Статья "Исследовательская деятельность учащихся с использование ЦЛ "АРХИМЕД"

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧАЩИХСЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЛ «АРХИМЕД»

ГБОУ №363Санкт-Петербург

Учитель физики: Орлова О.В.

Научное исследование – это вид деятельности, позволяющий не только углубленно изучить материал, расширить уровень знаний в той или иной области, найти их практическое применение, но и решить целый ряд образовательных и воспитательных задач: постановка цели, формулировка задач работы, самостоятельная работа с научной литературой и Интернет-ресурсами, анализ и обобщение материала. Ребенок учится структурировать материал, оформлять выступление в виде компьютерной презентации.

Кроме того , в ходе работы, воспитывается усидчивость, трудолюбие, умение представлять свою работу перед большой аудиторией и другие важные качества.

Если же исследование носит практический характер, то спектр образовательных задач расширяется. На примере одного исследования, ученик проходит весь путь научного познания. Он учится ставить цели эксперимента, на основании теории выдвигать гипотезу, подбирать приборы и материалы, проводить эксперимент, анализировать его и делать выводы.

Цифровая лаборатория «Архимед» позволяет качественно изменить методику проведения эксперимента, делая его более наглядными информативным.

Представим две работы, выполненные с помощью ЦЛ «Архимед» ученицами Гимназии №363 Воронцовой Екатериной и Шамовой Александрой.

Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь

Цель работы: изучить работу фотоэлектрического генератора, т.е. солнечной батареи.

Актуальность темы обусловлена современной экологической ситуацией.

В теоретической части работы рассматривается вентильный фотоэффект, лежащий в основе работы фотоэлемента. Дается описание конструкции фотоэлектрического модуля или солнечной батареи. Автор описывает свойства материалов, используемых для их изготовления. Также вводится понятие интегральной чувствительности и спектральной характеристики, которые являются важнейшими параметрами фотоэлемента.

Под интегральной чувствительностью понимают величину фототока, текущего в короткозамкнутой цепи фотоэлемента при падении на него единицы потока лучистой энергии, состоящей из волн различной длины. Спектральная чувствительность характеризует величину фототока от действия единицы лучистого потока определенной длины волны.

Целью практической части работы было: исследовать ЭДС фотоэлектрического генератора, измерить интегральную чувствительность и определить спектральную характеристику ФЭП.

Оборудование:

1. Батарея кремниевая БСК-1, площадью S = 11∙17см² = 187∙10^-4см²

2. Источник света – фильмопроектор Ф75-1М

3. Цифровая лаборатория NOVA- 5000

   • датчик напряжения ±25 Β (погрешность ±3%)

   • датчик тока ±250 мA (погрешность ±5%)

   • датчик освещенности 0-6000 лк

Опираясь на изученную теорию, автором была выдвинута гипотеза эксперимента, которая практически полностью подтвердилась в ходе исследования.

Результаты исследования:

1. ЭДС и сила тока короткого замыкания вентильного фотоэлемента пропорциональна интенсивности падающего излучения.

2. С увеличением площади солнечной батареи увеличивается ЭДС, вырабатываемая ею.

3. ЭДС зависит от угла падения лучей на батарею. Чем больше угол падения, тем меньше фото ЭДС. Максимальная ЭДС наблюдается при нормальном падении лучей на батарею.

4. Эффективность солнечной батареи зависит от длины волны, падающего излучения. Максимальная чувствительность кремниевого ФЭП наблюдается в фиолетовой части спектра, минимальная – в зеленой.

Автор проанализировал преимущества и недостатки солнечных батарей. Рассмотрел способы повышения КПД и эффективности преобразования света фотоэлементами. Наконец приведен широкий спектр практического применения фотоэлектрических преобразователей в различных отраслях науки и техники.

Микроволновая печь.

В своей работе автор изучает электромагнитное СВЧ излечение и его свойства, которые используются при приготовлении пищи в микроволновой печи. Рассматривает физику данного процесса. Дает описание конструкции печи и магнетрона – источника электромагнитных волн частотой 2450Гц. На нить накала магнетрона через высоковольтный трансформатор подается напряжение около 3-4 кВ. Микроволны с магнетрона поступают в печь по волноводу – каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение. Внутренняя полость и дверца печи сконструированы так, чтобы микроволны не выходили наружу.

Изучив теорию и бытующее мнение о существовании вокруг микроволновой печи вредного электромагнитного, а может быть даже ионизирующего излучения, автор определил цель своего практического исследования и выдвинул гипотезу.

I Цель:

1. Обнаружить электромагнитное излучение, появляющееся в процессе работы СВЧ - печи.

2. Определить зависимость интенсивности излучения от расстояния до печи, от режима работы и от места приемника излучения.

3. Определить наличие ионизирующего излучения вблизи СВЧ – печи.

II Гипотеза:

1. Благодаря своей конструкции СВЧ – печь хорошо защищена от выхода электромагнитного излучения наружу. Кроме того, микроволны – электромагнитные волны сверхвысокочастотного диапазона занимают на шкале электромагнитных излучений положение между радиоволнами и инфракрасным излучением (безопасное излучение), поэтому обладают небольшой проникающей способностью, хорошо отражаются от металлических препятствий. Размер внутренней полости рассчитан так, что в результате интерференции микроволны не выходят наружу. Так же они быстро затухают в атмосфере. Следовательно, можно предположить, что нельзя обнаружить сильное излучение СВЧ диапазона вблизи работающей печи.

2. Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Энергия с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. На основе данного утверждения можно вывести зависимость интенсивности излучения от расстояния до печи. Следовательно, она будет уменьшаться по мере увеличения расстояния до СВЧ - печи.

3. Мощность, выделяемая магнетроном, не поддается регулированию. При снижении подаваемого на магнетрон напряжения прекращается термоэлектронная эмиссия, нарушаются условия резонанса, и происходит срыв генерации волн. Поэтому, чтобы печь работала не на полной, а на уменьшенной мощности, можно лишь периодически выключать магнетрон, прекращая на какое-то время генерацию микроволн. Можно предположить, что при разных режимах работы печи интенсивность излучения будет различной.

4. Электромагнитные волны различной длины условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации и т.д.) Количественные различия в длинах волн приводят к качественным различиям. В зависимости от частоты электромагнитное излучение обладает различными свойствами. Так, природа и механизм действия микроволн и ионизирующего излучения различны. Следовательно, уровень радиации при работе СВЧ – печи меняться не должен.

III Оборудование:

1. Цифровая лаборатория «Архимед» - регистратор – частота замеров - 1000

2. Датчик напряжения 25 В

3. Катушка дроссельная – 2400 витков с сердечником; L=25 Гн

4. Микроволновая печь LG р=800 Вт

5. Соединительные провода

6. Компьютерный измерительный блок L - микро

7. Счетчик Гейгера (счетчик ионизирующего излучения)

IV Обоснование применения цифровой лаборатории «Архимед»

Так как электромагнитная волна является совокупностью переменного магнитного и вихревого электрического полей, распространяющихся в пространстве, приемником такой волны может служить дроссельная катушка, в которой под действием вихревого электрического поля, согласно явлению электромагнитной индукции, появляется индукционный ток. Датчик напряжения, подключенный к катушке, позволяет регистрировать амплитуду и частоту электромагнитной волны.

V Результаты исследования:

1. При работе СВЧ – печи обнаружено электромагнитное излучение, частота которого равна 50 Гц; Микроволны обнаружены не были. Из чего можно сделать вывод, что СВЧ – печь хорошо экранирована от микроволнового излучения, а источником обнаруженной волны частотой 50 Гц является трансформатор, подающий напряжение на магнетрон.

2. Максимальная интенсивность данного излучения наблюдается со стороны задней стенки (вблизи магнетрона);

3. Интенсивность излучения практически не зависит от режима работы СВЧ - печи;

4. Интенсивность излучения уменьшается по мере удаления от печи;

5. Ионизирующего излучения вблизи печи не обнаружено.

Микроволны не оказывают радиоактивного воздействия Принцип действия микроволн иной, чем у рентгеновских лучей или ионизирующих излучений, поэтому они не изменяют молекулярную структуру продуктов питания. Хотя непосредственное воздействие микроволн может вызвать тепловое поражение тканей, но риск при правильном использовании исправной микроволновой печи полностью отсутствует.

Конструкцией печи предусмотрены жесткие меры для предотвращения выхода излучения наружу.

Микроволны очень быстро затухают в атмосфере. Как следствие столь сильного затухания, вклад микроволн в общий фон окружающего нас электромагнитного излучения не выше, чем, скажем, от телевизора. Поэтому, чтобы чувствовать себя в полной безопасности достаточно отойти от печи на расстояние вытянутой руки.