы рукоятка уперлась в ладонь. Режущую кромку сверла устанавливают на пробке в положении, при котором продольные оси сверла и будущего отверстия совместились бы. После этого пробку и сверло начинают вращать относительно друг друга с некоторым нажимом. Для облегчения работы сверло смачивают водой или мыльным раствором. Если в пробке проделывают второе отверстие, то нужно следить за тем, чтобы при повторном сверлении перемычка между отверстиями не раскрошилась.
Для изготовления пробок большого диаметра, например для закупорки банок с широкой горловиной, можно использовать плотный пенопласт. Куски пенопласта могут быть использованы также для изготовления подставок под приборы, в качестве укладочных приспособлений. Его можно использовать и для оформления кабинета, в частности при изготовлении букв заголовка стенда.
Одна из основных операций по обработке этого материала состоит в изготовлении бруска необходимой формы. Резку пенопласта удобнее производить с помощью электрического лобзика. Лобзик собирают, закрепляя на коротком стержне от универсального штатива с помощью крестообразных муфт два стержня с изолирующими стойками. Между стойками натягивают нихромовую проволоку. Подойдет проволока от вышедшего из строя реостата или от спирали электроплитки. Общий вид лобзика показан на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Лобзик для резки пенопласта
На куске пенопласта перед обработкой наносят контуры разреза. Проволоку подключают к регулятору напряжения типа РНШ. Силу тока подбирают экспериментально, проводя пробные резки отбракованных кусков. Следить нужно за тем, чтобы проводник не доходил до покраснения. Если после того, как проволока выйдет из пенопласта, за ней возникнут тянучки из расплавленного материала, то силу тока нужно несколько увеличить. Если же ширина разреза оказывается больше толщины проволоки, его края неровные и в отдельных местах происходит обугливание, то ток необходимо уменьшить.
Другой термопластичный материал – полиэтилен – часто применяют при изготовлении карточек раздаточного материала. Вырезанную карточку укладывают между двумя чистыми, обезжиренными кусками прозрачного полиэтилена и оплавляют их по периметру карточки. В качестве нагревателя подойдет паяльник. Температуру жала подбирают опытным путем. Шов получится более ровным, если ребро жала паяльника с одного конца подточить напильником так, чтобы образовалась площадка шириной 1–2 мм. На край карточки накладывают линейку и вдоль нее проводят разогретым паяльником, наблюдая за тем, чтобы шов получался ровным и одинаково глубоким. После того как карточка окажется запаянной со всех сторон, лишний полиэтилен обрезают.
Среди электротехнических видов работ, выполняемых учителем физики, особо следует выделить изготовление и ремонт соединительных проводов, монтаж несложных электрических схем.
Наиболее часто провода выходят из строя в результате обрыва токоведущей жилы в том месте, где она заходит в хвостовую часть наконечника. Надежность соединительных проводов существенно возрастет, если конец провода, с которого удалена изоляция, перед закреплением в наконечнике изогнуть на 180°, после чего обмотать им провод, как это показано на рис. 6.6.
Выполнив эту операцию, конец провода вкладывают в хвостовую часть наконечника, которой предварительно придают П-образную форму. После этого провод зажимают в наконечнике.
При сборке приборов, содержащих электрические цепи, соединительные провода и отдельные элементы схем соединяют, как правило, с помощью пайки.
Качество этой операции зависит как от того, насколько хорошо были зачищены и облужены концы спаиваемых проводов, так и от состояния жала паяльника. Удобнее паять, если жало имеет форму двугранного угла, грани которого расходятся под 45°, а ребро наклонено к продольной оси на 70° (см. рис. 6.7).
Рис. 6.6. Обмотка провода
Рис. 6.7. Правильная заточка жала паяльника
В случае необходимости требуемую заточку можно выполнить напильником.
Заточенное жало облуживают. Для этого после разогрева паяльника одной гранью жала касаются кусочка канифоли, набирают на нее немного олова и быстро растирают о деревянную дощечку до тех пор, пока вся поверхность не покроется тонким слоем олова. После чего операцию повторяют с другой гранью.
Работая с паяльником, не следует допускать его перегрева. Оптимальной считается температура, при которой набранный припой не разбрызгивается, а стекает с жала в виде капли. Регулируют разогрев паяльника, меняя величину питающего напряжения. По этой причине паяльник лучше подключать не напрямую в сеть, а к регулятору напряжения типа РНШ или к пульту управления воздуходувкой ВД-2. При работе с паяльником мощностью 40 Вт напряжение питания выбирают в пределах 180–190 В.
Изготовление деталей из металла и древесины, при котором предполагается проведение грубых слесарных или столярных операций, например сверлильных или токарных, лучше проводить в школьной мастерской под руководством учителя по трудовому обучению. В пользу такого выбора говорит то, что в кабинете физики нет соответствующих станков, а также и то, что наличие современного электронного оборудования, в первую очередь электронно-вычислительной техники, не допускает повышенной вибрации и запыленности в помещении кабинета. Здесь можно считать допустимыми лишь отдельные виды работ с деталями из дерева и металла, такие как разметка, подгонка размеров, монтаж узлов из отдельных деталей, отделка корпуса прибора.
При окончательной отделке прибора, покраске корпуса, изготовлении шкал, нанесении меток и надписей рекомендуется придерживаться требований технической эстетики. В частности, при окраске корпуса прибора необходимо, чтобы его цвет был согласован с фоном, на котором прибор предполагается демонстрировать. Вспомогательные принадлежности, не являющиеся объектами изучения, окрашивают не ярко, чтобы они не привлекали внимание учеников.
Поверхность шкалы выполняется матовой, однотонной, желательно белой. При выборе расстояния между стрелкой и шкалой принимают во внимание допустимую величину ошибки, обусловленной параллаксом. Числа отсчета принято проставлять против основных делений шкалы. Ширина меток на шкалах демонстрационных приборов должна быть около 2,5–3,5 мм, длина меток не более 10 мм. Высота цифр при этом выбирается в пределах 14–24 мм.
Для выполнения рассмотренных выше видов работ в лаборантской необходимо выделить и оснастить рабочее место. Обычно останавливают выбор на прочном однотумбовом столе с усиленной верхней крышкой. Над столом вешают полку и панель для хранения инструментов. В перечень инструментов должны войти наиболее необходимые, такие как молоток, набор напильников, плоскогубцы, отвертки, настольные тиски, ручная дрель с набором сверл, паяльник с подставкой и др. Инструмент, который используется наиболее часто, целесообразно располагать на панели, остальной убрать в ящик стола. В столе и на полке хранятся необходимые реактивы, материалы, мелкие детали (винты, гайки, предохранители, наконечники и т. п.).
В некоторых случаях в школьных условиях не представляется возможным изготовить какую-то деталь. За помощью приходится обращаться в другие организации, на шефские предприятия. Чтобы донести до исполнителя идею конструкции и устройства прибора, следует подготовить комплект документов, включающий техническое требование и наглядное изображение детали.
Техническое требование должно дать общее представление об изделии.
В нем указывают назначение, приводят краткое описание, технические характеристики и требования к изготовлению изделия. Причем указывают лишь те требования, выполнение которых имеет принципиальное значение. Если же какой-то параметр или технологическая операция не имеют существенного значения, их лучше не затрагивать. Такой подход не будет сковывать инициативу исполнителя и позволит ему, исходя из своих возможностей, избрать наиболее оптимальный способ выполнения задания, что в конечном итоге отразится на быстроте и качестве изготовления всего изделия в целом.
Наглядное изображение – это изображение, на котором предмет показывают с трех сторон. Линии, параллельные на предмете, должны оставаться параллельными между собой и на наглядном изображении. Если такое изображение дополнить размерами, то по нему можно изготовить несложный предмет.
Наглядное изображение, выполненное от руки, на глаз, без точного соблюдения размеров предмета, называют техническим рисунком. Эскизом называют изображение предмета, выполненное по правилам прямоугольного проецирования, но от руки, с соблюдением на глаз пропорций между частями изображаемого предмета. Линии на эскизе должны быть ровными и четкими, надписи выполняют чертежным шрифтом, по тем же правилам, что и на чертежах. Рисовать его удобнее на клетчатой бумаге.
Содержание технических требований и эскизов поясним на примере комплекта документов для изготовления устройства «маятник-самописец». Этот маятник используют совместно с графопроектором для наблюдения за получением развертки колеблющегося тела. Схема экспериментальной установки показана на рис. 6.8.
Маятник, представляющий собой цилиндрическое тело с закрепленной в нем трубкой, подвешивают над пленкой графопроектора на высоте около 5 мм. В трубку вставляют фломастер. После настройки графопроектора на резкость, качнув маятник, начинают вращать приемный ролик так, чтобы обеспечить равномерное движение пленки на экране, и наблюдают колебания проекции маятника и образование временной развертки его колебаний.
Рис. 6.8. Схема экспериментальной установки с маятником-самописцем
Чтобы изготовить подобный маятник на предприятии, необходимо составить техническое требование, эскиз общего вида и каждой детали.
Техническое требование содержит название изделия, краткое его описание, основные технические характеристики и требования к обработке. Ниже представлен образец этого документа.
Техническое требование на изготовление изделия «маятник-самописец»
Устройство «маятник-самописец» предназначается для демонстрации получения временной развертки механических колебаний. Изделие состоит из металлического цилиндра с закрепленной в нем трубкой. В цилиндре имеется 4 отверстия для закрепления нитей подвеса. Масса изделия должна быть в пределах 0,5–1 кг. Ориентировочные габаритные размеры изделия 170 × 60 мм. Внешнюю поверхность цилиндра и трубки необходимо покрасить.
Как видно из приведенного текста, заказчик на усмотрение исполнителя оставил способ соединения цилиндра с трубкой и цвет окраски, а также не указан материал, из которого должен быть изготовлен маятник, сказано лишь, что он должен быть металлическим.
Более подробное представление об изделии исполнитель получит из эскизов общего вида и отдельных деталей. На эскизе общего вида целесообразно, изобразив изделие в сборе, с помощью выносных линий обозначить его основные части и указать их название. Эскиз общего вида дает представление о взаимном расположении отдельных частей. Здесь же указывают габаритные размеры и, если необходимо, способ соединения отдельных деталей.
На эскизах составных частей изделия указывают конструкцию каждой детали, все размеры, необходимые для ее изготовления, если нужно, указывают материал, из которого деталь должна быть изготовлена. Сложные по конструкции детали рисуют на одном эскизе в нескольких видах.
Поскольку в рассматриваемом примере изделие состоит только из двух деталей, то комплект эскизов будет состоять всего из трех: эскиза общего вида изделия (рис. 6.9), эскиза цилиндра (рис. 6.10) и эскиза трубки (рис. 6.11).
Рис. 6.9. Эскиз общего вида маятника-самописца
Рис. 6.10. Эскиз цилиндра
Рис. 6.11. Эскиз трубки
Успех работы по изготовлению самодельного оборудования во многом предопределяется ее четким планированием и организацией. Как правило, это планирование проводится учителем в конце учебного года, что позволяет заблаговременно решить вопросы, связанные с приобретением необходимых материалов, деталей, инструментов, заключить договоры с шефствующими предприятиями. В плане отражают сроки изготовления отдельных пособий, намечают исполнителей и отражают перечень подлежащего изготовлению в предстоящем учебном году оборудования. При этом в первую очередь следует позаботиться об изготовлении оборудования для постановки учебных экспериментов, предусмотренных школьной программой. Оставшееся время и средства направляют на изготовление оборудования для внеурочных мероприятий.