Loe raamatut: «Экскурсии по физике: учебно-профориентационный аспект», lehekülg 7

Основу составляет приёмопередатчик, который посылает звуковые импульсы в требуемом направлении, а также принимает отражённые импульсы, если посылка, встретив на своём пути какой-либо объект, отразится от него. Эти посылки и отражённые сигналы после преобразования звучат очень похоже на то, как произносится слово «пинг». Поэтому его стали называть «пингсетом» (англ. ping set), работу на нём назвали «пингинг» (англ. pinging), а офицера-специалиста по противолодочной борьбе – «пингер» (англ. pinger).

Рис. 10. Принцип работы эхолота

Вращая приёмопередатчик подобно прожектору, можно определить по компасу направление, в котором послан «пинг», а, следовательно, и направление объекта, от которого «пинг» отражён. Заметив промежуток времени между посылкой импульса и приёмом отражённого сигнала, можно определить расстояние до обнаруженного объекта.

Эхолот – узкоспециализированный гидролокатор, устройство для исследования рельефа дна водного бассейна. Обычно использует ультразвуковой передатчик и приёмник, а также ЭВМ для обработки полученных данных и отрисовки топографической карты дна.

В 2018 году группа исследователей из Пенсильванского университета разработала устройство сокрытия, эффективно работающее под водой. Этот новый «метаматериальный плащ-невидимка» способен перехватить и преломить распространяющиеся под водой акустические волны, которыми прощупывают окружающее пространство гидролокаторы. При этом все это происходит без малейшего отражения или рассеивания звуковых волн, благодаря чему сонар не сможет узнать о том, что в пределах его досягаемости находится какой-либо объект [9].

На судах устанавливаются гидроакустические эхолоты (рис. 10). Эхолоты автоматически указывают глубину моря, которую определяют по скорости распространения звука в воде и промежутку времени от момента посылки импульса до момента его приема [57].

Данная экскурсия весьма актуальна в наше время, потому что в специализированных вузах по подготовке специалистов морского и речного транспорта практически не осталось специальностей, относящихся к рыболовецкой отрасли, для нее необходимых.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Экскурсия в Объединённый институт высоких температур Российской академии наук

Цель экскурсии. Наглядно познакомиться с работой и принципом действия оборудования, использующего силу и энергию электромагнитных взаимодействий неподвижных зарядов.

Предметно представить деятельность инженерно-технических научно-исследовательских специальностей.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) ведет своё начало с 1960 года – времени создания Лаборатории высоких температур АН СССР. За прошедшие 50 лет Институт из небольшой научной лаборатории превратился в крупнейшее учреждение, в составе которого: отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления, ведущий научный центр страны в области энергетики и теплофизики экстремальных состояний.

Основные направления научной деятельности института

• Исследования теплофизических, электрофизических, оптических и динамических свойств веществ и низкотемпературной плазмы в широком диапазоне параметров, включая экстремальные.

• Исследования фундаментальных процессов тепло- и массообмена, газо- и плазмодинамики, преобразования энергии при переменных свойствах рабочих тел и высокой плотности энергетических потоков.

• Решение фундаментальных и прикладных проблем создания эффективной, безопасной, надежной и экологически чистой современной энергетики, в том числе атомной, водородной, авиационной, космической и криогенной.

• Исследования в области энергоресурсосбережения и энергоэффективных технологий, химической энергетики, повышения эффективности использования природных топлив и сырья, использования возобновляемых источников энергии.

• Исследования в области теплофизики интенсивных импульсных воздействий на вещество, материалы и конструкции; разработка методов и создание средств генерации высоких плотностей энергии, взрывов [33].

Экскурсия в музей радиоэлектронной аппаратуры

Цель экскурсии. Наглядно проиллюстрировать учащимся историю развития радиоэлектроники от первых радиоприемников и первых телевизоров и компьютеров, до современных.

В Москве находится музейный комплекс радиоэлектроники входит в структуру подведомственных организаций Департамента образования и состоит из трех музеев. В состав комплекса входят: Музей истории военной техники связи (рис. 11), Музей бытовой радиоэлектроники, Музей радио-любительства им. Э. Т. Кренкеля.

Три музея дают возможность познакомиться с историей развития основных направлений радио-электроники в нашей стране.

Музейный комплекс вызывает интерес, как школьников, так и студентов вузов, радиолюбителей, гостей столицы.

Музеи такого типа можно найти на предприятиях во всех регионах РФ.

Рис. 11. Зал, посвященный послевоенной аппаратуре связи

Посещение музея знакомит школьников с профессиями радио-инженерной направленности, а также с редкими и исчезающими профессиями, связанными с ремонтом и наладкой данной аппаратуры.

11 Класс

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Экскурсия в трамвайное или троллейбусное депо

Цель экскурсии. Знакомство с особенностями применения постоянного тока, устройством и принципом действия трамвая или троллейбуса, особенностями силовых установок.

Трамвайная история от «конки» до современных трамваев «Витязь» очень интересна. В сборниках нет задач с использованием характеристик трамваев и троллейбусов. Мало кто знает, что они работают от источников постоянного напряжения 550 В. Современный «Витязь» имеет 6 двигателей мощностью 72 кВт каждый. Максимальную скорость, которую может развить трамвай равна 75 км/ч. Эти данные могут быть использованы при рефлексивном составлении и решении задач после экскурсии.

Так же, как и на железнодорожном транспорте, используются не только пассажирские трамваи, но и грузовые, платформы, очистители путей и краны, о работе которых школьникам будет интересно узнать. Для многих учеников интересен момент перевода пантографа троллейбуса с одних контактных путей на другие и перехода трамвая по стрелкам.

Обучающиеся знакомятся с профессиями, обслуживающими подвижной состав, водителя троллейбуса и трамвая, особенностями работы инженеров и конструкторов электротранспорта.

Экскурсия в музей метрополитена

Цель экскурсии. Познакомить учащихся с устройством метрополитена и подвижного состава, с историей развития метрополитена. Наглядно увидеть примеры использования переменного тока в технике.

Народный музей Московского метрополитена основан в 1967 году по инициативе ветеранов метрополитена. Расположен музей в южном вестибюле станции «Спортивная» на втором и третьем этажах. При создании экспозиции использовались материалы Управления метрополитена, фонды Государственного архива кинофотодокументов, Государственной библиотеки имени В. И. Ленина и оборудование, снятое с эксплуатации.

Основная задача музея – рассказать посетителям об истории создания и этапах строительства метрополитена Москвы.

В основу первой экспозиции вошли документы, сохраненные работниками метрополитена. Они рассказывают о людях метрополитена. Экспозиция знакомит также и с историей постоянного развития техники, обеспечивающей безопасность, культуру и комфорт перевозки пассажиров. Этому способствуют и действующие макеты различных технических систем.

Выставляется различное оборудование, снятое с эксплуатации, именные поезда. В 2006 году было обновлено внешнее и внутреннее оформление именного поезда «Народный ополченец», где сейчас размещены красочные плакаты, рассказывающие об истории 18-й дивизии Народного ополчения города Москвы, а также о работе метро в годы Великой Отечественной войны.

Передовые музейные технологии, использующие современную технику, в том числе и компьютерные, активно внедряются в Народном музее Московского метрополитена. Ориентированы они, в том числе, и на улучшение и повышение результативности научно-исследовательской работы музея.

С 2006 года в музее проводятся видеоэкскурсии, во время которых посетители музея совершают увлекательное путешествие в прошлое Москвы и Московского метро, знакомятся с сегодняшним днем крупнейшей транспортной артерии столицы, а также имеют возможность совершить небольшое путешествие по метрополитенам других городов – Санкт-Петербурга и Минска. В музее представлены: документы, сохранённые работниками метрополитена; коллекция проездных документов и жетонов за большой период времени, (в том числе метрополитенов других городов); действующие макеты различных систем (кабина машиниста электропоезда (рис. 12), турникет, модель эскалатора, светофоры, различные пульты и др.) [30].

Рис. 12. Все желающие могут попробовать себя в роли машиниста метро

Знакомство с профессиональным составом сотрудников, инженерными и обслуживающими не только подвижной состав профессиями, а также служб, работающих с пассажирами, позволяет расширить представления о профессиональном составе работников метрополитена, как технических, так и гуманитарных специальностей.

Экскурсия на завод металлокерамики, ювелирный завод

Цель экскурсии. Познакомиться с примерами использования электрического тока в производстве металлокерамических, хромированных, позолоченных и посеребренных изделий при помощи гальванических ванн. Наглядно показать профессии, сопутствующие данным процессам.

Ключевыми объектами на данной экскурсии являются гальванические ванны, в которых покрывают металлические изделия тонким слоем таких металлов как: медь, золото, хром, серебро, цинк, никель, олово. В зависимости от масштабов гальванизации ванны бывают трех групп для разных типов покрываемой поверхности:

• крупногабаритные ванны (обладают достаточно большими размерами; в них может поместиться либо большое количество небольших металлических деталей, либо одна очень большая деталь);

• среднегабаритные гальванические ванны (являются наиболее востребованными);

• мелкогабаритные гальванические ванны (применяются для обработки мелких металлических изделий; имеют объем, который менее тридцати кубических метров; не занимают много места).

Гальванические ванны изготовлены из качественных материалов и подходят для выполнения поставленных производственных задач на крупных и мелких промышленных предприятиях.

Рефлексия. Составление задач на расчет массы израсходованных материалов для производства того или иного изделия. Поиск альтернативных методов для изготовления аналогичных изделий.

МАГНЕТИЗМ

Экскурсия на завод по производству магнитов

Цель экскурсии. Познакомиться с технологиями производства магнитов различных форм и различной намагниченности.

Рассказать школьникам о работе инженеров, специалистов физических и химических лабораторий, в которых происходит разработка новых ферромагнитных сплавов и веществ.

Таких предприятий достаточно мало, но они есть. Для многих, как учащихся, так и взрослых является загадкой, как получаются постоянные магниты, особенно, популярные в наше время неодимовые магниты и гибкие магнитные ленты.

Технология изготовления редкоземельных магнитов (Sm-Co и Nd-Fe-B) состоит из следующих операционных переделов:

• выплавка сплава,

• дробление и тонкое измельчение (до 1 мкм),

• прессование в магнитном поле,

• спекание (1000°С÷1200°С) и термообработка в инертной среде,

• механическая обработка,

• намагничивание в импульсном магнитном поле,

• контроль требуемых параметров,

• нанесение защитного покрытия (оксидирование, фосфотирование, никелирование, многослойные покрытия, хромирование, омеднение, цинкование) [54].

Экскурсия на данное предприятие перекликается частично с экскурсией на производство с использованием гальванических ванн для обработки различных деталей, труб, посуды, ювелирных украшений и т.д.

Рефлексия. Составление и решение задач на расчет силы намагниченности, а так же силы притяжения к магниту металлов.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Экскурсия на электростанцию

Цель экскурсии. Наглядно проиллюстрировать технологии перевода механической, тепловой, ветровой энергии в электрическую. Рассказать о достоинствах и недостатках данного вида электростанций.

Познакомить с профессиями, которые присутствуют на любых электростанциях: энергетик, электромонтер, электрослесарь, инженер.

Рефлексия. Расчет падения напряжения в ЛЭП, расчет стоимости производства одного киловатт-часа электроэнергии, а также поиск возможных альтернативных источников энергии в данном регионе.

Экскурсия на трансформаторную подстанцию

Цель экскурсии. Познакомиться с практическими примерами использования электротрансформаторов высокого напряжения.

Возможно показать наличие магнитного поля вокруг трансформаторов при помощи компаса. Продемонстрировать гул трансформатора в режиме холостого хода и искровые разряды в узлах соединения проводов линий электропередач с опорными столбами.

Познакомить с такими профессиями как: энергетик, электромонтер, электрослесарь, инженер.

Обязательна инструкция учащихся по технике безопасности.

Рефлексия. Расчет падения напряжения в трансформаторах и ЛЭП.

Экскурсия на металлоперерабатывающее предприятие в цех, где используется электромагнит

Цель экскурсии. Познакомить с принципом действия и наглядно проиллюстрировать работу электромагнита для транспортировки металла.

Актуализация. Агрегатные состояния вещества и магнитные свойства металлов в зависимости от температуры.

Ознакомление с профессиями металлургической и перерабатывающей промышленности.

Рефлексия. Составление задач на объем, массу длину выпускаемого изделия, исходя из характеристик электромагнита.

ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН, РАДИО- И СВЧ- ДИАПАЗОНА

1. Экскурсия в музей развития радиоэлектроники

2. Экскурсия в телецентр или к теле-радио-ретранслятору.

3. Экскурсия на ретрансляционный узел мобильной связи

Цель экскурсии. На наглядных примерах показать учащимся, как и какими темпами развивалась радиоэлектроника от первого радио, созданного А. С. Поповым, до первых мобильных телефонов. Рассказать о тех профессиях, которые с развитием техники уходят в историю.

Изобретение «Радио» как способа передачи информации является следствием ряда открытий в физике, сделанных много ранее до изобретения А. С. Попова, и чуть позже Г. Маркони. Историю этих открытий целесообразно рассмотреть в виде ученических презентаций, подготовленных по заданию учителя.

История событий, предшествовавших изобретению радио. Магнитные свойства вещества и электрические явления были еще в 1600 году описаны английским физиком, придворным врачом Елизаветы I и Якова I У. Гильбертом (1544–1603), который первым ввёл термин «электрический». Первый источник электрического напряжения появился в виде «Лейденской банки» – конденсатора (1745) как результат исследований голландского физика Питера ван Мушенбрука (1692–1761) и немецкого юриста, лютеранского клирика, физика Э. Ю. фон Клейста (1700–1748). Источник электричества предложили итальянцы – врач, физиолог и физик Л. Гальвани (1737–1798) и физиолог, химик, физик А. Вольта (1745–1827) лишь в начале XIX века. В 1820 году Х. К. Эрстед (1777–1851) выявил наличие магнитного поля вокруг проводника с током (электромагнетизм) открыл. Это открытие использовал и продвинул великий французский физик, математик и естествоиспытатель А. М. Ампер (1775–1836). Он создал первую теорию, которая выражала связь электрических и магнитных явлений, выдвинул гипотезу о природе магнетизма, ввел понятие электрического тока.

Первый электромагнит был изобретен в 1825 году английским сапожником и изобретателем У. Стэрджоном (1783-1850), а в 1830 году он разработал технологию изготовления пластин из амальгамированного цинка для гальванических элементов.

Первый телеграфный аппарат был изготовлен в 1837 году, а телеграфная азбука, которую мы сейчас знаем как азбуку Морзе, впервые прозвучала в 1838 году. Это был этап появления телеграфной связи по проводам. Так, на непродолжительное время, появилось понятие беспроволочного телеграфа – попытка связать телеграфные аппараты с помощью проводимости земли или воды по реке, но к «радио» это не имело никакого отношения.

В 1834 году английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле М. Фарадей (1791-1867) обнаружил ЭДС в катушке с проводом при движении около нее магнита. Его открытия нашли развитие и теоретическое обоснование в трудах великого ученого Дж. Максвелла (1831–1879). Он ввел понятие «эфира» – носителя электромагнитных явлений. Но это была только теория. На практике волны Максвелла были обнаружены английским профессором Дж. Томсоном (1856–1940), а впервые возбудил эти волны Г. Герц (1857– 1894), в 1888 году, доказав справедливость всех теоретических выводов Дж. Максвелла. В своих экспериментах Г. Герц использовал «вибратор» специально приспособленный для излучения волн, но он не предвидел практического использования своих опытов. Впервые немецкий гражданский инженер Г. Губер из Мюнхена предложил использовать электромагнитные волны для целей связи без проводов.

К этому времени было обнаружено влияние электрических зарядов на изменение сопротивления металлических порошков (Д. Юз (1834– 1900) и др.) Французским физиком Э. Бранли (1844–1940) в 1890 году был изготовлен «радиокондуктор», который позже усовершенствовал английский физик О. Лодж (1851–1940). Этот прибор был назван «когерером». О. Лодж был очень близок к изобретению телеграфа без проводов, но он не задумывался над возможностью увеличения дальности и практического применения своих достижений. Значимый элемент для регистрации электромагнитных сигналов – когерер необходимо было периодически встряхивать. В схеме О. Лоджа это осуществлялось с помощью часового механизма.

Популярная на то время публикация О. Лоджа «Творение Герца» (1894) побудила А. С. Попова (1859–1906) и позже молодого Г. Маркони (1874–1937) вплотную заняться работами с электромагнитными волнами.

А. С. Попов первый догадался автоматизировать встряхивание когерера для восстановления его чувствительности, с помощью косвенного механического воздействия на когерер. Удачная схема его приемника, с длинной и высокой антенной и заземлением явилась предметом изобретения телеграфа без проводов – «Радио». Термин «Радио» (от лат. «Radius» – луч) стали применять с 1906 года после конференции по проблемам телеграфа без проводов в Берлине [13].

В 1888 году, узнав об опытах Г. Герца по излучению и регистрации электромагнитных волн, А. С. Попов приступил к практической реализации этих экспериментов. Уже через год в лекции «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями» впервые выразил мнение о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние.

В 1890-1893 годах А. С. Попов работал над обнаружением электромагнитных волн, а в 1894 году занялся детальным исследованием свойств металлических порошков, создал совершенные конструкции ког ер ер о в .

7 мая (1895) ученый продемонстрировал свой прибор (радиоприемник) на заседании Русского физико-химического общества. Этот день вошел в науку как день изобретения радио. Прибор А. С. Попова в наше время изготавливают ученики при выполнении лабораторной работы в 11-м классе.