Джерело еталонного випромінювання на напівпровідниковій основі ДЕВ-3Н
Роботу виконала Семененко Мар'яна 31група
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
Для підвищення якості вивчення питань з оптики у середніх та вищих навчальних закладах необхідним є створення нових джерел випромінювання, які відповідають останнім досягненням науки і техніки, прості у виготовленні та експлуатуванні, забезпечують отримання високоякісних реальних результатів.
Пропонований генератор ДЕВ-3Н є спробою створення джерела лінійчастих спектрів з кульковими безелектродними лампами типу ВСБ-2 на принципово відмінній елементній базі. Робота з генератором ДЕВ-3Н має ряд особливостей, порівняно з аналогічними ламповими приладами:
1)Порівняно із заводським приладом ППБЛ-3М він вигідно відрізняється значно меншими габаритами й масою,
2) живлення генератора здійснюється невисокою напругою від максимально простого і безпечного блока живлення типу В-24М чи йому подібних пристроїв, які які використовуються для зарядження акумуляторних батарей і є практично в кожному кабінеті або лабораторії фізики;
3)генератор є переносним пристроєм, що не потребує стаціонарної установки і може працювати без зазамлення. Для екранування та підвищення техніки безпеки при роботі з ним заземлення може бути виконано простим з'єднанням корпуса генератора з відповідними елементами;
4)Прилад ДЕВ-3Н змонтовано на платі фольогованого склотекстоліту за методикою, за методикою, запропонованою С.Жутяєвим, що непотребує хімічного травлення плати відповідно до норм і вимог безпеки життедіяльності;
5)монтування приладу здійснюється з використанням доступних радіоелементів, що дає змогу виготовити його силами радіотехнічного гуртку, в умовах будьякого навчального закладу. Створений зразок моделіджерела еталонного випромінювання враховує основні наукові досягнення у фізики й встановлювати при цьому якісні та кількісні спектральні закономірності.
ДЕВ-3Н, як свідчить його апробація, може бути використаний як еталонне джерело спектрів для наукових і технічних цілей, а також для градуювання й калібрування обладнання, яке використовується у практичній спектроскопії.
Історична довідка
Прилад ДЕВ-3Н змонтовано на платі фольгованого склотекстоліту за методикою, запропонованою С.Жутяєвим, що не потребеє хімічного травлення плати відповідно до норм і вимог безпеки життєдіяльності. Цей прилад був розроблений виготовлений досліджений, на базі наукового центру розробки засобів навчання НАПН України, що працюють на базі кафедри фізики та методики її викладання, Кіровоградського КДПУ ім.В. Винниченка, під керівництвом доктора педагогічних наук, професора ВеличкаС.П. і по приладу ДЕ-3Н була захищена дисертація 2007р. доцентом цієї кафедри Сіриком Е.П.
Одним із напрямків реформування фізичної освіти в школі впродовж останнього десятиліття характерний тими змінами у змісті, методах, формах та засобах навчання, що прикладні, завдяки гуманізації освіти, створити умови, які сприяли б становленню і розвитку особистості учня, посиленню його ролі та активізації у пізнанні навколишнього середовища. Цей напрямок передбачає, щоб фізична галузь науки була для школярів непростим переліком певних, хоча і досить важливих відкриттів та сумою конкретних наукових знань, а щоб вона перетворилася у спосіб мислення у процесі пізнання навколишнього світу. Цим саме і зумовлений сучасний період розвитку методики навчання фізики як педагогічної науки.
За останні роки в методиці навчання фізики значну увагу стали приділяти вивченню спектрального методу. Зокрема, Л.І.Резніковим пропонується методика ознайомлення учнів з введенням поняття прос пектр в оптиці, попередне формування якого відбувається на основі експерементального факту розкладання звичайного світла під час його проходження через призму. Прицьому пропонується як спектральний пристрій використати призму і дифракційну гратку, а згодом виявити особливості дифракційного спектру, виходячи із аналізу процесу випромінювання світла атомами. Тут же дається роз'яснення причини виникнення лінійчастих спектрів, розкриваються фізичні основи спектрального аналізу.
Дещо по-іншому, але досить повно і всебічно, питання про формування спектральних уявлень і основ спектрального методу в шкільному курсі фізики пропонується С.І.Фроловим, який стверджує, що цей процес має відбуватися впродовж трьох етапів. На першому з них під час вивчення теми "Механічні коливання" учні ознайомлюються із спектральним методом представлення гармонійних коливань у зв'язку з описом цих коливань аналітичним, графічним й іншими способами. Згодом спектральні уявлення учнів розширюються при вивченні складних гармонійних коливань та під час знайомства з будовою і принципом дії резонансного тахометра та вібраційного частотоміра.
Удосконалення системи навчального фізичного експерименту на сучасному етапі нерозривно пов'язане із розробкою шкільного навчального обладнання.
Запровадження у шкільному фізичному експерименті саме голографічних дифракційних граток є найбільш раціональним, бо ефективність таких граток найбільша у спектрі першого порядку, де одночасно не спостерігається перекривання крайніх ділянок спектрів вищих порядків. Тому дослідження характеру розподілу енергії у дифракційному спектрі першого порядку найбільшою мірою розкриває і відображає сутність цього явища.
Під час виконання спектроскопічних досліджень, а також проводячи спекральний аналіз, вагоме місце займають джерела випромінювання. Це зумовлено тим, що самі джерела впливають на досліджуваний зразок, що в свою чергу викликає надходження парів речовини в світну ділянку і збуджує спектри атомів і молекул, які потрапили в зону високої температури.
До того ж всі ці процеси проходять у тісному взаємозв'язку і супроводжуються низкою вторинних явищ таких, як самопоглинання випромінювання, окислення, перенос речовини, з якої виготовлені електроди та інше.
Усі джерела випромінювання характерні великою кількістю параметрів, що визначають спектральний розподіл яскравості випромінювання, характер зміни його в часі. Важливим параметром є інтегральна яскравість джерела, а також постійність яскравості джерела по його поверхні та при спостереженні під різними кутами. У спекроскопічних дослідженнях треба знати і враховуватиповний світловий потік та поляризацію випромінювання.
Практика роботи показує, що під час проведення демонстрацій і виконання лабораторних робіт найчастіше використовуються такі джерела лінійчастих спектрів, як електрична дуга(як правило змінного струму)і газорозрядні спектральні трубки. Вивчення навчального обладнання, яке використовується під час виклвдання шкільного курсу фізики у педагогічному вузі, дає змогу зробити висновок, що у навчальному процесі є раціональним застосування ламп типу ВСБ-2, але це вимагає створення відповідного джерела живлення для їх стабільної та довготривалої роботи. Наші пошуки довели доцільність і можливість такого вирішення проблеми створення якісного джерела оптичного випромінювання для виконання ефективних спектральних досліджень у навчальному фізичному експериментітяк для середньої, так і для вищої школи.
Технічні характеристики
Пропонований генератор ДЕВ-3Н є спробою створення джерела лінійчастих спектрів з кульковими безелектродними лампами типу ВСБ-2 на принципово відмінній елементній базі.
Проаналізувавши можливі схеми (автогенератора з самозбудженням, мультивібратора та ін.), ми вибрали схему генератора з незалежним збудженням: окремим задаючим генератором і кількома струпенями посилення потужності ВЧ-коливань.
Пропонована схема набула такого вигляду: задаючий генератор на польовому транзисторі КП 902, проміжні каскади підсилення потужності на транзисторах КТ 922Б і КТ 922В та вихідний каскад підсилення потужності на транзисторах КТ 922Б і КТ930Б.
Еквівалентний опір такого вихідного каскаду при в вибраній напрузі живлення 20 В і потужності біля 60-70 ВТ має незначну величину- близько 6 Ом, тому для узгодження зі значним опором і одержання достатньо високої напруги на контурі використано дві Г-подібні ланки. перша ланка збільшує опір з 6 Ом до 300÷400 Ом, а друга- до опору 1350 Ом.
На виході увімкнуто саме такий еквівалентний опір потужністю 44 ВТ. Використання такого схемотехнічного прийому дало змогу домогтися стабільної довготривалої роботи генератора на напівпровідникові основі.
Сфера застосування
Використання пропонованого джерела спектрів для постановки різноманітних навчальних дослідів характеризується рядом методичних особливостей:
1.Практика показує, що демонстраційні досліди із пропонованим джерелом ДЕВ-3Н раціонально ставити у класах з невеликою кількістю учнів(порядку 15-20 осіб),що можливо у ліцеях, коледжах, особливо і сільських школах. В аудиторіях із більшою кількістю учнів демонстрації доцільно показувати у прохідному світлі, коли демонстраційну картину у вигляді спектра спрямовують на прозорий матовий екран, що розміщений між установкою та учнями.
2.Під час проведення фронтальних спостережень і фронтальних лабораторних робіт учитель, як правило, використовує одне джерело, яке розташоване, на демонстраційному столі і є загальним приладом для вивчення його випромінювання усіма учнями класу. Вчитель рекомендує учням спостереження вести і замальовувати спектральні лінії на фоні демонстраційної лінійки або визначити певні параметри відхилення спектральних ліній чи розраховувати конкретне значення фізичної величини.
Підчас виконання фронтальних екпериментів кількісного характеру учитель, завчасно вимірює відстань від джерела випромінювання на демонстраційному столі до робочого місця кожного учня, пропонує цей результат у готовому вигляді. Усі інші вимірювання, спостереження та розрахункові результати учні виконують самостійно.
3.У ході організації та проведення фізичного практикуму, а також під час самостійних індивідуальних досліджень учнів, слід запропонувати найбільш раціональне розміщення лабораторних установок з тим, щоб на результати спектроскопічних досліджень не впливали побічні оптичні явища (випромінювання від освітлювальних ламп, денне світло чи дзеркальне їх відображення і т. п. ).
Також з приладом ДЕВ-3Н проводять фронтальні лабораторні роботи. Для успішного проведення фронтальних лабораторних робіт слід мати відповідне обладнання у необхідній кількості, що дозволяла б виконувати кожному учневі дослід. Щоб виконати фронтальну лабораторну роботу, учні мають чітко орієнтуватися в теоретичному матеріалі, який дає вагоме підгрунтя для успіспішного її виконання. З цією метою вчитель завчасно планує повторення, дає конкретні завдання, роз'яснює задачі відповідного розділу.
Протягом основної частини уроку учні виконують досліди і вимірювання, роблять розрахунки, заносять результати в таблицю, будують графіки, обчислюють похибки і оформляють звіти. при цьому вчитель слідкує за виконанням роботи кожним учнем, вміло допомагає в разі неправильної роботи, звертає увагу на помилки учнів і виправляє їх.
Особливість виконання фронтальних лабораторних робіт з ДЕВ-3Н полягає у тому, що одне джерело розташовується на демонстраційному столі і є загальним приладом лдя вивчення його випромінювання усіма учнями класу. Учні спостерігають спектральні лінії на фоні демонстраційної лінійки, визначають певні параметри відхилення спектральних ліній та розраховують конкретні значення фізичних величин.
Під час виконання фронтальних лабораторних робіт відстань від джерела випромінювання на демонстраційному столі до кожного робочого місця пропонується учням у готовому вигляді. Усі інші вимірювання, спостереження та розрахункові результати учні виконують самостійно.
Фото, відео-матеріали
Список використаних джерел
Величко С.П., Сірик Е.П. Нове навчальне обладнання для спектральних досліджень. Посібник для студ. фіз.-мат. фак-тів пед.вищих навч.закладів.-2-е вид., перероб.- Кіровоград: ТОВ "Імекс-ЛТД", 2006.- 202с.
