С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
Вопросы и задания к главе 2
1. Какова значимость учебного кабинета для преподавания физики в средней школе?
2. В каком среднем учебном заведении был создан один из первых кабинетов физики?
3. В чем отличие в планировках типовых кабинетов XIX века, первой и второй половины XX века?
4. В чем основное отличие в комплектах учебного оборудования кабинетов физики XIX века, первой и второй половины XX века?
5. Какими техническими средствами обучения оснащались кабинеты физики XIX века, первой и второй половины XX века?
6. Как выглядела мебель кабинетов физики XIX века, первой и второй половины XX века?
7. Какова эволюция специальных систем кабинета (систем электроснабжения, водоснабжения и газоснабжения)?
8. Что общего в организации кабинетов физики XIX века, первой и второй половины XX века?
Глава 3
Современный кабинет физики
Современный кабинет физики – это современный комплекс средств, обеспечивающий оптимальные условия для организации учебно-воспитательного процесса с применением новейших технологий обучения физике.
Изменение содержания оборудования в современной средней школе потребовало по ряду предметов более широкого применения учебного эксперимента, а следовательно, и соответствующих условий и оборудования. Для повышения эффективности учебно-воспитательного процесса с применением новых технологий обучения и разнообразных средств обучения возникла необходимость в переходе средних школ на новую организационную форму обучения, то есть на кабинетную систему. При этом кабинетом по данному предмету считается учебное подразделение школы, оснащенное мебелью, соответствующим учебным оборудованием, приспособлениями и различными наглядными пособиями. В кабинете проводятся подготовка к занятиям, различного типа уроки, внеурочные и факультативные занятия, воспитательная работа.
3.1. Планировка современного кабинета физики. Структура зон кабинета и размещение оборудования
В настоящее время существуют два варианта планирования помещений под кабинет физики в средней школе. Первый – наиболее часто встречающийся – для базового курса физики показан на рис. 3.1. Второй – рассчитанный на школы, имеющие классы с углубленным изучением физики, представлен на рис. 3.2. В этом варианте под кабинет физики отводится дополнительное помещение, в котором проводятся работы физического практикума.
Кабинет физики охватывает три взаимозависимые функциональные зоны:
• зону работы учителя (рабочее место учителя);
• зону работы учащихся (рабочие места учащихся);
• зону хранения и мелкого ремонта оборудования.
Огромный резерв повышения эффективности учебно-воспитательного процесса заложен в правильном согласовании функциональных зон и их структурных элементов.
Рис. 3.1. Первый вариант планировки кабинета
Рис. 3.2. Второй вариант планировки кабинета
Рабочее место учителя состоит из:
• демонстрационного стола;
• классной доски, панели с чертежными инструментами, панели с метеорологическими приборами;
• стола учителя в классе, стола учителя в лаборантской;
• экранов, технических средств обучения и вычислительной техники;
• легкосъемных модульных стендов;
• специального оборудования кабинета (управление электроснабжением, водоснабжением, освещением, затемнением кабинета). Зона работы учащихся включает:
• рабочие столы учащихся, снабженные электропитанием (42 В);
• места для индивидуальной работы учащихся, снабженные вычислительной техникой, звуко- и видеотехникой;
• информационный стенд – классный уголок.
Зона хранения и мелкого ремонта оборудования состоит из подзон:
• хранения демонстрационного оборудования;
• хранения оборудования для фронтальных лабораторных работ и кратковременных практических заданий;
• хранения оборудования для физического практикума;
• хранения учебных пособий;
• хранения оборудования по астрономии;
• хранения справочной и учебной литературы;
• мелкого ремонта и профилактического обслуживания приборов;
• хранения дополнительного и специального оборудования;
• хранения материалов и легковоспламеняющихся жидкостей.
Планировка функциональных зон должна соответствовать общей планировке кабинета физики и пожеланиям учителей физики, работающих в кабинете.
3.2. Мебель кабинета физики
Для школьников принята ростовая шкала с интервалом 15 см, в соответствии с которой изготавливается школьная мебель. Для физического кабинета рекомендуется подбирать комплекты лабораторных столов со стульями, используя табл. 3.1.
Таблица 3.1
Цветовая маркировка мебели должна быть видна со стороны прохода между рядами; ее наносят на обеих боковых сторонах стола, стула в виде круга диаметром 25 мм или горизонтальной полосы шириной 20 мм.
Если физический кабинет включает в себя несколько классных комнат, целесообразно распределять комплекты рабочих мест учащихся согласно табл. 3.2.
Таблица 3.2
Для однокомплектной школы ориентировочное распределение комплектов лабораторных столов со стульями показано в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Для более точного определения необходимых групп мебели можно воспользоваться медицинскими картами, хранящимися в кабинете школьного врача, в которых указывается рост учащихся. Остается лишь вычислить процентное соотношение групп. Последний метод более точен, но отнимает больше времени.
Для учителя в классе и в препараторской устанавливают по однотумбовому столу. Высота стола 78 см, размер крышки 100×70 см.
Класс оборудуется демонстрационным столом, расположенным на подиуме, примерные размеры которого 2×4 м и высота 15 см. Высота стола 90 см, крышка стола покрыта пластиком, имеет размеры 1,7×0,77 м (рис. 3.3). С одной стороны стола устанавливают тумбу, в которой размещается щит электроснабжения кабинета. С другой стороны размещается тумба с водопроводным краном и со сливом.
Рис. 3.3. Стол демонстрационный для кабинета физики
В кабинете удобно использовать раздвижную классную доску, состоящую из основного щита размером 180×110 см, четырех раздвижных щитов размером 90×102 см и направляющих. Основной щит покрыт тонкой листовой сталью и окрашен белой матовой эмалью. Он используется в различных опытах как магнитная доска и служит экраном белого фона. Раздвижные щиты изготовлены из высококачественной фанеры и окрашены водостойкой матовой краской темно-зеленого цвета. В нижней части доски имеется лоток для мела. В верхнем бруске сделаны пазы, по которым свободно перемещаются специальные зажимы для таблиц (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Раздвижная классная доска
Под доской к стене крепят панель с чертежными инструментами. Ее размеры порядка 100×60 см. На небольших скобках к панели подвешивают чертежные инструменты: линейку классную с ценой деления 1 см и оцифрованную через 10 см; два прямоугольника, один с острыми углами в 30 и 60 градусов, а другой – по 45 градусов; циркуль классный; транспортир классный со шкалами, разделенными одна на градусы, а другая на радианы (рис. 3.5).
Рис. 3.5
На стене, расположенной с левой стороны от демонстрационного стола, крепят панель с метеорологическими приборами. Ее размеры порядка 70×60 см. На ней закреплены комнатный термометр, волосной гигрометр, барометр-анероид, психрометр с психометрической таблицей (рис. 3.6). На этой же стене располагают портреты ученых-физиков.
Рис. 3.6
Для хранения приборов удобно использовать трехсекционные шкафы (рис. 3.7). Размеры такого шкафа приведены в табл. 3.4. На кабинет физики однокомплектной школы положено двенадцать шкафов (шесть в класс и шесть в препараторскую). В классе устанавливают все секции с глухими дверцами, а в препараторской средние и верхние секции с остекленными дверцами.
Рис. 3.7
Таблица 3.4
Особое внимание обращают на оборудование стендов. Их использование позволяет повысить эстетическое, воспитывающее, развивающее значение кабинета.
Наиболее целесообразно использовать в кабинете физики плоскостные модульные стенды. Количество модулей может быть различным (от 2 до 10 и более). Каждый модуль-секция имеет свою тематику. Возможные варианты тематики секций даны в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Несколько рекомендаций по оформлению композиции стенда:
а) должно соблюдаться равновесие отдельных элементов. Для этого используют симметричное или асимметричное расположение материала. Первый прием характеризуется рав номерным распределением иллюстративного и текстового материала вокруг центра плоскости или на одном расстоянии от горизонтальной либо вертикальной оси; этот прием просто реализовать, но в получающейся композиции разные по значимости материалы как бы выравниваются, из них трудно выделить главные. Асимметричная композиция строится по принципу «уравновешивания» крупного материала несколькими более мелкими цветными «пятнами» или декоративными элементами; этот прием позволяет создать более динамичные стенды;
б) необходимо выдержать гармонию, пропорциональность частей. Достигается это применением кратных размеров соотношений элементов. Элементом может быть квадрат, куб, шестигранная ячейка и т. п. Если, например, взять за элемент прямоугольник, то, соединяя прямоугольники друг с другом, можно получить гармоничную композицию.
Решая вопрос о размещении материала на стенде, нужно иметь в виду следующее:
а) наилучшей видимостью обладает центральная часть экспозиции, а чтобы прочесть материалы, находящиеся сверху и снизу, требуется напрячь зрение, значительно поднять или опустить глаза. Учитывая это, в центральной зоне располагают материалы, выполненные в мелком масштабе, а сверху и снизу – более крупные;
б) чтобы стенд хорошо смотрелся, при его оформлении не следует ограничиваться только одним размером и видом шрифта;
в) хороший результат получается при аппликативном изготовлении шрифта и заголовков. Буквы заранее вычерчивают на отдельном листе цветной бумаги, вырезают, а потом наклеивают на стенд. В современном оформительском деле широко используют объемные накладные буквы; делают их из металла, картона, дерева, пластмассы, пенопласта. Такой прием создает хороший пространственный эффект;
г) большое значение имеет цвет. С помощью цвета можно добиться гармонического единства стенда и выделить важные элементы. Как правило, выбирается один ведущий цвет; им может быть окрашена вся поверхность модуля либо его часть. Кроме того, могут использоваться два-три дополни тельных цвета, например: к красному – коричневый, оранжевый и желтый;
д) выразительность стенда, его четкость зависят и от соотношения цвета букв и фона. В табл. 3.6 даны сочетания цветов.
Таблица 3.6
3.3. Специальные системы кабинета физики
Кабинет физики от других учебных помещений школы отличается наличием приспособлений и устройств, появление которых вызвано спецификой работы учебного оборудования и технических средств обучения, которыми он оснащен, стремлением наиболее эффективно их использовать. Кроме того, кабинет обычно оснащают дополнительными системами и приспособлениями в целях удовлетворения требований школьной гигиены, охраны труда и сохранности материальных ценностей.
К подобным устройствам следует в первую очередь отнести системы освещения, затемнения, охранную сигнализацию, системы водо- и газоснабжения.
Система освещения призвана обеспечить освещение рабочих мест не менее чем в 500 лк. В настоящее время используют комбинированное освещение, сочетающее естественный свет и свет электрических светильников. Поскольку уровень естественного освещения сильно зависит от времени суток, года и состояния погоды, стабильный уровень освещенности можно обеспечить только с использованием дополнительных источников света. Наибольшее распространение получили светильники с люминесцентными лампами. Чаще в них устанавливают лампы марки ЛБ (лампа белого света) или ЛД (лампа дневного света). Предпочтительнее лампы ЛБ, так как их спектральный состав ближе к естественному свету.
Основная группа светильников располагается в два ряда на удалении по 1,5 м от внутренней и внешней стены. Доска освещается двумя светильниками, закрепленными на 30 см выше верхнего края доски, параллельно ей.
Питаются лампы от специальной электропроводки с выключателями, установленными у входной двери. Очень удобно, когда имеется возможность управлять светом независимо, из любого места класса, например с пульта на ИК-лучах.
Кроме общего освещения, в кабинете иногда устанавливают светильники для подсветки отдельных рабочих мест. При организации местного освещения нужно учитывать, что устанавливаемый светильник должен быть снабжен рассеивателем. Открытые электрические лампочки не дают равномерного распределения света. Возникающие резкие тени вредно отражаются на зрении, вызывают повышенную утомляемость глаз. Для местного освещения обычно используют лампы накаливания. Люминесцентные лампы хотя и дают гораздо больший световой поток при одинаковой мощности, но значительно превосходят их по размерами, требуют для питания специальных устройств.
Для использования во время урока аудиовизуальных технических средств обучения и обеспечения видимости результатов некоторых демонстрационных экспериментов кабинет физики оснащается системой затемнения окон. Обычно ее делают трехсекционной. Одна секция применяется для затемнения лаборантской, а две другие, действующие независимо, обеспечивают зашторивание классных окон. Управление шторами удобнее осуществлять из одного места. Как правило, при ручном управлении затемнением это место располагают у окна, ближайшего к рабочему месту учителя, или непосредственно на его рабочем столе – при автоматическом. Наличие двух секций вызвано тем, что при проведении некоторых опытов достаточно обеспечить затемнение лишь части классного помещения вблизи демонстрационного стола.
В настоящее время можно встретить два варианта системы зашторивания. В одном – шторы перемещаются вдоль окна вертикально, наматываясь на стержень, который на опорных подшипниках с помощью кронштейнов закреплен под потолком вдоль оконной стены.
Однако чаще применяется конструкция, действующая подобно тому, как зашториваются окна в жилых помещениях. При такой системе вдоль верхней части оконной стены на кронштейнах крепят две параллельных трубы с надетыми кольцами для подвески штор.
Чтобы из одного места класса можно было управлять всеми шторами, используют тросики, протянутые с помощью системы блоков под направляющими трубами. Кольца, к которым подвешиваются края штор, смотрящие навстречу друг другу, жестко закрепляют к тросикам. Если нет возможности приобрести специальные плетеные металлические тросики, используют толстую капроновую леску. Описанный вариант крепления штор показан на рис. 3.8.
Более удобными, хотя и более сложными, являются такие системы затемнения, в которых ручной привод заменен приводом от электродвигателя.
Электродвигатель лучше использовать однофазный, коллекторный, мощностью 150–200 Вт.
Надежная работа подобной системы затемнения зависит от натяжения троса. Если оно недостаточно, то возникает проскальзывание по тянущему шкиву, при чрезмерном натяжении происходит перегрузка электродвигателя.
Рис. 3.8
Система водоснабжения кабинета предназначена для обеспечения некоторых демонстраций с горячей и холодной водой и мытья лабораторной посуды.
Водопроводный кран и раковину устанавливают сбоку у демонстрационного стола, а в лаборантской у стола для подготовки опытов или рядом с ним на стене. Наиболее часто устанавливается чугунная эмалированная раковина размерами 50×40×15 см.
Над раковиной крепится водопроводный кран со смесителем горячей и холодной воды. Для подводки воды непосредственно к демонстрационной установке применяют резиновые шланги разного диаметра.
Современные кабинеты физики снабжены системами охранной и противопожарной сигнализации. Датчиками противопожарной сигнализации являются специальные дымоуловители. Крепятся они к потолку. При увеличении концентрации дыма в воздухе датчик посылает сигнал на пульт местной пожарной охраны.
Двери и окна кабинета оснащены датчиками охранной сигнализации. Отключаются они со щита, расположенного в лаборантской. От этих датчиков сигналы передаются на пульт охраны ближайшего отделения милиции. Во избежание ложных вызовов следует соблюдать определенный порядок действий по постановке и снятию кабинета с охраны.
Наиболее сложной по устройству и наиболее значимой из всех специальных систем кабинета физики является система электроснабжения, поэтому мы посвятим ее описанию отдельный параграф.
3.4. Система электроснабжения кабинета физики
К школьным зданиям, а вместе с тем и к кабинету физики чаще всего подводят сети четырехпроводной системы номинальным напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейтралью.
Глухозаземленной называют нейтраль генератора или трансформатора, присоединенную к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление. В этой сети нулевой провод присоединяют к заземленной точке источника питания. В сети с изолированной нейтралью нулевую точку обмоток генератора или трансформатора не соединяют с заземляющим устройством.
Для человека, прикоснувшегося рукой к фазовому проводу, сеть с изолированной нейтралью безопасна, но в случае аварии (когда одна из фаз замкнута на землю) в сети с изолированной нейтралью напряжение возрастает, а с заземлением остается практически прежним.
Силовая проводка трехфазного тока прокладывается специальным четырехжильным кабелем в стальной, резиновой или другой оболочке. Правила установки электрооборудования классифицируют помещения по степени опасности поражения людей электрическим током и подразделяют на помещения без повышенной опасности, помещения с повышенной опасностью и особо опасные помещения. Поскольку в кабинете физики имеется возможность прикосновения к корпусам электрооборудования при относительной влажности более 75 %, кабинет физики относится к помещениям с повышенной опасностью.
Рассмотрим структурную схему электроснабжения кабинета физики (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Структурная схема электроснабжения кабинета физики
Из щитового распределительного узла фазное напряжение подается в сеть освещения 1, параллельно через выключатель электроснабжения 2 на вспомогательное оборудование 3, через разделяющий трансформатор на рабочий стол лаборанта и демонстрационный стол, к ТСО и через понижающие трансформаторы на рабочие места учащихся.
Защита в электросетях школьного кабинета физики обеспечивается за счет изоляции, предохранителей, заземления, разделяющих трансформаторов и специальных устройств защитного отключения. Разберем каждый из этих элементов более подробно.
Изоляция является главной защитной мерой от поражающего напряжения. Поэтому полы в кабинете делают из изоляционного материала (дерево, пластик), батареи отопления ограждают деревянными решетками, для покраски используют непроводящие электрический ток краски и лаки. Учитель обязан следить, чтобы все доступные для прикосновения электропроводящие части оборудования были изолированы от электрической сети.
Электрическая проводка внутри закрытых помещений выполняется изолированными проводами. В школьных помещениях применяют:
• ПРД 220 В – двужильный провод с медными жилами, которые покрыты резиновой изоляцией и хлопчатобумажной оплеткой, каждая жила скручена из тонких проволочек, что дает высокую гибкость;
• ШР 220 В – шнур с медными жилами, с резиновой изоляцией, двужильный;
• АРД 220 В – арматурный провод с двумя медными жилами, резиновой изоляцией.
В школьных помещениях, где возможно конденсирование влаги, применяют:
• ПР 500 В, 380 В – одножильный провод со сплошной медной жилой, покрытый слоем резиновой изоляции, имеющий сверху оплетку из хлопчатобумажной пряжи. Пряжа пропитана специальным слоистым веществом, защищающим провод от воздействия влаги;
• ПРТ 500 В – такой же, как и ПР, но жила состоит из нескольких проволочек.
Необходимо следить за тем, чтобы изоляция проводов не подвергалась механическим повреждениям, использовать для электропроводки провода соответствующего типа.
Предохранитель рассчитывается так, чтобы через него мог проходить ток, превышающий номинальный на 25 %; если больше 25 %, то возникает опасность перегрева и воспламенения изоляции. Предохранители устанавливают в начале сети и в местах, где провода меняют свое сечение. При смене предохранителей следует пользоваться защитными средствами.
Перегоревший предохранитель следует заменять другим, такого же сечения и типа. Категорически запрещается ставить «жучки».
Для обеспечения безопасности при работе на электроустановках сооружаются заземляющие устройства, к которым подключают корпуса электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции. К частям, подлежащим заземлению, относятся:
а) корпуса стационарных электрических машин, трансформаторов, киноаппаратов и т. п.;
б) провода электрических аппаратов и т. п.;
в) вторичные обмотки измерительных трансформаторов, трансформаторов местного освещения и т. п.;
г) каркасы распределительных щитов, щитов управления, металлические оболочки силовых кабелей, стальные трубы электропроводки.
Поскольку кабинет физики относится к помещениям с повышенной опасностью, то корпуса стационарных (щит управления, школьный электрораспределительный щит и т. п.) и переносных демонстрационных приборов, лабораторных приборов, технических средств обучения подлежат заземлению.
В частности, заземляются осциллограф, звуковой генератор, электронный секундомер и т. п.
Заземление – соединение частей электроустановки с заземляющим устройством, которое состоит из заземлителя и заземляющих проводников. Заземлитель – проводник, соприкасающийся с землей (металлические конструкции, соединенные с землей). Максимальная допустимая величина сопротивления заземляющего устройства 4 Ом (для электроустановок до 1000 В).
В электроустановках с глухозаземленной нейтралью заземление выполняется путем металлического соединения прибора электроприемника с нулевым проводом сети (зануление).
В электроустановках с изолированной нейтралью металлические части, которые не находятся под напряжением, заземляют, присоединяя их к заземляющему устройству.
Раз в год проводится текущий профилактический осмотр заземляющих устройств (проверка состояния заземляющих устройств, наличие цепи между контуром заземления и заземляющими элементами, измерение сопротивления заземляющего устройства). Указанная работа проводится электриком школы, и по ее результатам составляется акт.
Разделяющий трансформатор служит для изолирования питания электроприемников от общей сети, сети заземления и токов утечки емкости и возможных повреждений изоляции. Коэффициент трансформации равен 1. Вторичная обмотка разделяющего трансформатора не должна иметь заземления. В этом случае прикосновение человека к корпусу переносного электроприемника не опасно даже при заземлении на него одного из фазных проводов вторичной обмотки. Корпус разделяющего трансформатора необходимо надежно заземлить. Это исключает возможность поражения человека при прикосновении к корпусу в случае каких-либо неисправностей.
Устройства защитные отключающие школьные (УЗОШ) предназначены для защиты человека от поражения электрическим током в однофазной сети в системе электроснабжение с глухозаземленной нейтралью. Основу работы УЗОШ составляет дифференциальный трансформатор тороидальной конструкции (рис. 3.10). При протекании тока через нагрузку в любой момент времени алгебраическая сумма сил токов в обмотках трансформатора равна нулю и в дополнительной обмотке напряжение отсутствует. При возникновении токов утечки нарушается равенство сил токов в сетевых обмотках трансформатора, и на дополнительной обмотке появляется напряжение. Это напряжение усиливается специальным усилителем и используется для управления отключающим устройством.
Рис. 3.10. Иллюстрация принципа действия УЗОШ
УЗОШ подключается к сети 220 В, 50 Гц в точках А, N, а нагрузка – в точках А', N' (рис. 3.11). При нажатии кнопки «1» устройство должно включиться, сигнальная лампа – загореться; при нажатии кнопки «контроль» устройство должно отключиться, лампа гаснет, таким образом устройство проверено. Отключается устройство кнопкой «0».
Рис. 3.11
Устройство в школьных условиях ремонту не подлежит. При использовании УЗОШ отпадает необходимость заземления электроустановок.
В кабинете обязательно должны быть индивидуальные средства защиты от поражающего напряжения. Основными изолирующими защитными средствами в электроустановках до 1000 В являются диэлектрические перчатки, инструменты с изолирующими ручками, указатели напряжений; дополнительными – диэлектрические калоши, коврики, изолирующие подставки. Защитные средства во время хранения должны быть защищены от механических повреждений, загрязнений и влаги. Перед применением необходимо проверить их исправность, отсутствие внешних повреждений и очистить от пыли. Защитные средства, находящиеся в эксплуатации, должны проходить испытания:
• диэлектрические перчатки 1 раз в 6 месяцев;
• остальные средства 1 раз в год.
К электроснабжению рабочих мест учащихся предъявляются следующие требования:
• напряжение, подводимое к розеткам лабораторных столов, не должно превышать 42 В, то есть максимально допустимого напряжения для работ учащихся при закрытых контактах;
• при сборке электрических цепей с открытыми контактами допускается применение напряжения до 12 В. Для проведения фронтальных лабораторных работ и работ практикума используются индивидуальные выпрямители;
• напряжение должно подаваться от понижающих трансформаторов. Применение автотрансформаторов не допускается.